易自燃煤層采空區N2 與CO2 惰性耦合氣體運移規律

2020-08-21 08:02:22柳東明

煤礦安全 2020年8期

柳東明

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順113122）

煤礦火災是煤礦安全生產面臨的主要災害之一[1]，是一種較難控制且十分復雜的災害。煤礦火災嚴重威脅井下人員的生命安全、設備或工程設施的財產安全，極易造成煤炭資源損失、地表環境破壞、影響正常生產，造成經濟損失，而且火災還會造成通風系統紊亂，使正常風流發生逆轉，更嚴重的會引燃瓦斯、煤塵爆炸[2]。為了克服傳統單一惰性氣體（N2或CO2）防滅火技術缺點，研究N2與CO2惰性耦合氣體防滅火技術，并采用數值模擬的方法，對耦合氣體在采空區運移規律進行了研究，以致更有效地抑制采空區煤層自燃。

1 惰性耦合氣體防滅火機理

N2與CO2惰性耦合氣體是將N2與CO2按照一定比例，經特定耦合氣體制備裝置制成。N2與CO2惰性耦合氣體對煤炭自燃抑制作用主要體現在以下幾個方面[3-4]：①惰化；②抑制爆炸；③吸附阻化；④吸熱降溫；⑤正壓驅氧；⑥包圍隔氧[5-6]。

2 惰性耦合氣體防滅火技術

按照灌注耦合氣體環境的不同，耦合氣體灌注工藝分為2 種，即開放式灌注耦合氣體和封閉式灌注耦合氣體。開放式灌注耦合氣體是指在工作面正常開采的情況下，將耦合氣體注入工作面后部采空區內；封閉式灌注耦合氣體則是指封閉工作面或其它區域內灌注耦合氣體，由于目標區域相對封閉，耦合氣體長時間滯留，起到更為顯著的防滅火效果。

2.1 惰性耦合氣體防滅火裝備系統

惰性耦合氣體防滅火裝備系統由地面液態CO2槽車、制氮機、輸氣管、惰氣耦合高強度防滅火裝置構成[7]，惰性耦合氣體防滅火裝備系統如圖1。

圖1 惰性耦合氣體防滅火裝備系統Fig.1 Inert coupled gas fire fighting equipment system

2.2 惰性耦合氣體灌注方式和防滅火工藝

N2與CO2惰性耦合氣體灌注方式通常采取在地面先將液態CO2汽化成氣態，再與氣態N2經耦合形成耦合氣體后，通過管路灌注到工作面采空區。

目前，惰性耦合氣體在大興煤礦防滅火應用過程中，常用的注入工藝為：首先在地面利用裝置內的煤、電水浴式汽化器將液態CO2汽化，然后與N2按照一定比例同時注入裝置平衡罐，經耦合后形成N2與CO2惰性耦合氣體，通過輸氣管路注入井下易自燃煤層工作面采空區。耦合氣體防滅火技術工藝具體如下：

1）將裝置安置于礦井制氮機附近，通過管路將制氮機出口與平衡罐進口相連。

2）使用液態CO2槽車將液態CO2拉到煤礦地面制氮機附近，利用專業的不銹鋼軟管連接裝置的進液管。

3）裝置平衡罐的出氣口連接井下φ200 mm 輸惰性耦合氣體管路，井下耦合氣體管路連接采空區φ108 mm 注耦合氣體2 趟埋管。

4）啟動制氮機，將N2輸送到裝置平衡罐，與此同時，將液態CO2槽車中的液態CO2輸入裝置煤、電水浴式汽化器中，汽化成CO2，然后再輸入裝置平衡罐與N2耦合形成惰性耦合氣體，平衡罐出口的耦合氣體輸入井下采空區防火。

耦合氣體防滅火技術工藝流程如圖2。

圖2 耦合氣體防滅火技術工藝流程Fig.2 Process flow of coupled gas fire prevention and extinguishing technology

3 惰性耦合氣體在采空區運移規律數值模擬

用數值模擬的方法分析注耦合氣體參數及各種因素的變化對注耦合氣體惰化效果的影響，確定合理的注耦合氣體參數和灌注耦合氣體位置能使耦合氣流覆蓋整個目標區域，以有效降低區域氧氣濃度[8-13]，找到經濟合理的注耦合氣體方案。

3.1 模型建立

根據大興煤礦南二905 綜采工作面采空區氣體數據，運用Fluent 軟件包建立簡化后的物理模型，南二905 工作面采空區模型如圖3。

圖3 南二905 工作面采空區模型Fig.3 Goaf model of southern No.2 905 working face

該模型以工作面和采空區底面交點為原點，水平向右為x 軸，水平向上為y 軸，豎直向上為z 軸，建立參考坐標系，工作面尺寸為152 m（長）×8 m（寬）×5 m（高），采空區尺寸為400 m×152 m×50 m，運輸巷尺寸為20 m×5 m×5 m，回風巷尺寸為20 m×5 m×5 m，“U”型通風方式，風量為1 200 m3/min，注耦合口φ100 mm。

3.2 不同組份配比條件下采空區氧氣濃度場

在惰性氣體防滅火技術中，N2與CO2可認為是吸附質，而煤就是吸附劑。在防治煤礦火災時，N2的吸熱指標較CO2略強，但其吸熱量不大。因此兩者必須形成最佳配比，才能達到最佳的防滅火效果。工作面注惰性耦合氣體，耦合氣體N2與CO2不同組分配比條件下采空區氧濃度分布云圖如圖4。

