王玉懷，屈艷陽，董佳瑤

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

采空區(qū)煤自燃防治多采用灌漿、注惰性氣體、均壓通風(fēng)、噴灑阻化劑等[1-5]技術(shù)，其中傳統(tǒng)的灌漿防滅火技術(shù)雖然工藝簡單，成本較低，可以有效惰化，但無法及時滅火，效果不佳；噴灑阻化劑防滅火技術(shù)材料豐富，可以阻止氧化作用，但該技術(shù)可能會腐蝕井下設(shè)備，失水后將會促進(jìn)煤自燃。而注氮防滅火技術(shù)具有抑爆、工藝可靠，對井下設(shè)備無腐蝕，防滅火效果顯著等優(yōu)勢，且其是通過向采空區(qū)注入氮氣來排除采空區(qū)中所含的空氣，降低采空區(qū)內(nèi)部氧氣的濃度，相對減緩或阻止了煤氧反應(yīng)，從而有效減少采空區(qū)遺煤自燃的事故發(fā)生[6-7]。

紅樹梁煤礦6煤層為易自燃煤層，煤層埋藏淺易造成地面漏風(fēng)，采用放頂煤開采采空區(qū)遺煤多，可能形成比較嚴(yán)重的自然發(fā)火隱患，且相鄰礦井開采6煤層時出現(xiàn)多次采空區(qū)遺煤氧化現(xiàn)象。因此，工作面開采過程中采用注氮防滅火技術(shù)防治采空區(qū)遺煤氧化自燃。

1 工作面概況

紅樹梁礦位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗，年生產(chǎn)能力500萬噸，6102工作面為紅樹梁礦首采工作面，該工作面位于該煤礦6號煤層，布置在井底車場北側(cè)的一盤區(qū)西翼，工作面垂直與大巷東西向布置。工作面以西為6煤風(fēng)氧化帶，東為6號煤北翼輔運大巷，北為6103設(shè)計工作面，南為3號探巷。工作面上部4煤、5煤、6-1煤風(fēng)氧化，無采掘工程，下部9煤無采掘工程。

6102工作面煤層傾角 2° ～14°，煤層厚度 3.25～12.70 m，平均厚度為 7.25 m，采用綜采放頂煤開采、全部陷落法管理頂板，設(shè)計機(jī)采高度為3.8 m，放煤高度平均為3.45 m，采放比平均為1∶0.908; 放煤高度最大為 8.9 m，采放比最大為 1∶2.342。工作面通風(fēng)量為17 m3/s，絕對瓦斯涌出來為2.83 m3/min。6102工作面沿煤層底板布置兩條巷道，即膠運順槽、輔運順槽。切眼位于主(輔)運巷與停采線交叉點往西845 m處，順煤層傾向布置。6102膠運順槽為進(jìn)風(fēng)巷，6102輔運順槽為回風(fēng)巷，形成6102工作面通風(fēng)系統(tǒng)。其中，工作面進(jìn)風(fēng)巷長1140 m，斷面為5.5 m×3.8 m。工作面回風(fēng)巷長1224 m，斷面為5 m×3.8 m。工作面為260.0 m。斷面為11 m×3.8 m。

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法

煤自身氧化加速過程分為三個階段，其中煤炭自燃是最后階段，主要是由于多因素共同作用而導(dǎo)致的，其結(jié)果發(fā)生具有必然性和偶然性。煤發(fā)生自燃必須同時具備四個條件——煤具有自燃傾向性且呈破碎狀態(tài)堆積、有連續(xù)的通風(fēng)供氧條件、熱量易于積聚和持續(xù)一定的時間，這反映了煤自燃的必然性[8]。但是煤自燃究竟何時何地何種因素的共同作用下才會發(fā)生，這都是不可預(yù)估的，這就是煤自燃的偶然性。

