芦岭煤矿9＃煤层多源多汇采空区自燃预警技术研究∗

周孟颖马 驰宋庆尧王新琨宋三胜

(1.安徽省煤炭科学研究院,安徽省合肥市,230001; 2.淮北矿业股份有限公司,安徽省淮北市,235000)

芦岭煤矿9＃煤层多源多汇采空区自燃预警技术研究∗

周孟颖1马 驰1宋庆尧2王新琨2宋三胜2

(1.安徽省煤炭科学研究院,安徽省合肥市,230001; 2.淮北矿业股份有限公司,安徽省淮北市,235000)

基于分布式光纤测温系统为主,束管气体监测系统、数值模拟为辅的方法,对芦岭煤矿II925工作面瓦斯综合治理条件下多源多汇采空区的温度、气浓度变化规律进行了监测,对采空区流场数值模拟结果进行了分析,对采空区自燃“三带”分布进行了讨论。总结出分布式光纤测温预警系统具有灵敏、可靠、准确、连续性等优点,弥补了束管监测系统单一、无法定位、抽象等缺点,进一步完善了煤矿采空区自燃预警技术,对煤矿防灭火工作具有指导意义。

自燃预警 分布式测温光纤 气体监测系统 数值模拟 多源多汇采空区

煤矿采空区遗煤自燃是矿井自然发火的主要原因,尤其是煤矿瓦斯综合治理条件下形成的“多源多汇”工作面采空区极易漏风,具备良好的供氧和蓄热条件时,便会发生采空区浮煤自燃,导致火灾和爆炸事故发生,威胁矿井安全生产。

1 工作面概况

芦岭煤矿为自然发火矿井,9＃煤层易自燃,发火期为2～3个月,煤尘具有爆炸危险性,爆炸指数37.51%。II925工作面走向长度560 m,倾斜长度115 m,平均煤厚3.1 m,最大厚度4.8 m,选用ZF7000/18/28A、ZFG7600/18/29 HA支架,综合机械化低位放顶煤工艺,正常割煤高度为2.3 m,最大割煤高度不大于2.6 m。工作面防灭火采用以注浆为主、注氮为辅方式。

目前II925属于孤岛开采,开采条件复杂,防灭火难度大。邻近的II923工作面和II927工作面及上部的8＃煤层均已经收作,易造成采空区内部漏风。上部8＃煤层采空区内部有一定量遗煤,造成II925采空区内遗煤较多。沿煤层倾向方向,早期部分材料巷道虽已冒实,但回采拆棚需要一定时间,影响正常回采速度,给采空区防火带来不利影响。

II925工作面采用U型通风方式,生产过程中实际配风量为800～1000 m3/min,由于实际采空区内部漏风较多,形成典型的多源多汇通风系统,其“三带”分布规律性较为复杂。回采过程主要不利影响包括采空区周围巷道系统复杂,上部8＃煤层作为解放层已开采,邻近II923、II927工作面已收作,回采过程可能会与周围巷道、采空区形成沟通裂隙,漏风通道不明确;II925工作面瓦斯治理采用双岩巷底板抽放钻孔抽放、采空区埋管抽放等方法,对采空区流场分布产生一定影响。

图1为II925工作面通风系统示意简图,II925工作面通风系统较为复杂,周围巷道较多。工作面进风路线:地面→新副井→井底车场→－590西大巷→Ⅱ82轨道上山和Ⅱ82运输上山→Ⅱ826集中巷和Ⅱ825集中巷→Ⅱ826－6＃联巷→Ⅱ925进风巷→工作面;工作面回风路线:Ⅱ925工作面→Ⅱ925回风巷→Ⅱ824－9＃联巷→Ⅱ82老回风上山→102回风上山→102石门→南风井→地面。井下测温分站位于Ⅱ925进风巷下口。

