0 引言
我国煤炭资源丰富，井工开采工作方式占比较大，因地质环境的影响，煤矿自燃事故频发，不仅给井下生产带来极大的安全隐患，也是对资源的一种浪费。超大采高煤层工作面防灭火形势更加严峻，因此，科学规划超大采高煤层工作面自燃监测及火灾预防措施是目前亟待解决的问题。
徐小马[1]针对某大采高综放工作面煤自燃问题，通过煤炭氧化实验确定了该工作面煤自燃过程中的气体指标，结合火灾束管监测完成煤自燃早期预测工作。邓军等[2]围绕某综采工作面推进慢的问题，分析了发火原因及治理难点，研究了封闭工作面水淹降温技术，同时利用高分子胶体压注、工作面上下端头封堵等综合措施，有效遏制住火区复燃及煤自燃，确保了该工作面的正常生产。陈明河[3]针对浅埋深大采高工作面采空区漏风严重问题，通过现场观测和数值模拟，结合参数指标，确定工作面自燃“三带”划分结果，为制定有效的综合防火措施提供了科学依据。
超大采高工作面煤自燃监测数据包括气体浓度、温度等，研究方法包括实验、数值模拟、现场观测等。现有研究大多未考虑各指标之间的关系，研究手段及数据分析方法单一。针对该问题，本文以神华神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿采高为8.8 m的12401工作面为例，采用现场煤自燃实验、现场观测、数值模拟等方法，结合现场火灾防治数据，总结工作面煤自燃火灾过程中气体浓度与温度之间的关联关系，为超大采高工作面煤自燃火灾防治提供技术支撑。
1 12401工作面概况及煤自燃监测手段
上湾煤矿煤层埋深浅且可采煤层间距小，属于煤层群开采[4-5]。12401工作面煤层属于I类易自燃煤层，工作面巷道采用“两进一回”布局，两进风巷之间的间隔为50～60 m，通过联络巷联通[6]。在掘进过程中不可避免地会破坏煤体的完整性，使煤柱出现裂隙，进而形成漏风通道，联通多个相邻的采空区[7-8]，导致发生煤自燃的危险性增大。
12401工作面煤层最短自然发火期为35 d，工作面长度为299.2 m，推进长度为5 291 m，推进周期长，自燃危险性大，工作面煤层厚度达11 m，采用一次性采全高的开采方式，采空区的进、回风巷和开切眼、终采线区域必然遗留大量浮煤，为本煤层自然发火创造了物质基础[9]。由于开采煤层埋深浅、煤层间距小、开采塌陷直通地表，采用负压通风方式，该煤层存在地表漏风情况。若本煤层发生自燃，会影响下一煤层开采[10]，因此，有必要做好该工作面采空区自燃监测和分析工作。
12401工作面已经装备了地面束管监测系统、井下束管监测系统、安全监控系统和光纤测温系统等独立监测系统。
(1) 地面束管监测系统。采用16芯束管监测系统，束管自监控中心进入主斜井至井下，在井下的工作面、采空区安装束管和采样头，将井下监测地点的气体通过束管抽至地面气相色谱仪中，对气体的成分、浓度和变化趋势进行分析。系统监测的数据为CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，O2，N2等气体浓度。
(2) 井下束管监测系统。该系统可实现对CO，CO2，O2，CH4等气体浓度的24 h实时监测，抽采距离控制在2 km以内，实时监测数据自动通过环网上传至地面监测中心，其测点布置与地面束管测点布置互相补充[11]。
(3) 安全监控系统。选用KJ95X安全监控系统，对井下采掘工作面瓦斯、CO浓度、温度等参数进行监控，在工作面上隅角、回风巷口向里10～15 m处各设置一台CO传感器和一台CH4传感器，在工作面回风流处设置温度传感器和风速传感器，实时监测CO浓度、CH4浓度、温度和风速。
(4) 光纤测温系统。从开切眼处沿着两巷道铺设分布式测温光纤，如图1所示，每隔1 m布置1个测点，实时监测巷道温度值，系统巡检周期不大于15 s。
上湾煤矿12401工作面部署了4套与煤自燃火灾相关的监测系统，但是各系统之间相互独立，系统监测参数之间的关联关系无法确定，导致日常煤自燃火灾隐患处置过程中，各系统数据大多只起到参考作用，无法深入、具体地指导现场煤自燃火灾防治工作。
图1 12401工作面煤自燃火灾测点布置
Fig.1 Layout of measuring points for coal spontaneous combustion in 12401 working face
2 煤自燃实验及现场“三带”实测
2.1 煤自燃实验
对12401工作面煤层煤样进行程序升温氧化实验。先剥去煤样表面氧化层，然后用破碎机对其进行破碎，并筛分出直径为0.18～0.25 mm的50 g颗粒作为实验煤样。向煤样内通入流量为50 mL/min的干空气，在程序控温箱控制下对煤样进行程序升温[12]，设置程序控温箱的初始温度为30 ℃。当程序控温箱恒温运行10 min达到初始温度稳定状态时，对煤样进行程序升温，当达到指定测试温度时，保持温度恒定5 min后取出气样进行气体成分和浓度分析，实验结果总结如下。
