陈肖
淮河能源控股集团煤业公司谢桥煤矿，安徽颍上 236200
摘要：为确定谢桥矿11518工作面“三带”分布规律，以实测O2 浓度为主要指标，浮煤厚度及漏风强度为辅助指标，将该工作面采空区自燃区域划分为散热带、氧化升温带和窒息带，并利用FLUENT 软件对自燃“三带”分布规律数值模拟进行验证，其结果与现场实测结果基本相吻合，说明可通过数值模拟与现场实测办法判定工作面采空区“三带”分布规律。
关键词：采空区；自燃；“三带”
0 引言
矿井火灾是煤矿五大灾害之一，极大地威胁着煤矿的安全生产和矿工生命安全，造成巨大的资源损失和环境污染。采空区自然发火是矿井自然发火防治的重点 ，采空区自燃三带的划分是防范采空区自燃的重要基础。作为高产量、高效率的采煤技术，综放开采已在国内普遍使用，能大幅度提高煤炭生产效率及产量。但与此同时，这项技术为采空区也带来了巨大的安全隐患，遗留下大量的浮煤让采空区的自燃发火问题空前严重。因此，确定该区域的范围对矿井工作面采空区煤自燃防控至关重要。
刘俊采用采空区预埋束管的方法分析采空区氧气浓度，从而确定采空区自燃“三带”宽度，此方法单一，不能验证结果的准确性。白铭波利用FLUENT数值模拟对采空区自燃“三带”进行研究。文虎通过现场测量氧浓度变化和数值模拟办法验证相结合，分析研究了煤层分层前后采空区煤自燃危险区域的变化情况。本文在前人的基础上，以实测O2浓度为主要指标，浮煤厚度及漏风强度作为辅助指标，并利用FLUENT 软件对自燃“三带”分布规律数值模拟进行验证，测定结果的可靠性得到了有效保障。
1 工作面概况
谢桥矿位于淮北平原西南部，安徽省颍上县境内，横跨颍上县和淮南市凤台县，其中心南距颍上县城20km，东南至凤台县城约34km。11518工作面位于矿井一水平东一B组采区，西起-720m东翼B4煤层底板轨道石门，东至-720m东二轨道石门。工作面标高-606.5～-676.7，可采走向长1623m，倾斜宽258.8m。煤厚1.8~4.2m，倾角12.2~14.8°。工作面采用走向长壁一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法处理采空区，选用ZZ10800/18/38D型液压支架控制顶板，采空控制在3.6m以内。8煤属于Ⅱ类自燃煤层。
2 采空区自燃“三带”现场观测
2.1 测点布置
现场观测采用采空区气体在线监测，工作面两巷分别安装1台监测装置主机和3台多参数传感器。传感器通过有线传输方式将采空区分析的气体参数数据信息传送到主机，并通过井下环网传到地面计算机。观测期间设置为每1h自动采集一次采空区气体，可分析O2、CH4、CO等参数。
图1 采空区“三带”观测测点布置
2.2 实测数据分析
2.2.1 氧气浓度变化规律
2.2.2 漏风强度分析
根据前期开展的谢桥矿8煤的自燃特性测试实验数据，煤样在26℃下所对应的耗氧速度为4.269×10-11，利用已测得的采空区氧浓度分布规律，可推算出进回风侧的采空区漏风强度分布如图1和图2。
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2.2.3 浮煤厚度
11518工作面煤层厚度为4.2m，最低采高2.6m，最大采高为3.6m。运顺（进风巷道）高3.5m、轨顺（回风巷道）高3.3m。工作面回采率在96.7％。采空区内部空隙率考虑为30％，根据前后观测的工作面顶煤厚度以及工作面的回采率估算出采空区平均浮煤厚度。
（1）进、回风两侧及两端头数个支架处浮煤厚度分别为：
(4.2-3.5)/(1-30％)=1m
(4.2-3.3)/(1-30％)=1.28m
（2）采空区中部由于综合回采率为96.7%，则其浮煤厚度为：
2.6×(1-0.967)/(1-0.3)=0.12m
3.6×(1-0.967)/(1-0.3)=0.17m
由此可得，采空区内总体平均浮煤厚度为0.12~0.17m。
3 数值模拟验证与采空区自燃“三带”划分
采用ANSYS FLUENT19.2流体动力学软件，根据现场观测所取得的数据，确定模型边界条件，定义采空区各参数。进而模拟无法直接观测的采空区内部渗流场、气体浓度等。
3.1 建模及参数设置
在建模的时候，首先要对所模拟区域进行设置，本次所模拟的区域为一个200m×260m×30m的立体区域，其中X轴方向为工作面向采空区方向，Y轴为工作面长度，Z为高度。在进行网格划分是，浮煤层与岩石层步长均为0.5m。
3.2 数值模拟结果及分析
利用所构建物理模型进行谢桥矿11518工作面采空区气体浓度场的数值模拟，通过数值模拟可知，采空区距煤层底板不同高度氧浓度分布情况基本类似。因此，假设浮煤的厚度足够聚集热量，则可初步判定，谢桥矿11518工作面采空区氧化带在距工作面进风侧19～73m、回风侧13～62m处。在此范围内，氧浓度足够与煤产生化学反应生成足够多热量，有可能引发煤自然发火，是一个危险区域。
3.3 采空区自燃“三带”划分
根据采空区氧浓度场数值模拟结果可以看出，谢桥矿11518工作面采空区散热带的分布范围在采空区内距离工作面13～19m以内，在采空区进风侧处由于漏风相对较大，散热带范围相对较深，回风侧由于漏风较少，散热带较浅。窒息带在距离工作面62～73m以上的采空区深部。在回风侧，窒息带的深度相对较浅，约为49m，在进风顺槽窒息带的深度相对较深，可达54m左右，如图1和表1所示。
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4 结论
以谢桥矿11518工作面为研究对象，通过在采空区两巷铺设束管，采集气体进行分析，掌握采空区的煤自燃规律及特点，为煤自燃防治技术方案的制定提供基础。
（1）结合现有的研究成果及11518工作面实际情况，通过实测分析将 O2 浓度定为主要指标，浮煤厚度及漏风强度作辅助指标对“三带”进行划分，并利用FLUENT 软件对自燃“三带”分布规律数值模拟进行验证。
（2）11518工作面散热带为进风侧距离工作面19m以内和回风侧13m以内，氧化升温带为进风侧距离工作面19~73m和回风侧13~62m，窒息带为进风侧距离工作面73m以上采空区和回风侧62m以上采空区。氧化升温带最大宽度为54m。
参考文献：
[1] 文虎，胡伟，刘文永，等.抽采条件下采空区煤自燃危险区域判断[J].煤矿安全,2018,49(11)：190.