图1 II925工作面通风系统示意图

为加强防灭火工作,分析采空区遗煤氧化情况、研究采空区自燃危险区域分布规律,在工作面回采过程中采用了线性分布式光纤温度监测系统和束管气体监测系统共同对采空区自燃情况和火灾隐患情况进行监测,并利用数值模拟手段对采空区流场进行模拟,以确保工作面安全生产。

2 采空区火灾监测

2.1 线性分布式光纤温度监测

现场采用分布式光缆作为温度监测手段。温度信息通过光信号传输,不受电磁干扰感知温度信息,光纤的多层铠装使其本身具有一定抗拉压、抗剪切能力,具有本质安全、绝缘性能强、防潮湿、测温准确、运行稳定等优点,可以实现采空区温度实时在线监测。采空区测温系统光纤布置如图2所示。

图2 采空区光纤测温系统布置示意图

根据芦岭矿II925工作面具体情况,现场试验分别沿工作面进风巷和回风巷各布置一路光纤。光纤每隔50 m预留一处回弯,预留光纤盘好后置于上帮,当工作面推进到回弯处时,将回弯解开,沿着工作面倾向方向,将光线铺开。设置回弯的目的是在不截断光纤的条件下,使得光纤感知范围更大,对工作面倾向方向温度进行局部检测;回弯向采空区倾向延伸,能够降低采空区上下隅角处密闭墙的影响,更准确获得采空区内部真实温度。光纤铺设完成后,加强维护、提高防护等级,保证正常测温取样。

2.2 束管气体监测

目前束管气体监测系统广泛用于煤矿自然火灾预报和防治工作,通过对采空区内部O2、CO、CH4等气体含量随时取样监测,及时预测预报发火点的温度变化,为煤矿自然火灾和矿井瓦斯事故的防治工作提供科学依据。由于束管监测系统不能够连续监测,且易受到堵塞、水封、漏气等因素影响,在埋设过程中,采用了直径2寸防护铁管等措施对束管系统进行防护;同时为消除井下水对束管气体监测系统测试结果的影响,系统安装完成后将铁管固定于巷道外帮,其中在回风巷安装至距巷道底板0.5 m高,在进风巷安装至距巷道底板1 m高;在测点处预留三通,接上直径2寸,长0.3 m的花管,以花管作为防护罩;用尼龙袋包裹于花管四周,防止碎煤与岩石堵塞花管孔眼;为有效抽取气样,将气样采集探头与防护铁管中空气隔绝。采空区束管气体检测系统布置示意图如图3所示。

图3 采空区束管气体检测系统布置示意图

3 火灾监测结果分析

3.1 温度监测结果及分析

分布式光纤测温可连续测定温度,并实时将采空区各点的温度反映在测试Origin软件中。测定结果如图4、图5所示,光纤系统监测距离起点为自井下测温分站开始,即自分站起光纤每米距离上的日平均温度。

图4 进风侧平均温度变化图

图5 回风侧平均温度变化图

由图4和图5分析可知,光纤在测点处所测结果呈现出轻微先上升后下降的趋势,当埋深达到一定深度后采空区温度接近原岩温度最终趋于稳定。进风巷道平均温度为26.1℃,最高温度达27.9℃;回风巷道平均温度约29.6℃,最高温度30.6℃。

从测温系统分析可以看出:

(1)温度变化情况。工作面进风巷温度较低,在25.2～26.8℃之间,采空区进风侧温度26.7～27.9℃,采空区进风侧距工作面41 m平均温度较回风巷回风流高0.9℃;工作面回风巷温度28.9～30.7℃,采空区回风侧温度29.0～30.6℃,采空区回风侧距工作面38 m平均温度较回风巷回风流高约0.8℃。从图5可以看出,距井下测温分站约700 m处温度变化较明显,这是因为光纤自进风巷道转入回风巷,回风巷温度较进风高的缘故。

(2)自燃危险区域观测情况。根据采空区测温数据的划分指标得出II925工作面回采期间采空区“三带”的范围:进风侧窒息带大于41 m;回风侧窒息带大于38 m。

(3)采空区防火效果分析。采空区内部平均温度处于26.7～30.6℃之间,内部最高温度处于35℃以下,工作面防火工作对遗煤氧化起到了很好的抑制作用,为工作面的安全回采提供保证。

