晉牛礦1303綜放面采空區注氮方案研究及數值模擬*

賈寶山，汪　偉，祁　云，孫　勇，李守國1,

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室 遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125105；3.煤科集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈陽 113112)

0　引言

煤礦火災是影響礦井安全的一大災害，而采空區遺煤自燃火災在井下火災總數的占比達到85%左右[1-2]。有資料表明，全國有約56%的礦井受到自然發火的威脅[3]。礦井火災不僅使煤炭資源遭受破壞，損毀大量的井下設備，還會產生瓦斯、煤塵爆炸等繼發性災害[4]。隨著綜采放頂煤技術在我國的廣泛應用，礦井生產效率得到明顯提高，與此同時，也出現了工作面推進速度降低，漏風量增加，采空區遺煤較多等問題，使采空區自燃火災發生幾率大大增加[5-7]。

目前，采空區防滅火技術主要有均壓通風、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等，亦或是這些技術的綜合使用。研究表明，如果封閉火區內的氧氣濃度降到5%以下，火勢就會慢慢減弱最后熄滅[8]。注氮防滅火技術就是根據這一原理，將惰性氣體N2注入采空區，稀釋火區內的氧氣濃度，滿足防火惰化要求。由于N2的注入可以在采空區產生正壓，使漏風量減小，而且N2的密度要小于空氣，可以在采空區上浮、擴散，能夠對采空區深部和高位火災起到較好的治理效果，再加上注氮的經濟成本比較低，因此注氮防滅火技術作為經濟可靠的治理手段己經被普遍采用[9-11]。而注氮流量、注氮口位置、注氮時間等參數制約著注氮效果的好壞，對此許多學者都進行了相關研究[12-15]，但是尚未明確給出注氮量的模擬取值范圍的標準，沒有系統對氧化自燃帶寬度隨注氮量變化的關系進行定量分析。為此本文結合前人的研究成果，針對晉牛煤礦1303綜放工作面開展試驗研究，通過在采空區進、回風側布置束管和溫度采樣測點，連續監測采空區氣體濃度、溫度數據，劃分采空區自燃“三帶”分布區域，并基于CFD理論，利用流體力學COMSOL計算軟件，研究了不同注氮量、注氮位置參數下采空區自燃“三帶”分布規律，綜合現場實測、定量分析、數值模擬的方法系統地分析注氮參數對氧化自燃帶寬度變化的影響規律，結合工作面實際生產情況及模擬數據擬合式對注氮參數進行優化，從而為采空區遺煤自燃防治技術的進一步提高提供理論指導。

1　采空區自燃“三帶”實測分析

1.1　 1303綜放工作面概況

晉牛煤礦1303綜放工作面位于1030水平11#煤層一采區，該工作面東起集中回風大巷，西至井田邊界，南為1305工作面，北為1301工作面。工作面設計走向長度906.6 m，傾斜長度90 m，煤層厚度為5.24～7.30 m，平均厚度為6.17 m。采用綜采放頂煤開采技術，全部垮落法控制采空區頂板，工作面機采采高2.9 m，放頂煤高度3.3 m，采放比為1∶1.13。煤層節理發育，含有1～4層夾矸，夾矸以薄層泥巖為主，厚度變化不大，煤層傾角8～14°，平均為10°。開采煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發火期為21 d，煤塵爆炸指數為45.79%，具有爆炸性。

1.2　采空區束管布置方案

針對1303綜放面的基本特征，在進風巷和回風巷鋪設束管監測系統，并利用晉牛煤礦提供的GC-2010型氣相色譜儀，對采空區內各種氣體的含量隨著綜放面回采的變化規律進行測定。采用進、回風巷同時布置測點的方式，測點相互間距為20 m，每側3個，具體布置方案如圖1所示，其中1～6#表示束管及溫度傳感器安設位置。

