李耀謙

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心,山西 陽(yáng)泉 045000)

我國(guó)是以煤炭為主體能源的國(guó)家,據(jù)2021年統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)200多個(gè)重點(diǎn)礦井中56%的礦井存在遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性[1]。因此,煤炭自燃災(zāi)害仍是我國(guó)礦井重特大事故發(fā)生的主要原因之一[2]。采空區(qū)遺煤自燃不僅會(huì)破壞煤炭資源,產(chǎn)生有毒氣體,甚至導(dǎo)致瓦斯爆炸等二次災(zāi)害發(fā)生,嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)工作,約束煤礦正?；夭珊徒?jīng)濟(jì)發(fā)展[3-5]。CO2作為能源開發(fā)利用過程中的伴生氣體,過量排放是地球變暖的主要因素,然而采空區(qū)注CO2技術(shù)作為現(xiàn)階段煤礦采空區(qū)火災(zāi)防治的主要方法,如何變廢為寶,合理運(yùn)用CO2技術(shù)是當(dāng)前的重中之重。

目前已有大量學(xué)者對(duì)采空區(qū)遺煤自燃以及防滅火技術(shù)進(jìn)行研究,Liming Yuan[6]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了采空區(qū)遺煤低溫氧化數(shù)值模擬的可行性;Boleslav Tarba[7]采用CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了不同風(fēng)量和不同推進(jìn)速度下采空區(qū)自然發(fā)火模型的研究;Liming Yuan,等[8]利用Fluent軟件對(duì)常用通風(fēng)系統(tǒng)條件下采空區(qū)遺煤自燃進(jìn)行了數(shù)值模擬。王德明等[9-10]為了研究煤中各種活性結(jié)構(gòu)單元之間的內(nèi)在聯(lián)系,提出了煤氧化動(dòng)力學(xué)理論,并將該理論成功地應(yīng)用于鑒定煤自燃的傾向性和化學(xué)阻化技術(shù)的研究中。

據(jù)文獻(xiàn)[11-14]可知,無(wú)煙煤著火溫度一般為500 ℃以上,極不易自燃,然而陽(yáng)煤五礦8406高瓦斯綜放面由于煤層頂板存在硫結(jié)核或局部煤層高含硫,在回采過程中布置高低位抽巷進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜,擴(kuò)大了采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶范圍,使得采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)概率陡增。因此,本文通過對(duì)8406工作面所采煤樣進(jìn)行煤的自燃程序升溫實(shí)驗(yàn),為三維采空區(qū)自然發(fā)火模型提供基礎(chǔ)參數(shù),進(jìn)而采用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬三維采空區(qū)流場(chǎng),并對(duì)采空區(qū)注CO2的位置、流量、溫度進(jìn)行研究,從而得到最佳注入方案,為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的防滅火工作提供參考依據(jù)。

1 無(wú)煙煤自燃特性參數(shù)測(cè)定

煤氧復(fù)合理論認(rèn)為煤表面的活性因子與氧氣先后發(fā)生理化反應(yīng)是煤自燃的實(shí)質(zhì)。耗氧速率和放熱強(qiáng)度隨煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系決定著煤自燃進(jìn)程,煤的變質(zhì)程度越高,耗氧速率和放熱強(qiáng)度隨煤溫的變化速度較慢,遺煤自燃過程長(zhǎng)。耗氧速率計(jì)算可根據(jù)公式(1)計(jì)算:

(1)

式中:C1為煤樣入口處O2體積分?jǐn)?shù),C1=C2;C2為煤樣出口處O2體積分?jǐn)?shù),%;L為裝煤高度,cm.

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入式(2)可得出15號(hào)煤耗氧速率,計(jì)算結(jié)果如表1所示。耗氧速率對(duì)應(yīng)煤溫變化趨勢(shì)如圖1所示。耗氧速率在氧化反應(yīng)初期上升趨勢(shì)緩慢,之后耗氧速率急劇增長(zhǎng)。在30～140 ℃范圍內(nèi),耗氧速率隨著溫度的升高小幅度增長(zhǎng),處于緩慢氧化階段;在140～180 ℃范圍內(nèi),煤的耗氧速率較前階段增長(zhǎng)速率變快;在180 ℃以后,耗氧速率隨著溫度升高幾乎直線增長(zhǎng)。煤的耗氧速率對(duì)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)有直接影響。

表1 耗氧速率計(jì)算

為了進(jìn)一步探究15號(hào)無(wú)煙煤的耗氧規(guī)律,用函數(shù)對(duì)其隨煤溫變化的整個(gè)過程進(jìn)行描述,擬合發(fā)現(xiàn),耗氧速率隨煤溫的變化符合指數(shù)型函數(shù),擬合曲線相關(guān)性系數(shù)R2=0.998 4,其表達(dá)式為:

(2)

采空區(qū)煤反應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)不同,實(shí)驗(yàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)始終保持21%,而采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布是不均勻的,應(yīng)當(dāng)考慮反應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤氧化反應(yīng)的影響;且實(shí)驗(yàn)過程中煤粒徑與采空區(qū)內(nèi)有較大區(qū)別,同時(shí)遺煤厚度也有較大影響,對(duì)耗氧方程進(jìn)行修正,如公式(3)所示:

(3)

式中:kb、kh為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定得出,kb為粒徑影響因數(shù),取0.25;kh為煤厚影響因數(shù),取0.31;C1為反應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù),%;C0為標(biāo)準(zhǔn)氧氣體積分?jǐn)?shù),取21%.

