綜放面間歇式開采注氮對采空區氧化自燃區域的影響研究

摘 要：為解決楊村礦間歇式開采且工作面推進速度慢而導致采空區遺煤自然發火危險性大的問題，探討了楊村礦采用注氮方式預防煤自燃的可行性，并采用數值模擬確定了楊村礦采空區注氮參數以及注氮后采空區自燃危險區域。結果表明：未注氮時楊村礦316工作面采空區氧化升溫帶在進風側40～110 m范圍內，回風側在10～40 m范圍內。采取注氮措施后采空區氧化升溫帶起始位置向工作面移動，氧化升溫帶終止位置向采空區淺部方向大幅移動，氧化升溫帶寬度顯著減小，進風側最大減少80%，回風側最大減少27%.正常開采期間采空區的最佳注氮量為400 m3/h，最佳注氮位置為進風側采空區深度40 m處，注氮后采空區氧化升溫帶范圍為25～73 m，寬度為48 m.在停采期間，采取在上下隅角建密閉墻的方式，在采空區內深度30 m處連續注入400 m3/h的氮氣，可將氧化升溫帶寬度縮小到32 m，有效的抑制了采空區煤自燃。關鍵詞：煤自燃；注氮；自燃危險區域；間歇式開采

中圖分類號：TD 752.2 文獻標志碼： A

Influence of nitrogen injection on oxygenated spontaneous

combustion zone in gob of fully mechanized caving face

DENG Jun1，2，REN Li-feng1，2，AI Shao-wu3，MA Li1，2，QIN Xiao-yang1，2，DUAN Xiao-dong3

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.

Shaanxi

Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an 710054，China；

3.Shaanxi Construction Engineering Group Ninth Construction Co.，Ltd.，Yulin 719111，China）

Abstract：In order to solve the problem of high risk of spontaneous combustion in the goaf due to intermittent mining and slow advance of coal face in Yangcun Mine.The feasibility of using nitrogen injection method to prevent spontaneous combustion of coal was discussed.Nitrogen injection parameters in the goaf of Yangcun Mine and spontaneous combustion danger zone in the goaf after nitrogen injection were determined by numerical simulation.The results show that without the measures of nitrogen injection the oxidation temperature zone of goaf in the working face of Yangcun Mine is 40～110 m on the inlet side and 10～40 m on the return side.After the injection of nitrogen，the starting position of the oxidation zone in the goaf moves towards the working face，and the end position of the oxidation spontaneous combustion zone moves towards the shallow direction of the goaf by a large margin.

The width of oxidation temperature zone reduces substantially，with 80% reduction on the inlet side and 27% reduction on the return side.

During the normal mining period，the optimal nitrogen injection volume is 400 m3/h，and the optimal injection location is 40 m inside the gob.The temperature range of oxidation zone is 25～73 m and the width is 48 m.During the period of stopping mining，the closed wall was built in the upper and lower corner，and 400 m3/h nitrogen was continuously injected at the depth of 30 m in the mined-out area.The width of the oxidation heating zone was reduced to 32 m

which could effectively restrain coal spontaneous combustion in the goaf.

Key words：coal spontaneous combustion；nitrogen injection；spontaneous combustion danger zone；intermittent mining

0 引 言

雖然中國正在進行能源結構和經濟發展的轉型，但是煤炭在未來較長一段時間內，仍將是中國的主要能源[1]。中國95%煤礦開采是地下作業，煤層賦存條件復雜，多種災害相互作用嚴重威脅礦井生產[2]，其中礦井火災為礦井五大災害之一[3-5]。隨著礦井火災治理技術的發展，采空區注氮技術已經成為采空區遺煤自燃火災預防的主要技術之一[6-7]。注氮量是影響采空區遺煤自燃預防效果關鍵因素之一：注氮量過大，會置換出采空區有毒有害氣體，影響工作面安全生產；過小則容易造成采空區發生煤自燃火災[2]。目前對注氮防滅火技術研究主要通過現場實測、計算機數值模擬等方法，確定注氮工藝，注氮量等工藝參數[8-11]，研究注氮后采空區氧氣濃度場，采空區氧化升溫帶變化情況[12-13]。這些研究成果有力的推進了注氮防滅火技術發展。楊村礦316綜放工作面位于泗河東堤下方，為防止對含水層的破壞，在每年汛期需要停采，屬于間歇式開采。且工作面正常回采期間推進速度慢，采空區遺煤在自燃危險區域停留時間長，礦井煤自燃火災發生可能性大。作者采用現場實測、數值模擬、定量分析的方法系統地研究注氮對采空區煤自燃危險區域影響，確定了采空區注氮工藝參數，有效保障楊村礦316綜放面安全生產，對礦井火火災防治有一定的指導意義。

