綜采工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)模擬研究

馬建鵬

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司 曙光煤礦，山西 孝義 032300)

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦主采2號、3號煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。根據(jù)礦井采掘銜接部署，2020年進(jìn)行1226工作面的回采，1226工作面采用切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采方式，開采山西組2號煤層，煤層平均厚度2.85 m，經(jīng)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心鑒定，2號煤層吸氧量為0.57～0.70 cm3/g。自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層，最短自然發(fā)火期天數(shù)為86 d。根據(jù)瓦斯等級鑒定結(jié)果，礦井絕對瓦斯涌出量為14.59 m3/min，為預(yù)防1226綜采工作面生產(chǎn)期間采空區(qū)自燃，需加強(qiáng)1226內(nèi)因及外因火災(zāi)預(yù)防。根據(jù)曙光煤礦的現(xiàn)狀，綜采工作面防滅火手段為：利用束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測、人工檢測、采空區(qū)注氮系統(tǒng)為主，噴灑阻化劑及黃泥灌漿為輔的防滅火措施。為使采空區(qū)注氮取得更好的防滅火效果，對采空區(qū)注氮相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，以期為采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火的防治措施提供可靠依據(jù)。

2 建立數(shù)值模擬模型

采用Fluent軟件進(jìn)行采空區(qū)注氮模擬分析，模型尺寸根據(jù)曙光煤礦1226工作面的實際情況建立，模型Y軸方向為工作面長度方向，1226工作面走向長度為176 m，設(shè)計模型Y軸方向長度為200 m，工作面推進(jìn)方向為X軸方向，模型總長度為305 m，其中工作面寬度為5.0 m，采空區(qū)長度為300 m，模型高度為煤層厚度、冒落帶和裂隙帶的厚度之和，冒落帶計算公式[1-2]：

hm=h/(Kp-1)cosα

(1)

式中：hm為冒落帶高度，m；h為工作面采高，m；Kp為頂板巖層碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，(°)。

裂隙帶高度計算公式：

hl=100h/(ah+b)±c

(2)

式中：hl為裂隙帶高度，m；a、b、c為相關(guān)參數(shù)分別為3.1、5.0、4.0。

1226工作面采高2.85 m，頂板巖層碎脹系數(shù)為1.25，煤層傾角為2°，由式(1)、(2)計算可得冒落帶高度為11.4 m，裂隙帶高度為16.83～24.83 m，由此可知裂隙帶最大高度為25 m，最終確定模型高度為28 m。模型坐標(biāo)原點選在工作面、采空區(qū)及進(jìn)風(fēng)巷的交點處，進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口，總進(jìn)風(fēng)量為2 400 m3/min，注氮口為速度入口，采空區(qū)為多孔介質(zhì)，孔隙率和粘性阻力系數(shù)通過UDF函數(shù)導(dǎo)入，三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值模型示意

3 最佳注氮量模擬研究

進(jìn)行注氮量模擬分析時需首先確定注氮孔的位置。注氮孔的位置對于防滅火的效果非常關(guān)鍵，主要需要確定注氮孔與工作面的垂直距離，注氮孔距離工作面過近時，將導(dǎo)致大量氮氣擴(kuò)散至工作面，隨著工作面風(fēng)流排出，無法起到稀釋采空區(qū)氧氣濃度的作用，造成資源大量浪費(fèi)；注氮孔深入采空區(qū)過深時，氮氣大多注入窒息帶，同樣造成資源浪費(fèi)。根據(jù)1226工作面現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得到采空區(qū)三帶范圍為：回風(fēng)巷側(cè)散熱帶：0～25 m，氧化帶：25～45 m，窒息帶：45 m以上；進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶0～55 m，氧化帶：55～90 m，窒息帶：90 m以上，結(jié)合采空區(qū)注氮防滅火的原理，設(shè)計注氮孔位于進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，深入采空區(qū)70 m，與進(jìn)風(fēng)巷水平距離為20 m，注氮孔距底板2 m，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分及注氮孔位置示意

注氮量是最重要的注氮參數(shù)，直接決定著注氮效果。注氮量太小因達(dá)不到惰化采空區(qū)氣體的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。注氮量主要取決于被注地點的氧化空間大小、裂隙情況、漏風(fēng)量大小以及氣體組分等[3-4]。按采空區(qū)氧化帶氧含量計算，實質(zhì)是將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧含量降到防火惰化指標(biāo)以下，計算公式為[3]：

QN=60×QV×k[(C1-C2)]/(CN2+C2-1)

(3)

式中：QN為注氮流量，m3/h；k為備用系數(shù)，取1.1；QV為采空區(qū)氧化帶的漏風(fēng)量，根據(jù)經(jīng)驗氧化帶漏風(fēng)量取8 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)原始氧含量，選15%；C2為注氮防火惰化指標(biāo)，取7%；CN2為注入氮氣中的氮氣純度，取97%。

通過式(3)計算可得，QN=1 056 m3/h=17.6 m3/min，為進(jìn)一步確定1226工作面采空區(qū)最佳注氮量，結(jié)合理論計算結(jié)果，對注氮量分別為10 m3/min、15 m3/min、20 m3/min、25 m3/min條件下的注氮效果進(jìn)行模擬分析，注氮口坐標(biāo)為(X，Y，Z)=(70，20，2)，得到不同注氮量條件下采空區(qū)氧氣濃度分布，如圖3所示。

圖3 不同注氮量條件下采空區(qū)氧氣濃度變化云圖(Z=2)

根據(jù)圖3所示的模擬結(jié)果，參考相關(guān)的研究成果[4-5]，將采空區(qū)氧氣濃度低于5%的區(qū)域劃分為窒息帶，氧氣濃度為5%～18%的區(qū)域為氧化帶，氧氣濃度18%以上為散熱帶，依據(jù)“三帶”劃分情況，分別統(tǒng)計采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)、中部、靠近回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的寬度，整理得到三帶寬度隨著注氮量的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 采空區(qū)散熱帶和氧化帶寬度與注氮量的變化關(guān)系

由圖3、圖4可以看出，隨著注氮量的增加，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度明顯減小，窒息帶的覆蓋范圍逐漸增大，散熱帶的覆蓋范圍逐漸減小，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度明顯減小，工作面中部和回風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度出現(xiàn)小幅度的增大。注氮量由10 m3/min增大至20 m3/min期間，注氮孔附近氧氣濃度顯著降低，散熱帶范圍明顯減小，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度明顯減小，采空區(qū)發(fā)生自燃發(fā)火的概率降低；注氮量由20 m3/min增大至25 m3/min，采空區(qū)氧氣濃度分布云圖無明顯變化，且散熱帶寬度明顯增大，回風(fēng)側(cè)和工作面中部氧化帶寬度出現(xiàn)輕微增大，且進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度的減小幅度明顯減小，注氮效果比注氮量為20 m3/min條件下差。綜上可知，1226工作面采空區(qū)最佳注氮量為20 m3/min。

4 結(jié) 語

根據(jù)曙光煤礦1226工作面具體的地質(zhì)條件，理論分析確定采空區(qū)注氮孔的合理位置，設(shè)計注氮孔位于進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，深入采空區(qū)70 m，與進(jìn)風(fēng)巷水平距離為20 m，注氮孔距底板2 m；理論計算了采空區(qū)合理注氮量為17.6 m3/min，采用Fluent軟件建立三維模型，分析不同注氮量條件下采空區(qū)散熱帶和氧化帶的變化規(guī)律，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和惰化效率后得出最佳的注氮量為20 m3/min。研究結(jié)果為1226工作面采空區(qū)注氮防滅火防治措施的制定提供可靠依據(jù)。