基于采空區流場的遺煤自燃危險區域判定及復合惰化技術研究

牛 闊,杜文州,2，王厚旺,張延松,2

(1.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590; 2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

我國是受礦井火災危害最嚴重的國家之一，國有重點煤礦中存在自然發火危險的礦井約占51.3%，而由于煤自燃引起的火災占火災總數的90%以上[1]。在高瓦斯礦井中，采空區火災還會引發瓦斯、煤塵爆炸等耦合災害[2-3]，導致重特大惡性事故的發生。

遺煤自燃大部分都是由于采空區漏風引起的，因此，通過研究采空區流場來判定遺煤自燃危險區域是可行的[4-5]。程衛民等[3]利用三維場重建程序結合空間插值技術，重建出耦合災害危險區域空間立體分布情況，并提取了災害空間參數；鄭忠亞等[6]采用相似模擬實驗、SF6氣體檢測、預埋束管監測，以及數值模擬等方法，綜合分析采空區自燃危險區域，最終判定了危險區域范圍；鄧軍[7]、文虎等[8-10]考慮了浮煤厚度及漏風強度等因素對采空區遺煤自燃危險區域的影響，并推導出注N2位置與N2影響范圍的線性關系式；在采空區防滅火方面，李宗翔等[11]研究得出進風側注CO2的流量與氧化帶寬度呈負指數關系，并最終確定了最佳注惰(惰性氣體)位置；曹凱[12]、司衛彬[13]等提出了上隅角預埋管灌注三相泡沫與下隅角預埋管注氮氣交替實施的防滅火工藝，取得了良好的防滅火效果。目前，對于采空區注惰防滅火的研究大多采用單一惰化氣體，對于復合惰化氣體的研究較少。

筆者通過研究采空區流場來判定采空區遺煤自燃危險區域，分析采空區內遺煤空間分布，利用N2和CO2的不同惰化特性，制訂惰化方案，探究綜放工作面采空區復合惰化技術的防滅火效果。

1 構建采空區數學物理模型

采空區內部可被視為多孔介質，并將采空區內氣體視為理想氣體，滿足氣體狀態方程。采空區內氣體流動遵循質量、動量及能量守恒定律[14-15]；考慮組分輸運問題，還必須遵守組分守恒定律。采空區流場控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的矢量分量；ρ為密度；σ為垂直于計算單元體面的正應力;τ為由于分子黏性作用產生的切向應力；U為速度矢量；Fx、Fy、Fz為作用于整個單元體的體積應力分量,取Fx=0,Fy=-ρgcos 24°,Fz=ρgsin 24°；T為熱力學溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數；ST為黏性耗散項；cs為組分s的質量分數；Ds為組分的擴散系數；Ss為系統以外某組分加入到系統內的生產率。

根據工作面的實際情況，構建如圖1所示的采空區三維模型。

圖1 采空區三維模型

工作面長98.98 m，寬8.0 m，高3.0 m；進風巷寬4.5 m，高3.0 m；回風巷寬4.3 m，高3.0 m；采空區走向長度取200 m，傾向長度取98.98 m，采空區高度取 30 m。煤層傾角24°，進風風量設置為1 131 m3/min，回風口設置為自由出口。

2 采空區遺煤自燃危險區域判定

將模型導入Fluent進行模擬，采空區O2體積分數分布模擬結果如圖2所示。

圖2 采空區O2體積分數立體分布模擬云圖

由圖2可知：沿走向方向，隨著采空區深度的增加，漏風風流很難進入采空區深部，采空區內O2體積分數不斷降低，瓦斯濃度則不斷升高；沿傾向方向，多孔介質中流向回風巷的空氣動量不斷損失，使得采空區內進風側空氣擴散深度高于回風側，呈現出不斷遞減的情況。在不同水平高度上，越靠近采空區頂部，空氣擴散范圍越大，O2體積分數越高。

提取進風巷道附近、采空區中部區域和回風巷道附近O2體積分數數據，如圖3所示。

圖3 采空區O2體積分數分布

根據O2體積分數數據，以O2體積分數7%～18%為氧化帶劃分標準[16-17]，得到(9-15)06工作面采空區氧化帶分布范圍：進風巷側為18～112 m，臨進風巷為16～107 m，臨回風巷為12～78 m，回風巷側為6～34 m。

3 綜放工作面采空區復合惰化技術

3.1 綜放工作面采空區遺煤空間分布

對于傾斜綜放工作面而言，遺煤的空間分布具有特殊性。受工作面傾角的影響，上傾角處遺留頂煤沿下傾角方向垮落、堆積，主要分布在采空區中部區域，而下傾角處遺留頂煤堆積在底部。因此，遺煤主要分布在采空區底部和中部，底部遺煤量較多，頂部遺煤量較少。此外，由于受到煤壁支撐作用的影響，以及放頂煤開采工藝的影響，靠近兩側煤壁的遺留頂煤相對較多，該處的遺煤厚度約為采空區中部的2～3倍[18]。