1 工作面概況及自燃危險區域劃分

1.1 工作面情況楊村礦316綜放工作面位于兗州煤田，在王莊村以北320 m，泗河東堤下部。開采活動對泗河東堤造成較大程度破壞影響。造成泗河東堤堤防、護堤地、灘地等發生下沉、影響范圍長約470 m，最大下沉約6.0 m，地表將形成塌陷積水區。煤層厚度為7.3～9.5 m，平均厚度為8.29 m，采用全部垮落法管理頂板，頂板煤巖隨采隨落，通風方式為U型全風壓通風，風量為790 m3/min，間歇停采期間風量為390 m3/min，正常開采期間工作面日平均推進速度為1.21 m/d.工作面初采期間，在采空區預埋束管對采空區自燃“三帶”進行了測量。測量時在進風側和回風側每隔50 m設置一個監測點，兩側各3個監測點，316綜放面采空區進回風側氧氣濃度變化情況如圖1和圖2所示。

1.2 采空區煤自燃危險區域劃分根據楊村礦316綜放面采空區的遺煤厚度、氧濃度、以及自燃極限參數，316綜放面采空區“三帶”分布范圍見表1.

由表1可知，楊村礦316綜放工作面采空區氧濃度、漏風強度呈非對稱性分布，進風側的氧濃度較高，散熱帶為0～40 m，氧化升溫帶范圍為40～110 m，窒息帶在距離工作面110 m以后的采空區深部。在工作面回風側散熱帶為0～10 m，氧化升溫帶范圍為10～40 m，窒息帶在距離工作面40 m以后的采空區深部。

2 采空區模型建立

2.1 幾何模型進回風巷為4.5×3 m矩形斷面，采空區進回風兩側高為7.6 m，寬為3 m，工作面長為170 m，模型總高度設為30 m.進回風及工作面網格步長為0.5 m，采空區網格步長為1 m，冒落帶網格步長為1.5 m，對注氮管附近采用自適應加密，節點數為2 987 568，建立的三維幾何計算模型如圖3所示，網格劃分如圖4所示。

2.2 采空區氣體擴散流動控制方程在煤氧復合反應過程中，松散煤體內溫度場、流場和氧濃度場均處于瞬態，建立煤巷松散煤體自燃三維數學模型如下[14-16]

2.3 模擬參數的設定結合現場楊村礦316綜放工作面實際情況，可得數值模擬計算區域內基本物性參數如下：模型采空區壁溫為25 ℃；松散煤體空隙率k=0.2～0.3；松散煤體、巖石、空氣的基本物性參數見表2.

工作面正常生產時風量為790 m3/min，進風速度為1.03 m/s，進風流溫度為25 ℃（298 K），氧氣體積分數為21%，質量百分比為23%.設采空區壁面溫度恒定不變，工作面兩端頭壓力一定，則可看作穩態滲流問題處理。

3 數值模擬結果及分析

3.1 正常開采期間采空區注氮模擬

3.1.1 不同注氮量時采空區自燃危險區域在進風側采空區40 m處注氮，采用預埋108×4.5 mm鋼管連續注氮方式，流量分別為：400，800和1 200 m3/h，體積分數為99%，模擬正常開采期間注氮氣后采空區“三帶”情況。距離地板高度y=1處氧氣濃度分布如圖5所示，不同注氮流量時采空區自燃“三帶”見表3.

由圖6（a）可知，楊村礦316綜放進回兩側采空區氧濃度為非對稱分布，進風側散熱帶在0～42 m，氧化升溫帶在42～108 m；回風側散熱帶在0～10 m，氧化升溫帶在10～42 m.模擬結果與現場實測的“三帶”比較吻合，說明該模型符合實際條件。從表3可以看出，注氮后采空區煤自燃危險區域顯著縮小。注氮量為400 m3/h時，進風側氧化升溫帶寬度由70 m降至15 m；回風側氧化升溫帶寬度由30 m降至22 m；隨注氮量的增加采空區氧化升溫帶范圍不斷減小，減小幅度不斷縮小。注氮量達到1 200 m3/h時在回風側氧濃度接近18.5%，超過了安全的注量。因此，在正常開采過程中，注氮量為400 m3/h最經濟有效。

3.1.2 不同注氮位置時采空區自燃危險區域將注氮口設置在進風側氧化升溫帶與散熱帶交界前后不同位置處，進行連續注入400 m3/h氮氣進行模擬，氧濃度分布如圖6所示，采空區煤自燃“三帶”見表4.