(1) CO在30 ℃时开始出现，在70～80 ℃时CO浓度迅速上升，说明此时煤已经开始迅速氧化，物理吸附越来越弱，化学吸附和化学反应占据了主导位置，CO可作为指标气体。
(2) 煤炭低温氧化过程中释放的CO2和CH4浓度变化规律性不强，因此，CO2和CH4不能作为该煤层预测煤自燃的指标气体。
(3) C2H6在60 ℃开始出现，H2在110 ℃时开始出现，C2H4在100 ℃时开始出现，这3种气体的生成量均随煤温的上升呈单一递增关系。C2H2在30～220 ℃没有出现，说明其出现时的温度高于220 ℃，一旦有C2H2则表明煤已经发生剧烈化学反应，因此C2H6，C2H4，C2H2，H2可作为辅助指标气体。
2.2 现场“三带”观测及分析
在距离12401工作面采空区回风侧位置每隔50 m埋设4个束管采样点(测点)，监测CO，O2体积分数，如图2所示。
(a) 1号束管采样点
(b) 2号束管采样点
(c) 3号束管采样点
(d) 4号束管采样点
图2 12401工作面采空区束管气体变化曲线
Fig.2 Gas change curves of bundle tube in goaf of 12401 working face
从图2可看出，随着测点与工作面的距离不断增加，4个测点CO体积分数先呈递增趋势，达到峰值后递减，整体呈倒“U”形。2号、3号、4号测点分别推进至距工作面75，96，125 m时，CO体积分数出现峰值，分别为185×10-6，136×10-6，140×10-6，然后开始下降，距工作面200 m左右开始稳定。各测点O2体积分数总体呈下降趋势，2号测点的O2体积分数在距工作面203 m左右下降到10%以下，4号测点的O2体积分数在距工作面198 m时下降至9.6%，而1号、3号测点的O2体积分数较高，分别在333，327 m时下降至11.57%，12.06%。
采空区自燃“三带”一般按O2体积分数来划分，散热带内由于漏风充分，其O2体积分数偏高，常取大于18%；窒息带的O2体积分数小于10%，氧化升温带的O2体积分数为10%～18%。一般距工作面0～30 m为散热带，30～178 m为自燃带，大于178 m为窒息带。上湾煤矿12401工作面现场观测结果表明，采空区散热带+自燃带长度约为200 m，采空区CO体积分数最大值为185×10-6。
3 采空区注氮数值模拟分析
3.1 采空区三维模型建立
根据上湾煤矿12401工作面实测参数，利用Ansys Workbench 中Fluent前处理软件Design Modeler建立采空区三维模型。现场注氮口和注氮位置和现场技术人员进行了严格核实，符合实际情况。采空区走向长度为300 m，倾向长度为200 m[13-14]，自下而上分别设置为遗煤带、冒落带、断裂带。三维模型的基本参数见表1，松散煤体及岩体材料参数见表2，几何模型如图3所示。
表1 采空区三维模型基本参数
Table 1 Basic parameters of 3D model of goaf m
几何模型模型尺寸(长×宽×高)空间填充进/回风巷20×4×3.5流体工作面200×4×4流体采空区遗煤带300×200×1.6以压实煤体为主的多孔介质采空区冒落带300×200×20以松散岩体为主的多孔介质采空区断裂带300×200×42以松散岩体为主的多孔介质
表2 松散煤体及岩体材料参数
Table 2 Material parameters of loose coal and rock mass
参数松散煤体岩体密度/(kg·m-3)1 3302 700比热容/(J·kg-1·K-1)1 530873温度/K300300导热系数/(W·m-1·K-1)0.120.17
模型解算设置中，设置组分为O2，N2及CO混合物。边界条件：设置进风口和注氮口为速度入口，回风口为自由出流，采空区为多孔介质区域。孔隙率、黏性阻力系数、惯性阻力系数及耗氧速率采用用户自定义函数(User-Defined Functions,UDF)编程的方式编译至解算程序进行解算[15]。
图3 上湾煤矿12401采空区几何模型
Fig.3 Geometry model of 12401 goaf in Shangwan Coal Mine
3.2 采空区O2体积分数及“三带”分布规律
注氮前后采空区O2体积分数三维分布如图4所示，采空区“三带”变化如图5所示，其中X为煤层走向长度，Y为工作面长度，Z为采空区高度。由图4和图5可知，注氮前，O2从进风侧进入工作面，由于工作面和采空区之间不可避免地存在漏风情况[15-17]，特别是在进风隅角处，有相当一部分O2进入到采空区，作为区分氧化升温带和窒息带的10% O2体积分数等值线深入至采空区约80 m；而回风侧O2体积分数明显较小，在深入采空区方向，O2体积分数随着与工作面距离的增大而逐渐减小；在垂直于采空区方向，由于O2摩尔质量大于空气，整体而言，越靠近底板处O2体积分数越大。