3.2 共注N2和CO2復合惰化技術優勢

N2和CO2復合惰化技術對煤自燃的惰化作用與單一氣體不同，其惰化效果也不是兩種氣體的簡單疊加。不同氣體在采空區滲流及分布特點不同，對煤自燃惰化特性也不相同。N2密度小于空氣，而CO2密度大于空氣，因此提出了高位壓注CO2和低位壓注N2技術。受到重力場和氣體密度影響，低位的N2逐漸向采空區上部擴散，而高位的CO2逐漸向采空區下部滲透，從而實現對采空區空間全惰氣覆蓋，提高惰化效果。此外，煤對不同物質的吸附能力存在著差異[19-20]，其吸附能力從大到小的排序為 CO2>N2，但是在采空區內注入大量的CO2會導致工作面及回風巷CO2濃度超限。因此，應用復合惰化技術可在不降低注惰防滅火效果的同時，需要有效避免CO2濃度超限，實現2種惰化氣體的功能互補，充分發揮N2和CO2在防滅火方面的優勢及特點。

3.3 復合惰化技術模擬研究

根據遺煤的空間分布規律，考慮惰化氣體特性及煤自燃危險區域，在其進風隅角處布置N2注惰口，在下風側距離回風巷巷幫40 m處布置CO2注惰口，進而形成高位壓注CO2和低位壓注N2的復合惰化技術，采用等比例的方式壓注2種惰氣。在進回風巷及臨近進回風巷33 m處布置4條測線，用于監測采空區內O2體積分數變化情況，結果如圖4所示。

(a)注惰前期

(b)注惰后期

由圖4可見，在復合注惰的前期，受注惰壓力及稀釋效應的影響，進風巷側氧化帶起止深度為17～24 m，進風巷側氧化帶長度為7 m；由于此期間惰氣還未充分擴散，以及注惰使得臨進風巷側漏風量增加，該處氧化帶起止深度為19～82 m，臨回風巷側氧化帶范圍為9～18 m，回風巷側氧化帶范圍為5～43 m。隨著惰氣擴散范圍的不斷增大及注惰口的深入，臨進風巷側區域漏風強度減弱，臨回風巷側氧化帶范圍變為14～73 m。其他各區域氧化帶范圍變化趨于平穩。

為了驗證復合惰化技術和單一氣體惰化技術防滅火效果的優劣，采用單一注N2的方式進行對比實驗。注N2位置布置與復合惰化相同。單一注N2后采空區內O2體積分數變化情況如圖5所示。

(a)單一注惰前期

(b) 單一注惰后期

通過對比圖4、圖5可知，在單一注惰前期，臨進風巷附近O2體積分數偏高，氧化帶范圍較大，回風巷側氧化帶范圍較小。這是由于在回風巷處注入的N2受密度和漏風影響[21]，向采空區回風隅角處擴散所致。隨著注惰氣的延續，其單一注惰效果與復合注惰相比逐漸變差，臨進風巷氧化帶范圍明顯變大。雖然單一壓注N2使得回風巷側氧化帶范圍變小，但采空區遺煤自燃危險區域集中在進風巷側區域。因此復合惰化技術在防止遺煤自燃，提高惰化效果方面更有優勢。

4 工程應用

采用復合注惰方案進行工程試驗，其惰化管路布置與數值模擬中注惰位置一致。同時在進回風隅角、工作面及回風巷道共設置6個測點，用于監測風流中CO及烷烴類氣體濃度。惰化管路及測點布置見圖6，復合注惰期間采空區遺煤防火效果如圖7 所示。

圖6 復合惰化管路及測點布置示意圖

圖7 復合惰化技術現場應用效果圖

由圖7可見，隨著復合注惰的進行，工作面內CO體積分數開始快速降低，在注惰工作開始第3天時，各測點位置CO體積分數都降到2.4×10-5以下。在整個注惰期間CO體積分數均在安全范圍以內，且整個注惰期間未出現C2H4、C2H6氣體析出。同時由于復合惰化技術的優勢，整個注惰過程未出現CO2濃度超限的現象。由此可見，復合惰化技術具有較好的防滅火效果。

5 結論

1)利用Fluent模擬得到(9-15)06綜放工作面采空區流場三維立體圖，并以O2體積分數7%～18%為標準，劃分了采空區氧化帶范圍，判定了遺煤自燃危險區域。

2)通過對上覆巖層及遺留頂煤的研究，分析了上覆巖層及頂煤垮落規律，以及遺煤在采空區內的空間分布規律，在采空區中遺煤厚度從下到上逐漸減小。

3)分析了N2和CO2的惰化特性，結合傾斜工作面特點提出了復合惰化技術，同時進行了對比模擬實驗分析，探究了單一注惰和復合注惰的效果差異，并進行了工程應用。結果表明，傾斜工作面綜放采空區復合惰化技術有著良好的防滅火效果。