易自燃煤层采空区瓦斯与氧气耦合致灾效应分析

马金魁，苏学友，赵亮宏

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3.甘肃靖远煤电股份有限公司 大水头煤矿，甘肃 白银730913）

对于厚煤层赋存条件来讲，综采放顶煤技术是最高效产出方式，应用十分广泛。但放顶煤开采造成的顶板垮落高度要大于常规开采方式，采动影响更为明显，同时，顶煤释放的不规则性也会增加采空区遗煤量，在易自燃煤层条件下，容易引发采空区自然发火灾害[1-2]。来源于邻近卸压煤层和采空区遗煤的瓦斯，受工作面漏风流影响在采空区内部展现为有规律的分布方式[3-5]，并与氧气浓度决定的采空区自燃“三带”构成了采空区2 大灾害隐患。采空区自然发火危险区域的氧气和瓦斯耦合作用后，是否存在瓦斯燃烧或爆炸危险，成为两者耦合危险性识别的重要信息[6-10]，因此，开展易自燃煤层采空区瓦斯防燃防爆具有重要安全意义。

1 工作面概况

大水头矿为突出矿井，东106 综放工作面位于1180 水平，处于东一采区西翼，工作面煤厚为8～14 m，煤层倾角范围为4°～12°，受F40断层刀楞山断层应力的强烈牵引拉伸作用，工作面煤层及顶板受到整体牵引，煤岩强度较为松软破碎，受构造应力作用，煤层顶底板起伏较大，在褶曲轴部受剪应力作用，小断裂构造发育，煤体松软破碎，地质构造发育，为瓦斯储存提供了大的空间，属高瓦斯区域。该工作面采用“U”型通风方式，工作面供风量为1 080 m3/min。煤层的自然发火期达3～6 个月，最短只有21 d，煤尘的爆炸指数达36%。

2 采空区气体分布特征

2.1 采空区漏风及氧气浓度分布特征

随着工作面推进，采空区自燃“三带”的温度、O2、CO 标志气体也不断变化，采空区气体统计曲线图如图1。从工作面逐渐深入采空区深部，温度处于缓慢递增趋势，当距工作面55 m 时，温度指标出现第1 个峰值，随后继续保持高温向采空区深部延伸，体现出采空区温度的分布状态。采空区氧气主要随着工作面漏风流入采空区，从图1 可以看出，采空区距工作面30 m 处，氧气浓度呈现十分明显的下降趋势，之后下降转化成台阶状方式，瓦斯浓度开始增大，直到采空区内部，呈现震荡变化。CO 气体浓度从20 m 开始变化，到采空区33 m 以后的深部，气体浓度值有显著往大变化。

图1 采空区气体统计曲线图Fig.1 Gas statistical curves of goaf

采空区氧气浓度分布立体云图如图2。从图2可以看出，采空区氧气浓度由高向低变化的1 个轮廓，沿采空区方向氧气浓度逐渐降低，同一水平尺度进风侧的氧气浓度要高于回风侧的氧气浓度，且流动路线上的氧气浓度也在逐步减少。

2.2 不同供风量对采空区自燃危险区域的影响

图2 采空区氧气浓度分布立体云图Fig.2 Stereo cloud map of oxygen concentration distribution in goaf

采空区氧气浓度是判定区域危险系数的重要指标，其指标大小决定了采空区遗煤的氧化程度及自燃效应，供氧量充足，工作面后方的自燃带遗煤氧化放热能量就大，极易引燃煤体。采空区供氧主要来源于工作面的漏风量，因此，数值模型设定入口风速为变量，通过调整工作面风速得到工作面不同配风量对采空区煤自燃的影响，以大水头煤矿东106工作面为模型，设计入口风速为1.0～1.5 m/s，利用Fluent 软件模拟计算了采空区瓦斯分布特征，分别提取风速1.0 m/s 和1.5 m/s 产生的风量进行分析。

1）当风量为790 m3/min 时，风速v1为1.1 m/s。沿采空区方向和水平方向，采空区氧气浓度分布规律与上述模拟的规律一致，只因供风量较小导致氧气梯度分布范围前移。由于风压较小，工作面附近形成的散热带的空隙率较低，导致氧气扩散形成较为规则的线性方式；自燃带范围氧气同样呈现为进风侧分布区域要宽于回风侧区域；工作面下隅角至上隅角，氧气变化梯度边界呈现线性趋势；从采空区氧气整体分布情况看，靠近工作面支架一侧的分布规律表明采空区漏风携带的氧气范围较小。在采空区深度约50 m 处进风侧氧浓度已经达到了下限氧浓度值。

2）风量为1 080 m3/min 时，风速v2为1.5 m/s。风量增大以后，采空区内外风压差值加大，促进氧气范围扩大，边界处氧气浓度变化梯度的线性特征也逐渐减弱，呈现出弧形特性，整个采空区氧气浓度的梯度变化边界范围增大许多。采空区深部延伸25 m 出现了氧气浓度的下限值。

