近距离煤层开采上覆采空区气体分布规律

近距离煤层开采上覆采空区气体分布规律

王凯

王凯

国家能源神东煤炭集团内蒙古鄂尔多斯市017000

摘要：为了研究近距离煤层开采上覆采空区气体分布规律，确定上覆采空区自然发火危险区域，运用多孔介质渗流理论建立近距离煤层开采上覆采空区三维数学模型；对上覆及下覆采空区孔隙结构及孔隙率进行研究，利用Fluent软件对上覆采空区气体分布规律进行数值模拟．研究结果表明，上覆采空区在采煤工作面上部水平方向30m范围内氧气浓度和瓦斯浓度超限，存在自然发火危险性．

关键词：近距离；上覆采空区；气体分布；数值模拟

矿井火灾是煤矿开采过程中的重大灾害之一．随着矿井的不断延伸，特别是近距离煤层开采带来了新的问题．近距离煤层开采上覆采空区遗煤自然发火属于二次氧化现象，发火时间短、过火区域大，自然发火严重、发火后难以确定火源位置，给防灭火带来了新的难题．近距离煤层开采上覆采空区遗煤自然火灾受很多因素的影响，其中的主要因素为采空区漏风、遗煤耗氧、瓦斯涌出和温度等．本文运用Fluent对近距离煤层开采上覆采空区氧气及瓦斯浓度场进行了研究，确定了上覆采空区存在自燃危险性，并划定了火灾自燃危险区域，为预防近距离煤层开采时采空区火灾和发生火灾后火源位置的确定提供了依据．

1采空区渗流场数学模型

1．1采空区漏风方程

由于采空区松散煤岩体在时间和空间的分布不均匀，导致流场过于复杂，故本文模拟只考虑均匀条件下的漏风强度．假设区域内的松散煤体各向同性，区域内的气体为不可压缩流体，在单位面积下松散煤体下的漏风方程：

1．2采空区氧气质量平衡方程

在松散煤岩中氧气的运移过程主要是扩散渗流运动．松散煤体中氧气的质量平衡方程：

式中，D：氧气在煤体中的扩散系数，D=2．88×10一；：煤在氧气浓度为c时的耗氧速度．本文不考虑媒体耗氧速率，设置．

2物理模型的建立

2．1物理模型

近距离煤层开采上覆采空区几何模型，其内部结构主要由进风巷、回风巷、工作面(支架区)、下覆采空区、上覆采空区构成．模型中进风巷和回风巷长50m，宽5m，高3m；工作面(支架区)长10m，宽160m，高5m；下覆采空区长150m，宽160m，高15m；上覆采空区为长210m，宽160m，高5m的长方体．风流从进风巷进入，途经工作面、上覆采空区、上覆采空区后再由回风巷流出，

2．2模型边界条件设定

近距离煤层开采上覆采空区模型进风巷入口边界条件设置为速度入口平均风速2m／s；回风巷出口边界条件设置为自由出流；上覆及下覆采空区远端各个面质量流率浓度设置为25％、瓦斯流率设置为0．03kg／s；工作面与下覆采空区以及上下覆采空区之间的裂隙区交界面设置为内部交界面；上下覆采空区之间的裂隙区与上覆采空区之间的交界面设置为连贯接口；其他界面设置为墙面；采空区耗氧量设为0．

2．3模型孔隙率及渗透率确定

近距离煤层开采下覆采空区属于已开采稳定区域．为简化计算，本文认为下覆采空区为是均匀介质，服从膨胀系数经验公式计算：

式中，k：渗透率；Dp：为平均粒子直径；n：为多孔介质孔隙率．取Dp=1．15×10-4m则采空区均匀分布隙率为4．7×10-7m2．

近距离煤层开采上覆采空区与工作面之间由于放顶产生裂隙区，上覆采空区由于二次塌陷产生新的裂隙．裂隙的存在对煤岩体的渗透系数有很大的影响，岩体是裂隙与孔隙共存的双重介质，因本文只讨论气体分布规律，遂将裂隙区与上覆采空区认为是均匀介质，各向同性．近距离煤层开采下覆采空区渗透率取4．7×10-7m2，孔隙率取0．4．近距离煤层开采上覆采空区与工作面之间由于放顶产生的裂隙区渗透率取5×10-6m2，孔隙率取O．6．

3数值模拟及结果分析

近距离煤层开采上覆采空区氧气浓度场分布情况可以看出上覆采空区氧气浓度随着与交界面距离的增加而逐渐减小，氧气扩散范围也逐渐减小．下覆采空区氧气浓度比上覆采空区浓度高且扩散距离远．随着距离下覆采空区底板的增加氧气浓度逐渐降低，在上覆采空区顶板附近氧气浓度小于2％．上覆采空区距离工作面30m以内大部分区域氧气浓度在5％～10％，靠近顶板部分区域氧气浓度小于5％．根据采空区三带划分氧气浓度5％～18％的区域为自燃带，上覆采空区距离工作面30m以内，具有自然发火危险性，由于上覆采空区煤的氧化属于二

次氧化，发火时间短，增加了自然发火的危险性；超过30m上覆采空区的氧气浓度小于5％，不具有自然发火危险性．上覆采空区与下覆采空区底板距离越短，氧气浓度越高，靠近下覆采空区危险区域越大．上覆采空区顶板靠近处氧气浓度小于5％，不具有自然发火危险性．由于瓦斯密度比空气小，故瓦斯在上覆采空区富集．

据近距离煤层开采上覆采空区氧气浓度及瓦斯分布云图，可以看出近距离煤层开采上覆采空区的氧气主要在工作面上部，成带状分布．氧气在工作面上部及两侧各30m范围内，大部分区域氧气浓度在5％一10％之间，具有自然发火危险性；瓦斯浓度在上覆采空区菇轴方向上两端较高，在工作面上部的浓度较低，但浓度均大于5％．在近距离煤层开采时由于工作面放顶卸压，覆岩发生周期性断裂而形成多孔介质和裂隙共存的双重介质区．由于双重介质区存在裂隙，裂隙漏风风流中的氧气浓度具有不稳定性，氧气浓度局部有可能大于12％，所以工作面上部爆炸危险性．同样由于裂隙的存在，双重介质区的渗透系数急剧减小，渗流加强，最终形成了氧气在上覆采空区的分布情况．因靠近进风口侧不断有新鲜空气渗流进来，故靠近工作面的氧气浓度较高．

4结论

1)近距离煤层开采上覆采空区离工作面很近，受下层煤层开采采动影响很大．在运用流体力学、渗流学理论研究的基础上，对上覆采空区漏风状态、孔隙率、渗透系数进行计算并确定数值．

2)截面靠近进风口侧的氧气浓度较高，出风口侧氧气浓度明显较低；上覆采空区顶板瓦斯浓度较高，存在瓦斯富集现象．在距离工作面小于30m的上覆采空区内氧气浓度为5％一10％，整个上覆采空区瓦斯浓度大于5％，所以距离工作面小于30m的上覆采空区具有白热发火危险性．由于裂隙存在漏风不稳定可能存在氧气浓度大于12％，所以具有爆炸危险性．

参考文献：

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[2]肖砀．近距离煤层采空区自然发火预测模型[D]．西安：西安科技大学，2005．

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