采空區(qū)遺煤在氧化過程中放熱,熱量的積蓄能加快耗氧,但其放熱強(qiáng)度不是一成不變的,為了進(jìn)一步探究15號(hào)煤氧化放熱規(guī)律,用函數(shù)對(duì)放熱強(qiáng)度隨煤溫變化的整個(gè)過程進(jìn)行描述,擬合發(fā)現(xiàn)放熱強(qiáng)度隨煤溫的變化符合指數(shù)型函數(shù)曲線如圖2所示。擬合相關(guān)性系數(shù)R2=0.994 3,放熱強(qiáng)度方程為:

q(T)=28.503 7·e0.017 84×T

(4)

式中:q(T)為煤在溫度T℃時(shí)氧化反應(yīng)放熱強(qiáng)度,J·m-3·s-1.

考慮反應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響以及實(shí)驗(yàn)與采空區(qū)的差異,對(duì)放熱強(qiáng)度方程進(jìn)行修正,公式如下:

(5)

式中:kb為粒徑影響因數(shù),取0.25;kh為煤厚影響因數(shù),取0.31;C1為反應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù),%;C0為標(biāo)準(zhǔn)氧氣體積分?jǐn)?shù),取21%.

圖2 15號(hào)煤放熱強(qiáng)度變化規(guī)律

2 8406工作面采空區(qū)注CO2防滅火數(shù)值模擬

2.1 工作面概況及模型構(gòu)建

陽(yáng)煤五礦8406工作面屬于15號(hào)煤層,平均煤厚為6.6 m,煤層瓦斯含量為2.0～6.0 m3/t.水平方向上高抽巷距回風(fēng)巷為57 m,垂直方向上距煤層底板為60 m;低抽巷距回風(fēng)巷水平距離為30 m,垂直方向上距煤層底板為6.6 m,采空區(qū)模型深度為200 m,根據(jù)上覆巖層垮落情況分析冒落帶及裂隙帶高度確定采空區(qū)模型高度為75 m.以工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸,工作面布置方向?yàn)閅軸,高度為Z軸。風(fēng)側(cè)布置CO2注入口簡(jiǎn)化為1 m×1 m的矩形入口,注入位置設(shè)置在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)壁面上,分別距工作面10 m、20 m、30 m、40 m和50 m.8406工作面采空區(qū)幾何模型參數(shù)見表2.構(gòu)建的采空區(qū)幾何模型如圖3所示。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格共劃分263 287個(gè)網(wǎng)格單元。根據(jù)實(shí)測(cè),采空區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量為120.5 m3/min,設(shè)置采空區(qū)瓦斯源相為4.8×10-7kg/(m3·s-1).進(jìn)風(fēng)入口設(shè)置為速度入口,根據(jù)供風(fēng)量換算風(fēng)速,供風(fēng)量為1 784 m3/min,則進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.86 m/s,設(shè)置回風(fēng)巷為自由出口,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽采流量換算流速,高低位抽巷設(shè)置為速度入口,高抽流量為465 m3/min,低抽流量為370 m3/min.注入CO2可以大幅度地降低氧化帶范圍,特別是進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化帶范圍,基本保持在2 m左右,因此只考慮中部和回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度和采空區(qū)最高溫分析其防滅火效果。

圖3 數(shù)值模擬幾何模型

表2 模型幾何參數(shù)

2.2 不同位置下注CO2方案數(shù)值模擬研究

在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面不同位置注入CO2,CO2注入流量設(shè)置為720 m3/h,CO2溫度為298 K,進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖4所示。為了直觀反映不同注CO2位置對(duì)采空區(qū)的影響,繪制不同注CO2位置對(duì)應(yīng)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度和最高溫點(diǎn)溫度的變化曲線,如圖5所示。

圖4 不同位置下注CO2時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(z=0.5 m)

圖5 不同位置對(duì)應(yīng)氧化帶最大寬度和最高溫度的變化曲線

由圖5可知,CO2注入位置在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面10～30 m時(shí),中部氧化帶寬度穩(wěn)定在20 m,在30～50 m,氧化帶寬度有遞增趨勢(shì),增加至23 m;CO2注入位置在10～50 m,回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度先遞減在遞增,在30 m時(shí)取得最小值25 m;CO2注入位置從10～50 m,采空區(qū)最高溫先遞減在遞增,在30 m時(shí)采空區(qū)最高溫度最低,為310.73 K,在50 m時(shí)最大,為312.03 K.綜上所述,CO2最佳注入位置位采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)30 m,注入CO2范圍可設(shè)置為20～40 m.

