工作面推进速度对采空区自然发火影响研究

工作面推进速度对采空区自然发火影响研究
周健
【摘要】工作面推进速度直接影响采空区自然发火的严重程度.为了准确定量确定采空区自然发火防治措施技术参数,以同忻矿8101工作面为例,利用数值模拟软件
分别计算当推进速度为1.2 m/d、1.4 m/d、1.6 m/d、2.4 m/d、4 m/d、5.6
m/d和8 m/d时采空区内气体和冒落矸石温度场的时空分布情况,确定了工作面最小推进速度,以指导现场安全生产.
【期刊名称】《中国煤炭》
【年(卷),期】2017(043)010
【总页数】4页(P115-118)
【关键词】工作面推进速度;采空区自然发火;数值模拟
【作者】周健
【作者单位】大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院,山西省大同市,037003【正文语种】中文
【中图分类】TD752
工作面推进速度直接影响采空区自然发火的严重程度。

提高推进速度，可以让处于升温状态的遗煤较快地进入到采空区窒息带，减小采空区遗煤的自燃危险。

研究表明，工作面推进速度存在一个最小值，只要持续大于该工作面推进速度值，就能有效预防采空区遗煤的自燃火灾。

同忻矿主要可采煤层为石炭系太原组3#～5#煤层和8#煤层，均为容易自燃煤层，
初、后期井田开拓方式均为斜、立混合开拓，采用放顶煤开采方法。

同忻矿首采工作面为8101工作面，工作面长199.5 m，平均采高3.8 m，平均放顶煤高度
13.0 m。

8101工作面在生产过程中出现过自燃现象，为提高防灭火技术水平，深化本质安全型矿井创建，结合同忻矿自身实际情况，研究了采空区自然发火与工作面推进速度的定量关系。

根据8101工作面开采实际，为了准确定量确定采空区自然发火防治措施技术参数，进行了工作面推进速度对采空区自然发火影响的数值模拟研究。

8101工作面基本计算参数如下：采空区宽度210 m，倾角0°，采空区的遗煤平均厚度为1.3 m，
工作面通风阻力为120 Pa，采空区的计算深度取300 m。

冒落岩石原始温度为23.1℃，工作面的进风温度为22.5℃，煤的平均比热为1150 J/(kg·℃)，煤的密
度为1400 kg/m3。

按照上述的参数输入，把工作面推进速度设为4 m/d，以工作面的进风口作为坐
标原点，沿采空区深度为x方向，工作面推进方向为y方向，计算得到气体和冒
落矸石温度场、氧浓度场、压力场的分布如图1所示。

从图1可以看出，在不采取注氮等防灭火措施情况下，工作面推进速度为4 m/d 时，采空区内部最高温度在52oC以上，高温区域的位置位于进风侧，距离工作面100 m左右。

工作面推进速度直接影响采空区内部温度的累积(蓄热)，相对而言，推进速度越快，采空区自然发火几率越小。

模拟结果表明：工作面不同推进速度对采空区氧浓度场和气体压力场的分布影响较小，采空区的进风口氧浓度最高，随着向采空区深部的延深，氧气浓度逐渐降低，当到达一定深度时采空区的氧气浓度趋近于零；随着y轴方向氧浓度逐步降低，
变化速率明显低于氧浓度沿着x轴方向的变化。

将推进速度分别设置为1.2 m/d、1.4 m/d、1.6 m/d、2.4 m/d、5.6 m/d和8 m/d，利用数值模拟软件分别计算
采空区内气体温度场和冒落矸石温度场的时空分布情况，本文只列出推进速度为
1.2 m/d、5.6 m/d和8 m/d时的采空区内气体温度场和冒落矸石温度场的时空分布情况，如图2所示。

由图2可见，在其他条件相同时，工作面推进速度直接影响采空区高温点的位置和温度值，随着工作推进速度的加快，采空区最高温度降低，这是因为推进速度加快，使得遗煤在氧化升温带的时间缩短，采空区遗煤还没有充分氧化就进入了窒息区，氧气浓度下降，氧化强度逐渐减弱直至停止。