由表4可知，在進風側連續注入400 m3/h氮氣時，注氮口位置直接決定進風側窒息帶和氧化升溫帶的范圍，對散熱帶影響不明顯。在采空區30 m處注氮時，氧化升溫帶范圍為23～75 m，寬54 m；40 m處位置注氮時氧化升溫帶范圍為25～71，寬46 m.隨著注氮位置與工作面距離的增加，氧化升溫帶范圍逐漸增大到不變。因此，注氮位置位于采空區進風側距離工作面在40 m處，即散熱帶與氧化升溫帶的交界處最合適。

3.2 停采期間采空區注氮情況模擬注氮量為200，400和600 m3/h，將注氮口設在進風側采空區30 m處。在進回風兩側各施工一道隔離墻（孔隙率設為0.05的多孔性介質），減小漏風。停采未注氮和注氮時模擬氧濃度分布如圖7所示。

由圖7可知，在停采期間進風側散熱帶范圍為0～30 m，氧化升溫帶范圍為30～65 m；回風側散熱帶范圍為0～5 m，氧化升溫帶范圍為5～20 m.與正常生產期間相比，采空區漏風減弱，散熱帶與氧化帶寬度明顯減少，氧化升溫帶寬度由70 m減小到35 m.

由于每年在汛期（雨季）需要停采，停采時間較長，遺煤暴露在氧化升溫帶的時間久，需盡量縮短采空區的氧化升溫帶寬度。由表5可知，隨著注氮量增加，回風側氧化升溫帶寬度不斷減小；在連續注氮量分別為200，400，600 m3/h時，均對采空區中部影響較為明顯，氧化升溫帶寬度由48 m分別降至39，32，29 m，在注氮量為400 m3/h后，隨著注氮量的增加“三帶”范圍趨于穩定。綜合考慮認為在停采期間注氮量為400 m3/h較為合理。

4 注氮防治措施應用及效果分析根據文中研究得到的注氮工藝及參數，確定了在楊村礦316工作面在正常開采期間注氮位置位于采空區進風側距離工作面在40 m處，預埋108×4.5 mm鋼管連續注氮方式，注氮量為400 m3/h.在間歇停采期間注氮位置位于采空區進風側距離工作面在30 m處（散熱帶與氧化升溫帶的交界處），注氮量為400 m3/h.在采取注氮防火措施之后對采空區氣體進行監測得到采空區“三帶”情況見表6.

由表6可得，采取注氮措施后，對采空區惰化效果顯著，大幅縮小了采空區煤自燃危險區域，保障了楊村礦316綜放面安全高效開采。工作面整個開采過程中隅角及后部采空區（距工作面40 m）監測得到O2及CO濃度基本穩定，未出現采空區遺煤自燃現象。因此，對316綜放面采空區遺煤自燃采取的注氮防治措施效果顯著。

5 結 論

1）通過現場測量得到了楊村礦正常開采期間采空區煤自燃“三帶”，氧化升溫帶在進風側為40～110 m，回風側為10～40 m，氧化帶范圍較大采空區遺煤易發生煤自燃火災；

2）采空區注氮后氧化升溫帶的起始位置向采空區淺部方向移動，氧化升溫帶的終止位置顯著向采空區淺部方向移動，注氮有效惰化了采空區使得氧化采空區自燃帶的寬度顯著減小；

3）通過對正常生產期間不同注氮量和注氮位置模擬，得到了注氮情況下采空區氧氣濃度分布情況，在注氮量為400 m3/h，注氮位置進風側采空區40 m深處位置時，注氮最為經濟且效果最佳。此時，采空區氧化升溫帶范圍為25～73 m，寬48 m.停采期間，上下隅角建密閉墻，同時距離工作面30 m處連續注入400 m3/h氮氣可將采空區氧化升溫帶縮小到32 m，有效的抑制煤自燃火災的發生。

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