根據(jù)煤自燃的基本條件，采空區(qū)煤炭氧化自燃區(qū)域大體可劃分為三個帶，即采空區(qū)煤炭氧化自燃“三帶”——散熱帶、氧化帶和窒息帶，見圖1。

圖1 采空區(qū)氧化自燃“三帶”示意圖

(1) 散熱帶。在此范圍內(nèi)，雖然有氧化條件，但漏風(fēng)流速大，達(dá)不到蓄熱條件，不會發(fā)生煤炭自燃。

(2) 氧化帶。在此范圍內(nèi)，漏風(fēng)減少，具備蓄熱條件，又有充足的供氧條件，故煤炭容易自燃。

(3) 窒息帶。在氧化帶之后，采空區(qū)冒落的巖石被壓實，漏風(fēng)微弱，且氧氣濃度下降到8%～10%以下。在氧化帶已自燃的煤炭到了窒息帶也因缺氧而窒息熄滅[9]。

“三帶”是客觀存在的，但如何劃分有一定的困難。由于探測手段和方法的局限，想要定量的準(zhǔn)確劃分是難以做到的[10]。劃分自燃“三帶”通常有三種標(biāo)準(zhǔn)，即以采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣濃度和升溫率來劃分[11-13]。

(1) 根據(jù)測點的升溫特征劃分

在采空區(qū)某區(qū)域升溫率大，反映了該區(qū)域危險性大，根據(jù)升溫率這一指標(biāo)，可以圈劃出可能自燃氧化帶寬度。以升溫率可能出現(xiàn)大于等于1℃/d的區(qū)域作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，但目前應(yīng)用不是很廣泛。

(2) 按照采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速劃分

散熱帶內(nèi)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速大于0.24 m/min；氧化帶內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速在0.1～0.24 m/min之間；窒息帶漏風(fēng)風(fēng)速小于0.1 m/min。

(3) 按照氧氣濃度劃分

散熱帶內(nèi)氧氣濃度大于18%；氧化帶內(nèi)氧氣濃度介于8%～18%之間；窒息帶內(nèi)氧氣濃度低于8%。

3 建立幾何模型

3.1 建立幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)紅樹梁礦6102工作面的有關(guān)參數(shù)，本文中選擇工作面、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和采空區(qū)作為物理模型，如圖2所示。

相關(guān)巷道幾何尺寸見表1。

表1 計算模型結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)

3.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

在模擬過程中，設(shè)置進(jìn)風(fēng)巷為速度入口，進(jìn)口速度根據(jù)工作面實際的進(jìn)風(fēng)量計算出進(jìn)風(fēng)速度，進(jìn)風(fēng)速度為0.95m/s，回風(fēng)巷設(shè)置為壓力出口。針對進(jìn)風(fēng)巷道中氣體的組分，氧氣濃度為21%。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon、組分運輸和能量方程模型。其中，混合物為methane-air，考慮重力作用。同時將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，關(guān)鍵參數(shù)如粘性阻力系數(shù)，遺煤耗氧速率等，均以用戶自定義UDF函數(shù)的形式編譯加載到FLUENT中進(jìn)行求解，且各值的收斂標(biāo)準(zhǔn)均為前后兩次迭代值差小于0.001。計算邊界條件，見表2。

表2 計算邊界條件

(1) 風(fēng)流在采空區(qū)中動量守恒方程

(1)

其中，當(dāng)氣體為不可壓縮氣體時，黏性應(yīng)力張量

慣性阻力因子

式中，φ為孔隙率，%；ρ為氣體密度，kg/m3；V為速度矢量，m/s；P為壓力，Pa；gn為重力加速度，m/s2；μ為采空區(qū)氣體的動力黏度，kg/m·s；ν為空氣的運動黏性系數(shù)，m2/s；Kp為滲透率，m2。

(2) 能量守恒方程

(2)

式中，T為流體的溫度，K；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；ST為黏性擴(kuò)散項；x、y、z為采空區(qū)內(nèi)某點的坐標(biāo)值，m。

(3) 組分氣體濃度方程

(3)

式中，ρfYi為組分i的質(zhì)量濃度，kg/m3；Yi為氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為采空區(qū)氧氣擴(kuò)散系數(shù)，一般取2.88×10-5m2/s；u、v、ω為速度矢量在x、y、z方向上的分量，m/s；Si為源項，i=1，2(S1為計算瓦斯?jié)舛葧r的源項；S2為計算氧氣濃度時的源項，表示耗氧速度)。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 最佳注氮位置

