Numerical simulation study on the effect of gas extraction in one face and four lanes on the spontaneous combustion of coal remains in the mining area
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摘要:
为研究高瓦斯易自燃煤层不同瓦斯治理条件下采空区自燃“三带”及温度场分布变化规律，结合某高瓦斯易自燃工作面的实际条件，构建了“一面四巷”采空区自然发火物理模型，将程序升温试验得到的煤样氧化耗氧参数和放热参数应用到数值模拟中，分别研究了不同供风量、低抽流量及高抽流量对采空区自燃“三带”及温度场分布的影响，定量分析了氧化带最大宽度、氧化带面积和采空区最高温度点等参数随供风量、低抽流量及高抽流量的变化规律。结果表明：在模拟测试范围内，提高供风量、低抽流量及高抽流量均会造成采空区漏风量增多，不利于采空区遗煤自燃防治；最高温度点变化不明显（仅在1 K范围内变化），高抽流量变化对采空区氧化带宽度和面积及最高温度的影响大于供风量和低抽流量；氧化带最大宽度随供风量增大而增加，采空区最高温度和氧化带面积随供风量增加而减小，供风量从1 600 m3/min增加到1 900 m3/min时，氧化带最大宽度增加了2 m（74～76 m），最高温度降低了0.1 K（315.38～315.28 K），氧化带面积减小了180.08 m2（8 669.49～8 489.41 m2）；氧化带最大宽度随低抽流量增大而增加，采空区最高温度和氧化带面积均随抽采流量增大而增加，低抽流量从200 m3/min增加到300 m3/min时，氧化带最大宽度增加了2 m（75～77 m），最高温度升高了0.152 K（315.340～315.492 K），氧化带面积扩大了51.56 m2（8 553.79～8 605.35 m2）。高抽流量从80 m3/min增加到240 m3/min时，氧化带最大宽度保持在75 m，最高温度升高了0.76 K（315.13～315.89 K）。
Abstract:In order to study the “three zones” of spontaneous combustion in gob under different gas treatment conditions of high gas prone to spontaneous combustion and the change law of temperature field distribution, combined with the actual conditions of a high gas prone to spontaneous combustion working surface, a physical model of spontaneous ignition in goaf with “one face and four lanes” was constructed. The oxidation oxygen consumption and heat release parameters of coal samples obtained from temperature programmed experiment were applied to numerical simulation. The influence of different air supply, low and high pumping flow on the “three zones” of spontaneous combustion and temperature field distribution in goaf was studied. The variation of parameters such as maximum width of oxidation zone, area of oxidation zone and maximum temperature point of goaf with air supply, low and high pumping flow was quantitatively analyzed. The results show that in the range of simulation test, increasing air supply, low pumping flow and high pumping flow will cause the increase of air leakage in goaf, which is not conducive to the prevention and control of spontaneous combustion of coal left in goaf. The maximum temperature point does not change significantly (only within the range of 1K), and the influence of the change of high pumping flow rate on the width and area of the oxidation zone and the maximum temperature of the goaf is greater than that of the air supply volume and low pumping flow rate. The maximum width of oxidation zone increases with the increase of air supply, and the maximum temperature of goaf and the area of oxidation zone decrease with the increase of air supply. When the air supply increases from 1600 m3/min to 1900 m3/min, the maximum width of oxidation zone increases by 2 m (74−76 m), and the maximum temperature decreases by 0.1 K (315.38−315.28 K). The oxidation zone area decreased by 180.08 m2 (8 669.49−8 489.41 m2). The maximum width of oxidation zone increases with the increase of low extraction flow rate, the maximum temperature of goaf and the area of oxidation zone increase with the increase of extraction flow rate. When the low extraction flow rate increases from 200 m3/min to 300 m3/min, the maximum width of oxidation zone increases by 2 m (75−77 m). The maximum temperature increased by 0.152 K (315.34−315.492 K), and the oxidation zone area expanded by 51.56 m2 (8 553.79−8 605.35 m2). When the high pumping rate increased from 80 m3/min to 240 m3/min, the maximum width of the oxidation zone remained at about 75 m, and the maximum temperature increased by 0.76 K (315.13−315.89 K).