圖1　束管及溫度傳感器安設布置Fig.1　Beam tube and temperature sensor layout

測溫采用AD590型集成溫度傳感器，并使用自主研發的本安型數字測溫儀表。由于采空區頂板垮落，容易損壞測點的探頭，為防止頂板冒落及放頂煤時對束管產生巨大的沖擊，在現場測點布置時采用無縫鋼管對束管進行保護。將束管管纜和測溫導線進行固定后一起穿入套管內，測溫導線預留一定的長度，防止測溫導線由于拉伸所導致斷裂，套管之間用快速接頭連接牢固。在各個測點處分別安裝上溫度傳感器及采樣頭，采樣頭和束管相連，溫度傳感器與測溫導線相連。束管鋪設前，將每個測點預鋪設的單芯束管與真空泵采氣處的三芯束管進行對應編號，以便識別監測點。

1.3　采空區實測數據分析

利用兩個多月的時間對1303綜放面采空區的溫度及氣體進行了實測，從監測結果來看，氧氣濃度在上隅角監測位置相對于其他監測位置來說下降的更快些，這也正與氣體在采空區的實際運移規律相符合。其中1#測點在被埋進采空區48 m時，氧氣濃度開始降至18%，表明已進入到氧化自燃帶；隨著推進距離繼續增加，氧氣濃度也進一步降低，到90 m的時候氧氣含量的監測值已經處于10%以下；煤體壓實程度加深，這一區域的漏風量極小，推進到106 m時，氧氣濃度低于8%進入窒熄帶。2#，3#測點的記錄結果大體與1#測點的結果一致。5#測點的氧氣濃度在37 m時降至18%，埋進95 m時降到8%，進入窒息帶。4#，6#測點在推進到39 m時，氧濃度開始低于18%，后期由于束管被堵不再監測。整體上的監測結果較為理想，于是依氧氣濃度劃分的原則，對1303綜放面采空區遺煤自燃“三帶”的分布區域進行劃分，結果如表1所示。

表1　根據氧氣濃度劃分采空區自燃“三帶”Tab.1　“Three zones” of spontaneous combustion ingoaf according to oxygen concentration

2　1303工作面模型的建立

2.1　幾何模型的建立

根據晉牛煤礦1303綜放工作面資料及現場實測，利用COMSOL模擬軟件建立采空區幾何模型如圖2所示。其中工作面長度WG為90 m，寬度為7 m；采空區長度GL為260 m，寬度為90 m。邊界W1為進風巷的進風口，寬度為3 m；W2為回風巷的回風口，寬度為3 m；W3，W4，W7為工作面未采實體煤壁，W5為進風巷外側保護煤壁，W6回風巷外側保護煤壁，G1為回風巷采空區邊界，G2為進風巷采空區邊界，以頂板壓力穩定區域邊界G3為計算區域的邊緣。

圖2　采空區幾何模型Fig.2　Geometric model of goaf

2.2　采空區氣體流動控制方程

由于流體運動方程組的建立要滿足基本流體流動定律，當氣體處在采空區深部低速流動，如果設定采空區氣體是不可壓縮的，可以將其看成二維層流流動的穩態問題，此時不必考慮能量交換。所以采空區的風流流動就只需要滿足動量守恒方程和連續性方程[16]：

(1)

(2)

(3)

式中：u,v分別為x,y方向上的風流速度，m/s；ρ為礦井中空氣的密度，kg/m3；t為氣體流動時間，s；P為流體微元上的壓力，Pa；μ為采空區空氣的動力粘度，Pas；Su,Sv為自定義的源項。

2.3　邊界條件及計算參數設定

在選取主要計算條件和參數時，要遵循現場實際情況而定，將工作面進風巷設定為入口邊界；采空區出口邊界為自由邊界。將注氮口設定為速度入口，并取氮氣的濃度為97%。實測得到進風巷的風流溫度是18.6 ℃，氧氣濃度是20.9%，工作面實際風速是1.62 m/s；礦井平均空氣密度ρ=1.225 kg/m3，常溫下取空氣粘性系數η=1.789 4×10-5kg/ms，氣體的擴散系數D=2.88×10-5m3/s，松散系數設置為1.5。采空區的孔隙率可以依據頂板冒落碎脹的實際情況由經驗公式來得到：

(4)

采空區的滲透率由多孔介質Carman公式進行計算[17-18]：

(5)