在移动坐标下，采空区的冒落矸石向后移动的速度等于工作面的推进速度。

工作面的推进速度越大，则采空区的冒落矸石向后移动的速度也越大，越易将氧化放热带走，使采空区的温度不易上升。

为了研究采空区最高温度及其位置与工作面推进速度之间的关系，从不同推进速度下的模拟结果中选出最高温度点，如表1所示。

由表1可见，采煤工作面推进速度越小，最高温度点越靠近工作面的进风侧。

其原因是进风侧风流的氧气浓度总是大于回风侧，而且推进速度越小，则采空区温度越高，氧化速度越快，氧气浓度沿流动方向衰减越快，进、回风侧氧气浓度差异越大，氧化放热量差异也越大，这就使得进风侧更易氧化升温，最高温度点越靠近进风侧。

工作面推进速度与采空区温度最高点距离工作面距离关系如图3所示。

由图3可见，随着工作面推进速度的增大，采空区最高温度区域的深度也逐渐加深，即随着工作面推进速度的加快，采空区出现最高温度的位置距离工作面越远，采空区发生自然发火的可能性越小。

工作面推进速度与采空区温度最高值之间的关系如图4所示。

由图4可见，采空区最高温度随着工作面推进速度的加快逐步下降，开始推进速度对采空区最高温度影响较大，温度下降速度较快；当推进速度达到一定值后，采空区最高温度随着推进速度的加快变化趋于稳定。

综上所述，工作面的推进速度对采空区自然发火影响较大，当推进速度越慢，采空
区内部高温区越靠近工作面，温度值也越高。

如果超过了临界温度就会发生火灾。

比如上述分析的推进速度为1.6 m/d时，采空区内部高温区出现在距离工作面161 m处，最高温度达到152.5℃，说明该推进速度必然会引起自燃。

因此，适当的加快推进速度，可以降低采空区内部的最高温度，同时，还可以将高温点的位置抛到采空区深部，从而保证采煤工作面的安全生产。

因此，为了防止采空区自燃和保证工作面的安全生产，在没有注氮的条件下，8101工作面的推进速度不小于4 m/d，如遇特殊情况应采取相应的预防自燃措施。

(1)在其他条件相同时，工作面推进速度直接影响采空区高温点的位置和温度值，当推进速度越慢，采空区内部高温区越靠近工作面，温度值也越高。

(2)适当的加快推进速度，可以降低采空区内部的最高温度，同时，还可以将高温点的位置抛到采空区深部，从而保证采煤工作面的安全生产。

(3)为了防止采空区自燃和保证工作面的安全生产，在没有注氮的条件下，8101工作面的推进速度须不小于4 m/d，如遇特殊情况应采取相应的预防自燃措施。

【相关文献】
[1] 秦跃平，刘伟，杨小彬等.预防采空区自燃的综采面最小安全推进速度研究[A].2012(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会论文集[C]，2012
[2] 邓军,孙战勇.综放面自燃危险区域及最小安全推进速度的确定[J].西安科技学院学报，2002(2)
[3] 张国枢，戴广龙.煤炭自燃理论与防治实践[M].北京：煤炭工业出版社，2002
[4] 徐精彩.煤自燃危险区域判定理论[M].北京：煤炭工业出版社，2001
[5] 贾松磊.白皎矿近距离煤层群开采煤层自燃火灾防治技术研究[D].西安科技大学，2010
[6] 邢真强，陈洋，王伟等.正压通风矿井近距离煤层群大采高工作面防灭火技术[J].煤矿安全，2016(7)
[7] 伍好好.近距离煤层上覆采空区自然发火治理技术[J].煤矿安全，2017(5)
[8] 王月红.移动坐标下采空区自然发火的有限体积法模拟研究[D].中国矿业大学(北京)，2009
[9] 刘宏波.综放工作面采空区自然发火三维数值模拟研究[D].中国矿业大学(北京)，2012。