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0. 引 言
煤炭是社会经济发展的能源基础。2022年我国煤炭资源消费量占到能源消费量总量的56.2%，伴随新能源的发展，尽管煤炭消费量有所下降，但在未来很长的一段时间煤炭在能源结构中的主体地位仍不会改变[1]。随着开采范围和深度的增加，会有越来越多的矿井面临瓦斯与煤自燃复合灾害的威胁[2]。对于高瓦斯易自燃矿井布置的“一面四巷”（即进风巷、回风巷、低抽巷、高抽巷）工作面，一方面可以加强通风来稀释瓦斯浓度或增大抽采流量（负压）抽排瓦斯，势必会增大采空区漏风，向采空区遗煤补给充足的氧气，不利于防火；另一方面，为防止采空区遗煤自燃，需减小采空区漏风量，这样又势必会引起瓦斯局部积聚，卸压瓦斯抽采与自燃防治二者相互制约、相互影响。此外，用于排放瓦斯而布置的高抽巷及瓦斯尾巷会造成上覆岩体破碎[3]，抽采过程中横穿大面积采空区的漏风量增多，从而扩大采空区遗煤自燃危险区域[4]。煤自燃又给瓦斯爆炸提供火源，两者耦合致灾给矿井安全生产和井下人员生命安全造成严重威胁[5-6]。
解决采空区瓦斯超限或采空区防灭火问题的技术已经成熟，针对采空区瓦斯灾害与遗煤自燃共同治理的问题，国内学者也做了大量研究工作。王德明[7]指出煤矿热动力灾害具有关联性、易发性和严重性等特征。周福宝等[8]、张巨峰等[9]等基于共生灾害多尺度、多时空、多物理化学场耦合的复杂演化过程，从瓦斯对煤炭氧化自燃的抑制和煤自燃对瓦斯爆炸极限的影响2个方面，分析了共生灾害的耦合关系。林柏泉等[10-12]系统综述了采空区热动力灾害多场演化规律的研究进展，指出采空区复合热动力灾害关系，风量（较小时）与氧化带宽度成正比关系。王继仁等[13-14]研究了高位巷、埋管和高低位钻孔瓦斯抽采方法下的非均质多孔介质三维模型，弥补了二维图缺乏立体空间信息的缺点，提出“高位巷+埋管”立体联合共同抽采有效控制瓦斯超限与遗煤自燃现象。邸帅等[15]通过数值模拟软件综合分析合理顶板巷位置与抽采流量并通过现场应用，为协同预防瓦斯和煤自燃复合灾害提供指导。信亚男[16]研究得出高抽巷竖直高度以及高抽巷抽采负压随高抽巷距回风巷距离增加而增加。褚廷湘等[17-18]研究了立体瓦斯抽采条件下采空区漏风和浮煤自燃的特点，并提出了防灭火措施。裴晓东等[19]将耦合灾害发生区域确定为氧化带和瓦斯爆炸区域的叠加区域，并通过数值模拟研究了不同抽采条件对叠加区域的影响，得出抽采负压易造成采空区漏风量增加，易导致采空区的自燃带范围增大，使采空区自然发火危险性增加。
目前，相关学者对采空区瓦斯、煤自燃灾害的协同治理做了很多研究，对防治瓦斯与煤自燃耦合灾害提供了许多技术方案，主要考察在瓦斯抽采时对采空区气体浓度场分布的影响，然而采空区遗煤自燃是流场、气体浓度场和温度场等多场共同作用导致的，采空区内固体与气体通过对流换热导致固体温度场与气体温度场分布状态发生变化，二者相互影响、相互制约。采空区内气体温度的变化引发气体密度改变，流场重新分布会造成瓦斯浓度、氧气浓度和气体温度的分布继续发生变化。如此循环下去，若该过程一直都朝着有利于自然发火的方向发展，遗煤氧化产热量始终大于散热量，最终会引起采空区遗煤自燃，因此在研究中应当考虑遗煤氧化放热（温度）的影响。鉴于此，笔者以高瓦斯易自燃矿井某一工作面开采实际为背景，构建数值计算几何模型，将煤自燃程序升温试验所得的耗氧速率模型和氧化放热强度模型作为采空区遗煤氧化的耗氧源项和放热源项，采用数值模拟的方法分析不同供风量、低抽流量及高抽流量对采空区氧浓度场和温度场的影响，定量研究了不同条件下采空区自燃“三带”范围和面积、氧化带宽度及最高温度点的变化规律，以期为采空区瓦斯抽采优化提供参考依据。
1. 物理模型及参数设定
1.1 物理模型建立
某矿工作面为“U”型通风方式，工作面供风量为1 750 m3/min，布置低抽巷和高抽巷对采空区进行瓦斯治理，低抽流量为200 m3/min，高抽流量为160 m3/min。以该矿工作面实际参数建立物理模型。高抽巷水平方向上距回风巷 58 m，垂直方向距可采煤层底板64 m，低抽巷距回风巷水平距离 32 m，垂直方向上距可采煤层底板6.4 m，采空区模型走向长度为200 m，高度为75 m。采空区模型几何参数见表1。对巷道、工作面及底板遗煤部分网格尺寸进行加密，采空区三维模型及网格划分如图1所示，共划分六面体结构网格904 622 个。
表 1 采空区模型几何参数Table 1. Geometric parameters of goaf model部位 巷道规格（X×Y×Z）/m×m×m 工作面 8×200.3×2.8 采空区 200×200.3×75 进风巷 30×5×3.2 回风巷 30×4.6×3.2 高抽巷 38×2.6×2.7 低抽巷 38×4×2.8 1.2 模拟参数及边界条件设定