圖4 耦合氣體N2 與CO2 不同組分配比條件下采空區氧濃度分布云圖Fig.4 Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different injection coupled inert gas volume conditions

當注耦合惰氣口位置位于運輸巷側采空區距工作面45 m，注耦合惰氣中N2與CO2的比例分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 時，經考察，在N2與CO2比例在3∶1時，采空區進風側高濃度氧氣范圍明顯縮小，氧化帶寬度變窄，提前進入窒息帶。同時，在傾向方向上，采空區中部及采空區回風側的氧化帶由于擴散N2的原因也不同程度的變窄。這是因為該比例耦合氣體注入后，一方面CO2由于比空氣重停留在底部，而N2則由CO2為載體迅速擴散，減小了采空區進風側漏風，使采空區進風側氧化帶范圍減小，另一方面該比例的耦合氣體濃度在惰化空間方面上全面覆蓋，在沿程上稀釋減小了氧氣濃度，惰化采空區的作用更加明顯。

不同注耦合惰氣量條件下采空區氧氣濃度分布曲線如圖5。

圖5 不同注耦合惰氣量條件下采空區氧氣濃度分布曲線Fig.5 Oxygen concentration distribution curves of goaf under different injection coupled inert gas volume conditions

由圖5 可知，當注耦合惰氣口位置位于運輸巷側采空區距工作面45 m，注耦合惰氣中N2與CO2混合比例分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 時，采空區氧化帶范圍（氧濃度10%～18%）在運輸巷一側分別為42～76、5～8、4～8、3～7 m，在回風巷一側分別為14～26、12～22、12～22、11～19 m。由此可得，當注耦合惰氣口位置距工作面45 m，注耦合惰氣N2與CO2比例分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 時，采空區進風側的氧化帶明顯變窄變淺，但這4 種注耦合惰氣量下，N2與CO2混合比例在3∶1 時采空區氧化帶最大程度的縮小，防治遺煤自燃防治效果最佳。

3.3 不同出口位置條件下采空區氧氣濃度場

不同注耦合氣體位置條件下采空區氧氣濃度分布云圖如圖6。

圖6 不同注耦合氣體位置條件下采空區氧氣濃度分布云圖Fig.6 Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different gas injection coupling positions

當注耦合惰氣量為1 400 m3/h，注耦合氣體口位置分別位于運輸巷側采空區距工作面15、45、90 m 時，采空區進風側的氧化帶明顯變窄變淺。但是在傾向方向，采空區中部及回風側的氧化帶卻呈現了不同的變化。隨著注惰性耦合氣體口向采空區深部遷移，采空區氧化帶在淺部采空區的中部及采空區回風側2 個區域逐漸減小。這是因為注耦合氣體口離工作面越近，受漏風風流的影響越大，N2在進風側封堵漏風過程中，N2也隨漏風風流運動并且在淺部采空區的中部和靠近回風側區域擴散；當注耦合氣體口位置較深時，N2的擴散等運動受漏風風流影響較小，同時由于壓差的作用，注入采空區的N2向回風巷方向運動，因此N2能夠在采空區3 個區域都擁有較好的惰化作用。

不同注耦合氣體位置條件下采空區氧氣濃度分布曲線如圖7。由圖7 可知，當不注惰性耦合氣體和注惰性耦合氣體量為1 400 m3/h，注耦合氣體口位置分別位于運輸巷側采空區距工作面15、45、90 m時，采空區氧化帶范圍（氧濃度10%～18%）在運輸巷一側分別為42～76、5～8、13～17、16～20 m，在回風巷一側分別為14～26、12～22、10～18、11～15 m。隨著注惰性耦合氣體口位置向采空區深處遷移，雖然采空區進風側的氧化帶也向深處遷移，但總體仍然靠近工作面，同時氧化帶明顯變窄。采空區回風側氧化帶變化不大，3 種條件下的氧化帶范圍變窄且位置變淺。

3.4 特定條件下惰性耦合氣體運移規律

選擇N2與CO23∶1 的比例進行混合，當注N2與CO2耦合氣體流量為1 200 m3/h 時，注入耦合氣體后采空區N2與CO2分布云圖如圖8。

圖7 不同注耦合氣體位置條件下采空區氧氣濃度分布曲線Fig.7 Oxygen concentration distribution curves in goaf under different gas injection coupling positions

由圖8 可知，惰性耦合氣體開始注入后，不斷摻混采空區內氣體層，CO2密度比空氣大，再加之注入的CO2溫度很低，相對于采空區內的空氣的密度就更大，注入的CO2將會有明顯的沉降，而且會迅速在底分層擴散到采空區內的各個區域，隨著混合距離的增長，CO2動能不斷減小，當CO2不足以提供反抗區內氣體層成層的能量，前鋒和氣體層達到相對平衡狀態，CO2出現停滯現象，因此可知CO2在靠近工作面的附近濃度較大，在采空區的深部濃度較小；N2由于和空氣比重相當，因此混合氣體總的N2由于氣體層不斷上升，CO2會推動N2氣體層下部氣體向上部運移，由CO2做為載體，將推動N2向采空區深部流動，這時就會出現采空區的同一斷面上、下部氣體流動方向相反的現象。隨著采空區內部氣體混合均勻，則耦合氣體會迅速充滿采空區絕大部分空間，達到較好的惰化效果。