要想使防滅火的效果達(dá)到理想狀態(tài)，首先確定合理的注氮位置是至關(guān)重要的，其中最關(guān)鍵的距離就是注氮孔到工作面的垂直距離。如果注氮孔的位置離工作面較近時，大量的氮氣將擴(kuò)散到工作面，無法稀釋采空區(qū)的氧氣，導(dǎo)致資源浪費，增加成本；如果距離工作面太遠(yuǎn)時，大量氮氣將進(jìn)入窒息帶，無法對防滅火起到作用。

通過數(shù)值模擬方法，得到紅樹梁煤礦6102工作面采空區(qū)“三帶”范圍為：回風(fēng)巷側(cè)散熱帶：0～20 m，氧化帶：20～45 m，窒息帶：45 m以上；進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶：0～73 m，氧化帶：73～92 m，窒息帶：92 m 以上。根據(jù)采空區(qū)注氮防滅火原理以及一些學(xué)者的研究[14-16]，可知，合理的注氮釋放口位置應(yīng)在采空區(qū)氧化帶之內(nèi)，因此將注氮孔設(shè)置于進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，深入采空區(qū)75 m。在現(xiàn)場注氮時，注氮管路沿底板布置，注氮管徑為φ108 mm。

4.2 不同注氮量對采空區(qū)“三帶”的影響

取Z=1平面為截面，得到不同條件下采空區(qū)“三帶”分布云圖，如圖3所示。

圖3 不同注氮量對采空區(qū)氧化帶的影響

由圖3可得出，不同注氮量條件下6102工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”的范圍，其結(jié)果見表3。

表3 不同注氮量對采空區(qū)“三帶”分布的影響

由圖3和表3可以看出，通過對采空區(qū)進(jìn)行注氮，采空區(qū)氧化帶范圍逐漸縮小；注氮后采空區(qū)氧化帶范圍與未注氮采空區(qū)氧化帶的范圍相比，有較明顯的變化。隨著注氮量的增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的變化不大；回風(fēng)側(cè)氧化帶則有所前移，其氧化帶寬度減小且縮短程度降低；采空區(qū)中部的氧化帶與窒息帶交界處有所前移，并且其氧化帶的范圍減小。模擬結(jié)果顯示，注氮量為400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h時相應(yīng)的采空區(qū)中部氧化帶寬度分別為22 m、20 m、17 m?？梢钥闯觯⒌繛?00 m3/h與注氮量為500 m3/h相比，氧化帶的寬度有所減小但總體變化不大，但回風(fēng)側(cè)氧化帶與散熱帶的交接點前移，且向深部移動5 m。

綜上所述，可以得出：紅樹梁礦6102工作面的最佳注氮位置應(yīng)位于距離工作面約75 m處，合理注氮量為500 m3/h。此時，氧化帶的寬度在進(jìn)風(fēng)側(cè)由19 m降至8 m，采空區(qū)中部由31 m降至20 m，回風(fēng)側(cè)由25 m降至17 m。現(xiàn)場對采空區(qū)進(jìn)行注氮，注氮量為500 m3/h，6102工作面自2021年5月開始回采至今，沒有出現(xiàn)采空區(qū)遺煤氧化現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)紅樹梁礦6102工作面相關(guān)參數(shù)建立物理模型，對未注氮條件下的采空區(qū)“三帶”進(jìn)行研究，得到了采空區(qū)后方的最佳注氮位置。

(2) 對不同注氮量情況下采空區(qū)“三帶”分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隨著注氮量的增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶分布的變化不大；回風(fēng)側(cè)氧化帶則有所前移，其氧化帶寬度減小且縮短程度降低；采空區(qū)中部的氧化帶與窒息帶交界處有所前移，并且其氧化帶的范圍減小。根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定工作面注氮量為500 m3/h。

(3) 合理的注氮位置和注氮量可以縮短采空區(qū)氧化帶寬度，降低采空區(qū)煤炭自燃風(fēng)險，通過對采空區(qū)注氮，6102工作面自2021年5月開始回采至今，沒有出現(xiàn)采空區(qū)遺煤氧化現(xiàn)象。