主要计算条件和模拟参数的选取遵循工作面现场实际情况，工作面采空区绝对瓦斯涌出量为98.94 m3/min，则瓦斯源相为3.92×10−7 kg/(m3·s)，模拟中考虑重力因素，大小为9.8 N/kg，沿Z轴负方向。根据程序自燃升温试验确定出遗煤耗氧速率及放热强度函数[20]，与孔隙率、黏性阻力系数编制成UDF文件导入Fluent中。进风风流温度按照实测温度20 ℃进行设置，进风风流氧气浓度为标准空气的O2体积分数20.96%，CO2体积分数0.04%。各区域相接触的边界默认为内部边界（interface）。设置为回风巷为自由出口（outflow），进风巷、高抽巷和低抽巷均设置为速度入口（velocity inlet），根据现场供风量及实际抽采流量换算流速。其他模拟相关参数设置见表2[21]。
表 2 模拟参数设定Table 2. Simulation parameter settings序号 初始及边
界条件参数设定 序号 初始及边
界条件参数设定 1 求解器 压力基隐式
求解器7 煤导热系数 0.9 W/(m·K) 2 湍流模型 k-ε双方程
模型8 遗煤密度 1 410 kg/m3 3 能量 打开 9 遗煤比热容 1 200 J /(kg·K) 4 时间 稳态 10 组分方程
收敛指标10−5 5 采空区固壁 无滑移 11 能量收敛指标 10−6 6 组分运输模型 methane-air 12 其他参数
收敛指标10−6 在二维空间“O”型圈垮落模型基础上,考虑了垂直方向的碎胀系数变化规律，其碎胀系数分布函数[22-23]可表示为：
$$ \begin{gathered} {K}_{\text{p}}={K}_{\text{p,min}}+\left[{K}_{\text{p,max1}}-{K}_{\text{p,min}}+({K}_{\text{p,max2}}-{K}_{\text{p,max1}})\right.\times\\ \left.{\xi }_{1}{\text{e}}^{-{a}_{\text{2}}{d}_{\text{2}}}\right]{\text{e}}^{{}^{-{a}_{\text{1}}({d}_{\text{1}}+{b}_{\text{1}})(1-{\text{e}}^{-{\xi }_{0}{a}_{0}({d}_{\text{0}}+{b}_{\text{0}})})}} \end{gathered} $$ (1) 式中：${K_{\text{p}}} $为冒落的碎胀系数，无因次；${K_{{\text{p,max1}}}} $为靠近工作面后方下部岩层的碎胀系数，取1.15；${K_{{\text{p,max2}}}} $为初始冒落时岩石的碎胀系数，取1.5；${K_{{\text{p,min}}}} $为冒落后岩石压实碎胀系数，取1.1，三者大小关系为：${K_{{\text{p,min}}}} $<${K_{{\text{p,max1}}}} $<${K_{{\text{p,max2}}}} $；${\xi _0} $、${\xi _1} $为采空区模型调整参数，分别取0.233、0.85；${a_{\text{0}}} $为工作面与开切眼处碎胀系数衰减率，${{\text{m}}^{ - 1}} $，取0.268${{\text{m}}^{ - 1}} $；${a_{\text{1}}} $为采空区两侧“三角带”处碎胀系数衰减率，${{\text{m}}^{ - 1}} $，取
0.0368 ${{\text{m}}^{ - 1}} $；${a_{\text{2}}} $为距离采空区顶板方向的衰减率，${{\text{m}}^{ - 1}} $，取0.15${{\text{m}}^{ - 1}} $；${b_{\text{0}}} $、${b_{\text{1}}} $分别为沿采空区深度方向和工作面方向的调整系数，m；${d_0} $、${d_1} $、${d_2} $为分别为采空区内部某一点$(x,y,z) $与固壁、工作面和采空区顶板边界的距离，m。则采空区多孔介质孔隙率$n({K_{\text{p}}},x,y,z) $、采空区渗透率α[23]及黏性阻力系数r[24]表示为$$ n({K_{\text{p}}},x,y,z) = 1 - \frac{1}{{{K_{\text{p}}}}} $$ (2) $$ \alpha = \frac{{{D_{\text{p}}^2}}}{{150}} \frac{{{n^3}}}{{{{(1 - n)^2}}}} $$ (3) $$ r = \frac{{150}}{{{D_{\text{p}}}^2}} \frac{{{{(1 - n)}^2}}}{{{n^3}}} $$ (4) 式中：${D_{\text{p}}} $为采空区冒落岩石平均调和粒径，取0.015 m。
2. 实测及模拟结果分析
采用 Fluent 软件模拟不同条件下采空区遗煤自燃“三带”及温度场分布情况，采用Tecplot软件对模拟结果进行可视化。采空区遗煤平均厚度设为0.8 m，选取遗煤高度Z=0.4 m处研究自燃“三带”及温度场的分布。采空区自燃“三带”划分采用目前应用最普遍的氧浓度指标划分方法，划分指标一般为：窒息带中氧气体积分数<8%，氧化带中氧气体积分数为8%～18%，散热带中氧气体积分数>18%，大量文献及现场监测结果表明该划分指标准能表征遗煤自燃的环境。