(a) 注氮前
(b) 注氮后
图4 采空区O2体积分数三维分布
Fig.4 Three-dimensional distribution of O2volume fraction in the goaf
(a) 注氮前
(b) 注氮后
图5 采空区“三带”变化
Fig.5 "Three-zone" changes in the goaf
向采空区高温区域采用注氮措施后，采空区的漏风流场受到干扰，进而改变了采空区内流体的运移规律。注氮明显改变了采空区内O2分布，以注氮孔为中心，O2体积分数呈现明显的向四周增大趋势，注氮前的窒息带被划分为2个部分，小部分O2因N2的挤压作用进入采空区深部，而大部分O2向工作面方向移动，大大减小了氧化升温带的宽度，惰化效果显著。
3.3 采空区CO体积分数变化
注氮前后CO体积分数变化如图6所示。注氮前，由采空区内异常区域涌出的CO气体分布于整个采空区，受采空区漏风风流扰动影响，明显向回风隅角处运移，进风侧CO体积分数小于回风侧。采取注氮措施后，CO聚集区域被注入N2分割为2个部分：靠近采空区深部的一部分面积较小，分布在160 m<X<200 m，50 m<Y<150 m区间内；靠近工作面的聚集区分布在20 m<X<130 m，40 m<Y<200 m区间内。其他区域CO体积分数相比注氮前均明显降低，说明注氮措施使CO体积分数得到有效控制。
3.4 采空区温度场变化
注氮前后温度场变化如图7所示。由于煤体的导热性较差，尽管采空区中心处温度达800 K，但温度扩散范围不大。采取注氮措施后，最高点温度迅速降至305 K，有效控制了高温火源区域的扩大。
(a) 注氮前
(b) 注氮后
图6 注氮前后CO体积分数变化
Fig.6 Changes of CO volume fraction before and after nitrogen injection
(a) 注氮前
(b) 注氮后
图7 注氮前后温度场变化
Fig.7 Temperature field changes before and after nitrogen injection
对多次模拟结果进行总结，得出最佳注氮量为1 000 m3/h。若注氮量过低，则惰化效果不佳；注氮量超过1 000 m3/h后，若继续加大注氮量，对采空区“三带”影响不大，但增加了注氮成本。
4 高温异常区域注氮效果分析
12401工作面于2018-03-20开始回采，回采初期推进速度较慢且工作面及“两道两线”(进风道、回风道、始采线及终采线)遗留浮煤较多，截至2018-05-20工作面只推进298 m。2018-05-25—06-20，温度监测数据显示，距离工作面当前推进位置60 m处两巷道光缆有异常，尤其是进风侧，最高温度达到32.2 ℃，高温异常区域O2体积分数一直维持在20%以上，CO体积分数逐渐升高到100×10-6。
根据模拟结果，进风侧距离工作面50～70 m处温度最高，与现场情况基本一致。为了及时消除火灾隐患，采用地面与井下一起注氮的方式降低火灾危险性。按照模拟结果，井下注氮位置选取进风侧联络巷，在距离工作面50～100 m的77联络巷采用井下注氮方式。地面注氮位置选取DM-1000钻孔处，按照采空区“三带”分布规律模拟结果，在X=70 m，Y=100 m处进行地面注氮。地面和井下注氮流量均为1 000 m3/h。
12401工作面火情关键参数变化趋势如图8所示。5月25日开始在采空区高温异常区域进行地面注氮后，高温异常区域CO体积分数及温度有逐渐下降的趋势。6月12日再次注氮后，CO体积分数迅速下降，采空区回风侧切眼位置温度下降到26 ℃左右，CO体积分数下降到45×10-6左右。模拟结果验证了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。
图8 12401工作面火情关键参数变化趋势
Fig.8 Change trend of key fire parameters in 12401 working face
5 结论
(1) 煤自燃实验结果表明，CO可作为预测煤炭自燃的指标气体，CO2和CH4不能作为指标气体，C2H6，C2H4，C2H2，H2可作为辅助指标气体。
(2) 现场观测结果表明，上湾煤矿12401工作面采空区散热带+自燃带长度约为200 m，采空区CO体积分数最大值为185×10-6。
(3) 数值模拟分析结果表明，采取注氮措施后，氧化升温带的宽度大大减小，CO体积分数明显降低，最高点温度迅速下降，惰化效果显著。
(4) 综合煤自燃实验、现场“三带”实测及数值模拟结果，确定注氮方式和位置，使高温异常区域CO体积分数及温度逐渐下降，验证了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。
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