式中：x為采空區距工作面距離，m；Dm為平均粒徑，m；n為孔隙率。

3　注氮量取值范圍的確定

首先要確定出一個合理的模擬方案，通過常用的采空區注氮設計方法，得到數值模擬所需注氮量的取值范圍。目前主要是按照采空區氧化升溫帶的氧氣濃度和工作面的煤炭日產量這2種參數計算方法來設計采空區注氮量。

3.1　按氧化升溫帶的氧氣濃度設計注氮量

按照氧化升溫帶的氧氣濃度來設計采空區所需注氮量的原理是，使氧化升溫帶內原本的氧濃度值稀釋到滿足惰化要求時的氧濃度值，此時注氮量可用下式計算:

(6)

式中：QN為注氮量，m3/h；k為附加系數，取1.3；Q0為氧化升溫帶內的漏風量，取2.75 m3/h；C1為氧化升溫帶內的平均氧氣濃度，按經驗取15%；CN為注入氮氣的濃度，取97%，C2為采空區達到防火要求時的氧氣濃度，這里為8%。代入到式(6)得出注氮量QN=300 m3/h。

3.2　按工作面煤炭日產量設計注氮量

按照工作面的煤炭日產量來設計采空區所需注氮量的原理是，通過注氮口注入氮氣，將每天因為回采而造成的采空區空間體積進行惰化，稀釋氧化升溫帶內氧氣使其濃度降到防火要求指標以下，此時注氮量可用下式計算：

(7)

式中：A為煤炭的日產量，t；ρ為煤的密度，取1.28 t/m3；N1為管道輸氮效率，取0.9；N2為采空區注氮效率，取0.6；C3為空氣中的氧氣含量，取20.9%。代入式(7)得出注氮量QN=500 m3/h。通過以上計算，可以知道注氮量的取值范圍是300～500 m3/h。

4　注氮參數的數值模擬研究

4.1　注氮位置影響采空區流場仿真

因為不同注氮位置條件下，氮氣在采空區中擴散和運移的范圍會產生變化，從而導致采空區“三帶”的分布區域也跟著發生改變，為了確定最佳注氮位置，當注氮量為400 m3/h時，在注氮的位置與切頂線間距為10,20,30,50,70 m情況下，分別對采空區自燃“三帶”的分布情況進行數值模擬。為了使模擬所得的“三帶”分布結果更貼合實際，考慮到現場的具體情況，這里采用的是綜合采空區流場風速和氧氣濃度2種劃分指標的方法，也就是分別把風速0.004 m/s等值線和氧氣濃度8%等值線定為氧化帶的上界限和下界限。

由數值模擬得到不同注氮位置條件下采空區自燃“三帶”分布范圍如圖3所示。

(a)注氮口距離切頂線10 m

(b)注氮口距離切頂線20 m

(c)注氮口距離切頂線30 m

(d)注氮口距離切頂線50 m

(e)注氮口距離切頂線70 m圖3　不同注氮位置下采空區流場和自燃“三帶”分布Fig.3　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen position

可以看出，如果注氮位置發生改變，則采空區氧化自燃帶也會呈現不一樣的分布趨勢。隨著注氮口向采空區深部移動，影響的主要是氧氣濃度8%等值線，而漏風速度0.004 m/s等值線的變化趨勢并不明顯。隨著注氮口位置不斷遠離切頂線，采空區氧化自燃帶的寬度雖然開始縮小，但之后又逐漸增大。注氮口位置與切頂線間距為10，20，30，50，70 m的情況下，對應氧化自燃帶寬度分別為44，37，28.5，26，31.6 m，氧化自燃帶寬度降低為未注氮條件下的75%，63%，49%，45%，54%，表明對采空區進行注氮能夠使采空區氧化自燃帶寬度明顯縮小。

由于注氮位置參數會影響注氮效果及經濟成本，因此要結合實際生產情況及數值模擬結果優化出最佳的注氮位置。根據圖3結果運用Origin軟件繪制了氧化自燃帶寬度與注氮位置變化關系曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著注氮位置越來越深入采空區，氧化自燃帶的寬度開始逐漸縮小，但當注氮位置與切頂線的間距超過50 m以后氧化自燃帶寬度反而開始增長，這是因為注氮口埋入采空區過深時，與采空區窒息帶相距的比較近，對于采空區較淺位置的氧氣濃度不能起到很好的稀釋惰化作用，再加上注氮壓力的影響，注氮效果受到極大限制，所以結合現場實際與理論研究結果，采空區最佳注氮位置范圍應該在距離工作面30～50 m之間，取30 m為最合適的注氮位置。