2.1 供风量对采空区“三带”分布及温度场的影响
采空区自燃“三带”分布与工作面供风量、采空区漏风量及顶板垮落情况、冒落带破碎煤岩体性质等因素有关。然而当某个工作面的回采和通风方式不变时，自燃“三带”的变化主要由工作面供风量决定。为研究不同供风量下采空区自燃“三带”及温度场的分布规律，设置供风量分别为1 600、1 750 和1 900 m3/min，每次模拟低抽和高抽流量分别设置为200 和160 m3/min，对应流量换算流速，模拟结果如图2所示。
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图 2 不同供风量下采空区自燃“三带”及温度场分布Figure 2. Distribution of spontaneous combustion "three zones" and temperature field in goaf under different air supply volume由图2可知，氧化带形状呈不规则“V”型，且“V”型尖端区域靠近回风侧，这主要受低抽巷抽采负压的影响。采空区温度随采空区深度增加呈现先升高后降低的变化规律，高温区域分别出现回风侧氧化带内，氧化带内的漏风流速适中，煤氧化产生的热量逐渐积聚，遗煤及周围温度不断升高，因此是形成高温区域的理想位置。随着供风量的增大，进风侧氧化带向采空区深部移动，说明进风侧漏风强度增加，漏风量变化对进风侧氧化带宽度影响较大。回风侧氧化带向工作面移动且宽度逐渐减小，这主要受漏风压的影响，虽然供风量增大，工作面采空区漏风量也随之增大，但漏风流从采空区进风侧流经采空区回风侧时风流动压逐渐减小，因此漏风量变化对进风侧氧化带宽度影响较小，但采空区回风侧遗煤氧化升温（高温区域所在位置）耗氧和瓦斯析出较大，导致该区域范围内的氧气体积分数降低较快，即步入到窒息带范围内，因此氧化带向采空区浅部移动且宽度逐渐减小。
为定量分析不同供风量对采空区氧化带及温度变化规律，分别对图2云图中氧浓度及温度数据进行提取和整理，并利用Origin软件对不同供风量下采空区自燃“三带”面积进行积分与求解，得到不同供风量下采空区进风侧、中部及回风侧氧化带范围和采空区最高温度见表3，不同供风量下采空区自燃“三带”面积见表4。
表 3 不同供风量下采空区氧化带范围和最高温度Table 3. Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different air supply供风量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区
最高温
度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 1 600 107~181 74 24~60 36 58~104 46 315.38 1 750 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 1 900 117~193 76 16~53 37 33~53 20 315.28 表 4 不同供风量下采空区自燃“三带”面积Table 4. Area of spontaneous combustion “three zones” in goaf under different air supply volume供风量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 1 600 9 021.23 22.55 8 669.49 21.67 22 309.28 55.77 1 750 9 025.59 22.56 8 553.79 21.38 22 420.62 56.05 1 900 9 144.36 22.86 8 489.41 21.22 22 366.23 55.92 由表3可知，随着供风量的增大，采空区进风侧氧化带宽度增加，氧化带起始位置及终止位置向采空区深部移动；采空区中部氧化带宽度变化不明显，有增大趋势；采空区回风侧氧化带宽度减小，其氧化带起始位置及终止位置向采空区浅部移动；采空区最高温度降低，供风量增大，采空区漏风量增多，部分高温区域热量被流经该区的风流带走。供风量由1 600 m3/min增至1 900 m3/min时，进风侧氧化带宽度由74 m增至76 m，仅变化2 m，增幅不明显。中部氧化带宽度由36 m增至37 m，供风量变化对中部氧化带宽度影响较小。回风侧氧化带宽度由46 m减小至20 m，降幅明显，采空区最高温度降低由315.38 K降低至315.28 K，降幅不明显。