2.3 不同注CO2流量數(shù)值模擬研究

供風(fēng)量和高低位抽采流量保持不變,在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面30 m布置CO2注入口,CO2注入流量設(shè)置為360 m3/h、540 m3/h、720 m3/h、900 m3/h、1 080 m3/h和1 360 m3/h,進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同注入CO2流量時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(z=0.5 m)

為了直觀反映不同注CO2流量對(duì)采空區(qū)的影響,繪制不同注CO2流量對(duì)應(yīng)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度和最高溫點(diǎn)溫度的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同注入流量對(duì)應(yīng)氧化帶最大寬度和最高溫度的變化曲線

CO2流量從360 m3/h增加至1 360 m3/h,采空區(qū)中部氧化帶寬度與CO2流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;CO2流量從360 m3/h增加至900 m3/h,回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度縮小速度緩慢,繼續(xù)增大流量,注入CO2流量大于900 m3/h,回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度縮小速度加快;注入CO2流量從360 m3/h增加至1 360 m3/h,采空區(qū)高溫點(diǎn)溫度不斷下降,從311.99 K下降至307.86 K,下降了4.13 K.結(jié)合圖6可知,當(dāng)注入CO2流量達(dá)到900 m3/h,對(duì)采空區(qū)氧化帶范圍整體控制效果較好。綜上所述,CO2注入流量越大,對(duì)采空區(qū)防滅火工作越有利,但在考慮現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的前提下,現(xiàn)場(chǎng)注入CO2流量設(shè)置為900 m3/h,在高位抽巷內(nèi)監(jiān)測(cè)到標(biāo)志性氣體時(shí),可以加大注入CO2流量,縮小采空區(qū)氧化帶范圍,起到防滅火作用。

2.4 不同溫度CO2數(shù)值模擬研究

供風(fēng)量保持不變,在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面30 m布置CO2注入口,CO2注入流量設(shè)置為720 m3/h,將CO2注入溫度設(shè)為278 K、283 K、288 K、293 K和298 K,進(jìn)行注入不同溫度CO2數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同注入溫度時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)和溫度場(chǎng)(z=0.5 m)

為直觀反映注不同溫度CO2對(duì)采空區(qū)的影響,繪制不同溫度CO2對(duì)應(yīng)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度和最高溫點(diǎn)溫度的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同注入溫度對(duì)應(yīng)氧化帶寬度和溫度的變化曲線

注CO2溫度從278 K升高至298 K,采空區(qū)中部氧化帶寬度從13 m增加到20 m,增加了7 m;采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化帶從21 m增加至25 m,增加4 m;采空區(qū)最高溫從307.75 K升高至310.73 K,升高2.98 K.注入CO2氣體溫度越低,密度越大,不易被漏風(fēng)風(fēng)流吹至采空區(qū)深處,能夠更多地覆蓋在氧化帶范圍內(nèi),且能夠?qū)Σ煽諈^(qū)有一定的降溫效果,整體上注入CO2氣體溫度越低,采空區(qū)防滅火效果越好。

綜上所述,降低注入CO2氣體溫度,能夠縮小采空區(qū)氧化帶范圍和高溫區(qū)域,并使采空區(qū)整體溫度有所下降。注入CO2溫度越低,預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃效果越好,8406工作面CO2防滅火系統(tǒng)未使用保溫管路,不能實(shí)現(xiàn)注入CO2氣體為低溫氣體,可在陽(yáng)煤五礦類似工作面布置CO2防滅火系統(tǒng)時(shí)使用保溫管路,實(shí)現(xiàn)注入采空區(qū)的CO2為低溫氣體。

3 現(xiàn)場(chǎng)CO2防滅火效果分析

為了解決8406工作面回采過程中CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高的問題,在8406工作面進(jìn)行CO2防滅火工作,設(shè)置注入流量為900 m3/min,注入位置為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面20～40 m,在注入CO2期間,8406工作面、回風(fēng)巷未出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)超限情況,高位抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)大幅度下降,從注入CO2前的767×10-6下降至12×10-6,由于注入CO2后遺煤能夠盡早進(jìn)入窒息帶,即使在推進(jìn)過程中,遇到煤層頂板存在硫結(jié)核的情況,也能夠使硫結(jié)核盡早進(jìn)入窒息帶,避免進(jìn)一步誘發(fā)遺煤自燃的情況發(fā)生,注CO2后的CO體積分?jǐn)?shù)對(duì)比效果如圖10所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 陽(yáng)煤五礦15號(hào)無(wú)煙煤的耗氧速率和放熱強(qiáng)度隨煤溫的變化均符合高斯型函數(shù),且隨煤溫的升高呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2) 陽(yáng)煤五礦8406工作面最佳注入位置為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面30 m,注入范圍設(shè)置為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面20～40 m;隨著注入CO2流量不斷增加,采空區(qū)“S”型氧化帶范圍不斷減小,最佳注入流量設(shè)置為900 m3/min;隨著注入CO2氣體溫度不斷升高,采空區(qū)“S”型氧化升溫帶范圍不斷增加。

3) CO2防滅火技術(shù)在8406工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。在CO2注入期間,高抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低,從767×10-6降低至12×10-6,防滅火效果顯著。

圖10 注入CO2前后高位抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的變化曲線