3.2 气体监测结果及分析

由于条件限制,束管气体监测采用井下现场取样时,先使用抽气筒连接束管端头的软管预抽10 min,以排除束管内空气。采集气样后贴上标签立即送至地面实验室,利用气相色谱仪进行色谱分析。为保证实测结果更符合实际情况,原始数据在分析和处理时进行了合理的处理:未进入采空区测点数据没有参与数据处理与分析;数据中各测点距采空区的距离计算是从工作面支架后方开始计算。O2浓度变化、CO浓度变化及瓦斯浓度变化现场测点结果如图6～图8所示,图中束管系统监测起点为采空区内部束管端头取样口。

从测气系统分析可以看出:

(1)第一次取样时间(2014年3月13日)为工作面试采开始时,氧气和瓦斯浓度标准偏差较大,气体浓度数据明显不合理,属于粗大误差,不能作为有效检测数据,已经将其剔除(图6和图7中对数据进行了指数拟合)。

图6 束管O2浓度变化及拟合曲线图

图7 束管CO浓度变化及拟合曲线图

图8 束管瓦斯浓度变化图

(2)在工作面推进过程中,O2浓度范围在15.7%～21.3%之间,平均浓度19.8%;CO浓度范围在0%～2×10－5%之间,平均浓度4× 10－6%,没有明显发火倾向;束管瓦斯平均浓度0.7%。各个指标气体浓度变化拟合曲线平直,随推进变化不明显。

(3)实际取样过程中考虑到束管、人、环境等因素受到较大不利影响,此次束管采样分析结果对于采空区自燃监测预警受到限制,只能作为参考。

4 数值模拟及易自燃区域分析

4.1 流场数值模拟

采空区气候室流场模拟采用计算流体力学软件FLUENT进行计算,文中采用标准K－ε模型,作出如下假设:

(1)正常生产期间,采空区漏风强度、氧气浓度分布动态稳定;

(2)采空区遗煤厚度恒定不变,煤体中的同一位置风流温度与煤体温度相等;

(3)采空区内遗煤、冒落岩石与空气等混合物视为各向同性的均匀一致的多孔介质层,孔隙度为常数;

(4)忽略水蒸汽蒸发和瓦斯解吸,同时将固体、气体的物理特性参数视作常数,不考虑其随温度的变化。

质量守恒、动量守恒及能量守恒方程如式(1):

式中:t——时间;

u——速度;

ρ——密度;

p——静压;

τ——切应力;

μ——动力粘性系数;

f——单位质量流体的质量力;

e——流体内能;

k——导热系数;

T——温度;

q——其它原因在单位时间内传入单位质量流体的热量。

多孔介质区域的粘性阻力系数和内部阻力系数由下式计算得到:

式中:a,b——经验系数,其大小与煤层顶板岩体性质及采空区内的岩体冒落状况相关,取值如表1所示;

c——采空区内冒落岩石的压实系数,是推进速度的函数;

x——采空区距工作面的距离,m;

l——采空区滤流分支长度,m;

s——采空区滤流分支截面积,m2;

vf——工作面的推进速度,m/s。

表1 冒落岩体的a,b取值表

模型尺寸及边界条件:采空区倾向长度115 m,走向长度150 m;平均进风风量为1000 m3/min;工作面进风温度为24℃;工作面平均推进速度约2.0 m/d。模拟结果如图9、图10所示。图9为采空区内部流场矢量图,表征采空区内部风流运动方向;图10为风流速度在0.1～0.24 m3/(m2·min)(0.0017～0.004 m/s)范围的易自燃区域分布图,图中深灰色区域风速高于0.24 m3/(m2·min),黑色区域的风速低于下限0.1 m3/(m2·min)。