由表4可知，随着供风量的增大，采空区散热带面积和窒息带面积增大，氧化带面积减小。供风量由1 600 m3/min增至1 900 m3/min时，散热带面积从9 021.23 m2增加至9 144.36 m2，占比从22.55%增加至22.86%，增长幅度不明显。氧化带面积从8 669.49 m2减小至8 489.41 m2，占比从21.67%减小至21.22%。氧化带面积的缩小主要是由于回风侧氧化带宽度减小幅度大引起的，虽然氧化带面积和采空区最高温度随供风量增大（1 600～1 900 m3/min）而减小，但是二者减幅范围有限。氧化带最大宽度出现在进风侧，且氧化带最大宽度和散热带面积随供风量增大而增大，随着工作面的推进，散热带的遗煤也会氧化升温，逐步进入到氧化带，热量容易积聚，遗煤耗氧速率增加，煤氧复合反应显著增强，因此根据模拟结果综合分析认为，随着供风量的增大，采空区遗煤自燃危险性增加，且范围较大，不易防治。
2.2 低抽流量对采空区“三带”分布及温度场的影响
不同的瓦斯抽采会给采空区漏风提供新的动力，导致采空区漏风量增加，采空区自燃“三带”控制难度增加，为研究不同低抽流量下采空区自燃“三带”及温度场的分布规律，设置低抽流量分别为200、250、300 m3/min，每次模拟供风量和高抽流量分别设置为1 750和1600 m3/min，对应流量换算流速，模拟结果如图3所示。
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图 3 不同低抽流量下采空区自燃“三带”及温度场分布Figure 3. Distribution of spontaneous combustion “three zones” and temperature field in goaf under different low pumping flow rates由图3可知，随着低抽流量的增大，采空区最高温度升高，高温区域面积扩大，采空区进风侧及回风侧氧化带宽度变化不明显，氧化带起始位置向采空区深部略微移动，说明低抽流量的增加，增大了采空区的漏风量，漏风供氧量增多促进煤氧复合反应进行并持续释放热量，热量积聚导致温度升高。
为定量分析不同低抽流量对采空区氧化带及温度分布情况，整合得到不同低抽流量下采空区进风侧、中部及回风侧氧化带范围和采空区最高温度见表5，不同低抽流量下采空区自燃“三带”面积见表6。
表 5 不同低抽流量下采空区氧化带范围和最高温度Table 5. Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different low pumping flow rates低抽流量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区最
高温度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 200 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 250 113~189 76 20~57 37 52~87 35 315.41 300 114~191 77 20~59 39 53~88 35 315.492 表 6 不同低抽流量下采空区自燃“三带”面积Table 6. Area of spontaneous combustion "three zones" in goaf under different low pumping flow rates低抽流量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 200 9 025.59 22.56 8 553.79 21.38 22 420.62 56.05 250 9 329.79 23.32 8 573.4 21.43 22 096.81 55.24 300 9 505.42 23.76 8 605.35 21.51 21 889.23 54.72 由表5可知，随着低抽流量的增大，采空区进风侧、中部及回风侧氧化带宽度增加，低抽流量由200 m3/min增至300 m3/min时，采空区进风侧氧化带宽度由75 m增至77 m，氧化带起始位置及终止位置均向采空区深部移动。中部氧化带宽度由36 m增至39 m，氧化带起始位置基本维持不变，终止位置深入采空区3 m。回风侧氧化带宽度由33 m增至35 m，氧化带起始位置及终止位置均向采空区深部移动。采空区最高温度由315.34 K升高至315.492 K，升幅不明显。
由表6可知，随着低抽流量的增大，采空区散热带面积和氧化带面积增大，窒息带面积减小，低抽流量由200 m3/min增至300 m3/min时，散热带面积分别从9 025.59 m2增加至9 505.42 m2，面积增加了479.83 m2，占比从22.56%增加至23.76%，氧化带面积从8 553.79 m2增加至8 605.35 m2，面积增加了51.56 m2，面积增幅不明显，占比从21.38%增加至21.51%。说明增大低抽流量，虽有助于采空区的瓦斯抽采，但采空区遗煤漏风供氧增多，采空区自燃危险性增加。
2.3 高抽流量对采空区“三带”分布及温度场的影响