2.3 采空区O2 与CH4 耦合及其分布特征

放顶煤的开采规律导致采空区自燃发火区存在丰富的氧气和瓦斯，且两者浓度均处于瓦斯爆炸条件范围内，如果氧化蓄热过程使区域温度达到瓦斯的燃烧点，瓦斯燃烧现象极有可能发生，甚至产生瓦斯爆炸事故。东106 工作面采空区存在高浓度瓦斯，在漏风源供风条件下，该煤层易自燃特点会加速局部热量积聚，引诱瓦斯爆炸事故。采空区气体渗流轨迹主要受工作面内外压差影响，下隅角是漏风源头，氧气浓度最高，随后沿着工作面支架向回风巷上隅角流动，形成气流回路，表现1 个氧气浓度由高到低的变化轮廓。其特征体现在：①沿工作面倾向方向，采空区进风侧的氧气浓度要大于回风侧氧气浓度，且氧浓度呈梯度减小，符合流体的渗流规律；②沿着工作面开采相反方向，越深入采空区内部，氧气浓度越低。计算结果表明，在距离工作面120 m附近时，进风侧氧气浓度基本降到4%。

3 工作面不同供风量情况下耦合效果

在采空区不同漏风量条件下O2、CH4形成耦合结果进行对比。采空区瓦斯分布图如图3，采空区氧气瓦斯耦合合成图如图4。在工作面极大风量时瓦斯浓度大于4%和氧气浓度大于12%的区域，在采空区的进、回风侧之间。以进风侧位置来判断，其距离工作面约38 m 左右。采空区都出现了高浓度的瓦斯与氧气重叠的地方，由采空区进风侧到上隅角，范围在逐渐缩小，风量增大时，采空区内瓦斯与氧气发生耦合的范围大且往深部移动；在工作面极小风量时瓦斯浓度大于4%和氧气浓度大于12%的区域，在采空区的进、回风侧之间，其中进风侧有较多重叠区、回风侧的上隅角附近有极少量重叠，以进风侧位置来判断，其距离工作面约30 m 左右。

图3 采空区瓦斯分布图Fig.3 Gas distribution map in goaf

4 采空区氧气与瓦斯耦合爆炸基本条件

图4 采空区氧气瓦斯耦合合成图Fig.4 Oxygen-gas coupled composition diagram of goaf

经分析表明，采空区内瓦斯浓度以及氧气浓度分布呈现一定特征规律，在工作面漏风作用下，耦合区域范围则依据瓦斯、氧气浓度大小的不同而不同，为了能够判断其爆炸危险性，采用科瓦德爆炸三角形模型进行分析。科瓦德爆炸三角形是以可燃性气体（甲烷）浓度为横坐标，以空气中氧气浓度为纵坐标，根据试验数据绘制出来的1 个表示爆炸性气体混合物的特征图，科瓦德爆炸三角形如图5。氧浓度降低时，爆炸下限变化不大（BE 线）爆炸上限则明显降低（CE 线），其中，氧浓度低于12%时，混合气体就失去爆炸性。

图5 科瓦德爆炸三角形Fig.5 Kowald explosive triangle

5 采空区瓦斯氧气耦合区爆炸危险性判定

通过埋设传感器对采空区瓦斯氧气耦合区瓦斯爆炸危险性判断分析，采空区距离上隅角42 m 范围内，氧气浓度大于12%，但这个范围内瓦斯浓度低于5%，理论上不存在爆炸危险性；若从按照4%的安全，则34～42 m 的范围，出现氧气瓦斯耦合区域，具备了瓦斯爆炸基本条件。在温度方面，现场观测最高温度不超过30 ℃，观测区域无瓦斯爆炸危险；在采空区距离上隅角33 m 范围内，氧气浓度大于12%，但这个范围内瓦斯浓度低于4%，且温度为25 ℃，该区域无瓦斯爆炸危险；在采空区距离上隅角15 m 范围内，氧气浓度大于12%，但这个范围内瓦斯浓度低于4%，且温度为23 ℃，所以该区域无瓦斯爆炸危险。

6 结 语

通过对采空区瓦斯分布特征规律进行模拟计算，定义了采空区内瓦斯与氧气相互混合达到爆炸危险的耦合区域，对东106 工作面采空区耦合区域进行划分，结果表明：瓦斯与氧气耦合区域在采空区由进风侧到上隅角，范围由大往小变化，且漏风越大，耦合区域范围越大。对于分析得出的东106 工作面采空区瓦斯与氧气耦合区域，依据瓦斯爆炸充分条件和科瓦德爆炸三角形模型，根据现场实际观测数据，进行了瓦斯爆炸危险性判断分析，结果表明采空区区域存在瓦斯与氧气耦合区，由于该区域内温度低，不会构成瓦斯爆炸事故。