圖4　采空區氧化帶寬度隨注氮口位置變化Fig.4　Goaf oxidized zone width with injection nitrogen position change

4.2　注氮量影響采空區流場仿真

本次設計的注氮量模擬方案一共被分成5組，根據之前所得到的模擬值的取值范圍，當注氮位置距離切頂線30 m時，分別在注氮量為300,350,400,450,500 m3/h條件下，對采空區內的遺煤自燃“三帶”的分布情況進行數值模擬。由數值模擬得到不同注氮量下采空區流場和自燃“三帶”分布范圍如圖5所示，可以看出變化較大的是氧氣濃度等值線，隨著注氮量加大，氧濃度8%等值線明顯向工作面移動，氧化自燃帶的范圍逐漸縮小，而漏風速度等值線的變化趨勢不大。

通過圖5得到注氮量為300，350，400，450，500 m3/h的情況下采空區內的氧化自燃帶的寬度，如表2所示。整體上氧化帶的上界限受注氮量的影響并不是十分顯著，只沿著回采方向移動了不到4 m，而氧化帶的下界限受注氮量的影響相對來說更為顯著，沿著回采方向移動了22 m左右。隨著注氮量由300 m3/h增大到500 m3/h，采空區內的氧化自燃帶的范圍也跟著明顯的縮小，寬度也從41.5 m減小到了23.5 m；當注氮量為500 m3/h時，氧化自燃帶的寬度較未對采空區進行注氮時減小了約35 m。

(a)注氮量為300 m3/h

(b)注氮量為350 m3/h

(c)注氮量為400 m3/h

(d)注氮量為450 m3/h

(e)注氮量為500 m3/h圖5　不同注氮量下采空區流場和自燃“三帶”分布Fig.5　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen quantity

注氮量/(m3·h-1)氧化帶上限位置/m氧化帶下限位置/m寬度/m30046.58841.535045.880.334.54004573.528.54504471275004366.523.5

由于注氮量過大會使注氮成本增加，并且向工作面泄漏氮氣的危險也逐漸增加，容易使工作面的氧氣濃度降到18.5%以下，從而對工人的身體健康造成危害，因此要結合實際生產情況及數值模擬結果優化出最佳的注氮量。根據表2運用Origin軟件對數據進行擬合處理，得到采空區氧化自燃帶的寬度隨注氮量變化曲線如圖6所示。由圖可知，注氮量與氧化自燃帶的寬度基本符合指數關系，根據所得擬合式有：

vτ≥L=120.4exp(-0.004 7QN)+11.85

(8)

式中:v為工作面的回采速度；τ為自然發火期；晉牛煤礦1303綜放工作面的實際回采速度為1.6 m/d，為了考慮安全，取回采速度為v=1.5 m/d，自然發火期τ=21 d。通過計算可知最優的氮氣注入量是386 m3/h，此時氧化自燃帶寬度為31.5 m。

5　結論

1)通過對各測點氧氣濃度隨工作面回采的變化趨勢的測定，劃分了晉牛煤礦1303綜放工作面采空區自燃“三帶”分布區域，得出采空區進風側距工作面48～106 m，回風側距工作面37～95 m的范圍為氧化自燃帶。

2)利用COMSOL軟件模擬了注氮情況下采空區自燃“三帶”分布的變化規律，隨著注氮口位置向采空區深部移動，氧化自燃帶寬度開始縮小而后增大，最合適的注氮位置應該在距離切頂線30 m左右。

3)通過數值模擬發現隨著注氮量的加大，氧化自燃帶的范圍逐漸縮短，結合工作面實際生產情況及模擬結果對注氮量參數進行優化，發現注氮量與氧化升溫帶寬度基本符合指數關系，由擬合式算出采空區最優注氮量為386 m3/h，此時氧化帶的寬度相比未采取注氮措施時減小了27 m。

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