为研究不同高抽流量下采空区自燃“三带”及温度场的分布规律，设置高抽流量分别为80、160、240 m3/min，每次模拟供风量和低抽流量分别设置为1 750和200 m3/min，对应流量换算流速，模拟结果如图4所示。
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图 4 不同高抽流量下采空区自燃“三带”及温度场分布Figure 4. Distribution of spontaneous combustion “three zones” and temperature field in goaf under different high pumping flow rates由图4可知，相对于供风量和低抽流量对氧化带分布和采空区最高温度的影响，高抽流量的影响更为显著，随着高抽流量的增大，进风侧氧化带宽度变化并不明显，进风侧氧化带整体向采空区深处移动而，回风侧氧化带宽度明显增加，且氧化带起始位置及终止位置均向采空区深处大范围移动，即回风侧氧气体积分数的增加量显著大于进风侧，由于高抽巷布置在回风巷一侧的采空区内，因此高抽流量对回风侧氧化带宽度影响大于进风侧。采空区最高温度随高抽流量的增大而升高，高温区域面积也随之增加。高抽巷抽采流量的升高虽有助于提高卸压区域及提高采空区的瓦斯抽采效果，但同时也增加了采空区的漏风量，高抽巷瓦斯抽采及上覆岩层裂隙发育，漏风在抽采负压影响下，更多的漏风被“抽”向采空区高位，产生的漏风动力源沿着形成的漏风通道运移，形成立体式漏风，增加了采空区遗煤自然发火危险性，不利于采空区自然发火防治。
为定量分析不同高抽流量对采空区氧化带及温度变化趋势，整合得到不同高抽流量下采空区进风侧、中部及回风侧氧化带范围和采空区最高温度见表7，不同高抽流量下采空区自燃“三带”面积见表8。
表 7 不同高抽流量下采空区氧化带范围和最高温度Table 7. Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different high pumping flow rates不同高抽流量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区最
高温度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 80 108~182 75 13~47 34 34~53 19 315.13 160 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 240 116~191 75 28~68 40 63~111 48 315.89 表 8 不同高抽流量下采空区自燃“三带”面积Table 8. Area of spontaneous combustion "three zones" in goaf under different high pumping flow rates不同高抽流量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 80 8073.67 20.18 8113.88 20.28 23812.45 59.53 160 9025.59 22.56 8553.79 21.38 22420.62 56.05 240 9964.82 24.91 8867.32 22.17 21167.86 52.92 由表7可知，随着高抽流量的增大，采空区进风侧氧化带宽度基本维持不变，宽度均为75m，高抽流量变化对进风侧氧化带宽度影响较小；采空区中部及回风侧氧化带宽度均增加，高抽流量由80 m3/min增至240 m3/min时，采空区中部及回风侧氧化带宽度分别增加了6 m（34～40 m）和29 m（19～48 m），采空区进风侧、中部及回风侧氧化带起始位置及终止位置均向采空区深部大范围移动，采空区最高温度由315.13 K升高至315.89 K。
由表8可知，随着高抽流量的增大，采空区散热带面积和氧化带面积增大，窒息带面积减小，高抽流量由80 m3/min增至240 m3/min时，散热带面积和氧化带面积分别增加了1 891.15 m2（8 073.67～9 964.82 m2）和753.44 m2（8 113.88～8 867.32 m2）。散热带面积占比从20.18%增加至24.91%，氧化带面积占比从20.28%增加至22.17%。
3. 结 论
1）在模拟测试范围内（供风量为1 600～1 900 m3/min，低抽流量为200～300 m3/min，高抽流量为80～240 m3/min），增大供风量、低抽流量及高抽流量会导致采空区漏风量增加，均不利于采空区遗煤自燃防治，氧化带起始位置及终止位置均向采空区深处移动，氧化带最大宽度均出现在进风侧，采空区最高温度变化不明显，仅在1 K范围内变化。高抽流量对采空区氧化带和温度场分布的影响大于供风量和低抽流量，氧化带宽度和面积，采空区最高温度变化幅度更为显著。