图9 采空区速度流场矢量图

图10 采空区流场(0.0017～0.004 m/s)图

4.2 易自燃区域分析

图10中采空区内部深灰色区域风速较高,属于自燃“三带”中的散热带,黑色区域风速较小,属于窒息带,二者之间区域为氧化升温带。从计算结果可以看出,采空区氧化升温带范围为:进风侧16～41.5 m,回风侧15～35 m,最大氧化带宽度为25.5 m;采空区窒息带距离为:进风侧41.5 m,回风侧35 m。虽然工作面正常生产时,采空区“三带”范围随着工作面推进是动态变化的,浮煤自燃不但与氧化时间有关,还与工作面推进速度有关,是时间和空间的函数。但对于一个特定的采煤工作面,采空区“三带”范围处于一个动态的稳定状态,浮煤自燃过程可以进行动态数值模拟,这对于采空区浮煤自燃危险性超前预测具有重要的指导意义。

5 结论

(1)本次采用的分布式光纤测温系统能够自动连续地测定采空区各点的温度,具有灵敏性高、精度高和抗干扰能力强等特点,适时反映温度变化情况,减少了其他测温手段带来的人工强度大的问题,较大程度上提高了温度测试及预警的效率。

(2)通过在工作面进风巷和回风巷预埋光纤和束管对采空区自燃情况进行监测,根据采空区测温数据的划分指标得出II925工作面回采期间采空区自燃“三带”的范围:进风侧窒息带大于41 m;回风侧窒息带大于38 m,结合自然发火期分析,在现有推进速度条件下,自燃情况不会对工作面回采造成较大影响。

(3)利用计算流体力学软件对采空区内部流场进行数值模拟,计算结果表明,采空区氧化带范围为:进风侧16～41.5 m, 回风侧15～35 m,最大氧化带宽度为25.5 m;采空区窒息带距离为进风侧41.5 m,回风侧35 m。

(4)采空区采用以注浆为主,注氮为辅的防灭火方法回采过程中上隅角CO浓度始终处于0.000024%以下,采空区内部没有出现高温点,灭火措施取得良好效果。

(5)分析结果显示采空区内部氧气浓度较大,各个指标气体浓度变化曲线平直,随推进变化不明显,说明此次束管采样分析结果对于采空区自燃“三带”划分的意义受到限制,只能作为参考。而光纤测温系统能够很好补充束管测温系统的不足,使采空区防灭火监测预警工作更加完善。

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Study on early warning technology of spontaneous combustion in multi-source and multi-congruence goaf in No.9 coal seam of Luling Coal Mine

Zhou Mengying1,Ma Chi1,Song Qingrao2,Wang Xinkun2,Song Sansheng2
(1.Anhui Province Coal Science Research Institute,Hefei,Anhui 230001,China; 2.Huaibei Coal Mining Co.,Ltd.,Huaibei,Anhui 235000,China)

Based on the main method of distributed optical fiber temperature measurement system and the auxiliary method of bundle tube monitoring system and numerical simulation,the variation laws of temperature and concentration in multi-source and multi-congruence goaf under the condition of gas comprehensive treatment in No.II925 workface of Luling Coal Mine were monitored,then the numerical simulation results of goaf flow field were analyzed,at last the distribution of spontaneous combustion“three zone”in goaf was discussed.According to the research on early warning technology of distributed optical fiber temperature measurement about spontaneous combustion of goaf,the system was sensitive,reliable,accurate and continuous, which recover the weakness of bundle tube monitoring system.The methods perfected the early warning technology of spontaneous combustion in goaf,and made a guiding significance to the fire prevention work in coal mine.

early warning of spontaneous combustion,distributed temperature-measuring optical fiber,gas monitoring system,numerical simulation,multi-source and multi-congruence goaf

TD752.1

A

周孟颖(1958－),男,研究员,硕士生导师,现任安徽省煤炭科学研究院副总工程师兼矿井火灾热害研究中心主任,主要从事煤矿安全生产技术科研工作。

(责任编辑 张艳华)

安徽省科研项目(省财企(2014)1262号第23项)