2）由不同供风量模拟得到：氧化带最大宽度随供风量增加而增大，采空区最高温度和氧化带面积随供风量的增加而减小。供风量由1 600 m3/min增加到1 900 m3/min时，氧化带最大宽度从74 m增加到76 m，采空区最高温度从315.38 K降低到315.28 K，氧化带面积从8 669.49 m2减小到8 489.41 m2。
3）由不同低抽流量和高抽流量模拟结果得到：氧化带最大宽度随低抽流量增加而增大，不同高抽流量时氧化带最大宽度保持不变（75 m），采空区最高温度和氧化带面积均随抽采流量的增加而增大。低抽流量由200 m3/min增至300 m3/min时，氧化带最大宽度从75 m增加到77 m，采空区最高温度从315.34 K升高到315.492 K，氧化带面积从8 553.79 m2扩大到8 605.35 m2。高抽流量由80 m3/min增至240 m3/min时，采空区最高温度从315.13 K升高到315.89 K，氧化带面积从8 113.88 m2扩大到 8 867.32 m2，高抽流量变化对回风侧氧化带宽度影响大于进风侧。
4）采空区遗煤自燃受多种影响因素共同作用影响，本文仅研究了单因素条件下（即一个因素改变，另2个因素不变）对采空区自燃“三带”及温度场分布的影响，寻求不同供风量、低抽流量及高抽流量耦合作用下与采空区遗煤自燃合理平衡的工艺参数将作为下一步研究内容，使其既能满足抽采要求又能有效控制采空区自燃。
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图 2 不同供风量下采空区自燃“三带”及温度场分布
Figure 2. Distribution of spontaneous combustion "three zones" and temperature field in goaf under different air supply volume
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图 3 不同低抽流量下采空区自燃“三带”及温度场分布
Figure 3. Distribution of spontaneous combustion “three zones” and temperature field in goaf under different low pumping flow rates
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图 4 不同高抽流量下采空区自燃“三带”及温度场分布
Figure 4. Distribution of spontaneous combustion “three zones” and temperature field in goaf under different high pumping flow rates
表 1 采空区模型几何参数
Table 1 Geometric parameters of goaf model
部位 巷道规格（X×Y×Z）/m×m×m 工作面 8×200.3×2.8 采空区 200×200.3×75 进风巷 30×5×3.2 回风巷 30×4.6×3.2 高抽巷 38×2.6×2.7 低抽巷 38×4×2.8 
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表 2 模拟参数设定
Table 2 Simulation parameter settings
序号 初始及边
界条件参数设定 序号 初始及边
界条件参数设定 1 求解器 压力基隐式
求解器7 煤导热系数 0.9 W/(m·K) 2 湍流模型 k-ε双方程
模型8 遗煤密度 1 410 kg/m3 3 能量 打开 9 遗煤比热容 1 200 J /(kg·K) 4 时间 稳态 10 组分方程
收敛指标10−5 5 采空区固壁 无滑移 11 能量收敛指标 10−6 6 组分运输模型 methane-air 12 其他参数
收敛指标10−6
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表 3 不同供风量下采空区氧化带范围和最高温度
Table 3 Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different air supply
供风量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区
最高温
度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 1 600 107~181 74 24~60 36 58~104 46 315.38 1 750 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 1 900 117~193 76 16~53 37 33~53 20 315.28
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表 4 不同供风量下采空区自燃“三带”面积
Table 4 Area of spontaneous combustion “three zones” in goaf under different air supply volume
供风量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 1 600 9 021.23 22.55 8 669.49 21.67 22 309.28 55.77 1 750 9 025.59 22.56 8 553.79 21.38 22 420.62 56.05 1 900 9 144.36 22.86 8 489.41 21.22 22 366.23 55.92
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表 5 不同低抽流量下采空区氧化带范围和最高温度
Table 5 Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different low pumping flow rates
低抽流量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区最
高温度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 200 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 250 113~189 76 20~57 37 52~87 35 315.41 300 114~191 77 20~59 39 53~88 35 315.492
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表 6 不同低抽流量下采空区自燃“三带”面积
Table 6 Area of spontaneous combustion "three zones" in goaf under different low pumping flow rates
低抽流量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 200 9 025.59 22.56 8 553.79 21.38 22 420.62 56.05 250 9 329.79 23.32 8 573.4 21.43 22 096.81 55.24 300 9 505.42 23.76 8 605.35 21.51 21 889.23 54.72
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表 7 不同高抽流量下采空区氧化带范围和最高温度
Table 7 Oxidation zone range and maximum temperature of goaf under different high pumping flow rates
不同高抽流量/
（m3·min−1）进风侧 中部 回风侧 采空区最
高温度/K范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 范围/m 宽度/m 80 108~182 75 13~47 34 34~53 19 315.13 160 112~187 75 20~56 36 49~82 33 315.34 240 116~191 75 28~68 40 63~111 48 315.89
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表 8 不同高抽流量下采空区自燃“三带”面积
Table 8 Area of spontaneous combustion "three zones" in goaf under different high pumping flow rates
不同高抽流量/
（m3·min−1）散热带 氧化带 窒息带 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 面积/m2 占比/% 80 8073.67 20.18 8113.88 20.28 23812.45 59.53 160 9025.59 22.56 8553.79 21.38 22420.62 56.05 240 9964.82 24.91 8867.32 22.17 21167.86 52.92
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1. 蔡峰，李华琛，封居强. 综放工作面动态注氮参数研究及数值模拟. 华北科技学院学报. 2025(01): 40-47 . 
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