低變質煤種綜放面采空區CO產生及運移規律研究

宋慶立,師吉林

(1.國網能源哈密煤電有限公司,新疆 哈密 839000;2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000)

低變質煤種資源儲量占我國煤炭資源儲量的40%以上[1],其主要分布在我國的華北和西北地區,全國97.5%的儲量集中在內蒙、陜西、新疆、甘肅、山西、寧夏6個省(區)[2]。低變質煤種綜放開采過程中,在現場一切正常的常溫條件下,就可產生大量CO氣體,往往導致回風隅角、回風巷等區域出現CO氣體體積分數超過0.002 4%的問題[3-8],部分學者通過研究認為低變質煤種的CO氣體來源于煤層破碎后的低溫氧化[9-14],越來越多的證據支持這一觀點。基于此,采取新疆大南湖一礦3號煤層煤樣,利用實驗室程序升溫試驗,測定煤自燃模擬過程中的CO產生速率,再利用FLUENT軟件模擬綜放開采條件下的CO產生及分布,從而分析開采低變質煤種綜放面采空區的CO產生及運移規律。

1 煤層概況

新疆哈密大南湖一礦3號煤層厚度5.1～9.98 m,平均厚9.1 m,傾角7～10°,上距2號煤層平均36 m,下距5號煤層38 m,結構較復雜,含夾矸1～4層,煤質為褐煤,經鑒定為I類容易自燃煤層,煤塵具有強爆炸性,最短自然發火期為37 d.3號煤層綜放面寬度240 m左右,全部垮落法管理頂板,機采高度3 m,放煤高度6.98 m,采放比約1∶2.3,機采回采率為97%,放煤回采率大于90%,工作面采取全風壓通風方式,配風量1 200 m3/min以上,布置138架支架。

3號煤層綜放面開采過程中回風隅角CO體積分數基本在0.017%左右,回風流內CO體積分數則基本在0.002 8%左右;經過對1301至1307綜放面采空區實測結果分析,3號煤層綜放面采空區自燃三帶寬度進風側散熱帶范圍為0～30 m,氧化帶范圍為30～90 m,窒息帶為超過90 m的采空區深部;回風側散熱帶范圍為0～10 m,氧化帶范圍為10～30 m,窒息帶為超過30 m的采空區區域。

2 煤樣的制備與煤自燃過程CO產生規律模擬實驗

根據GB/T 482-2008《煤層煤樣采取方法》的要求,在大南湖一礦1305、1307兩個工作面采集兩個煤樣,按圓錐縮分法,縮分到1 kg密封后送至煤礦安全技術國家重點實驗室,根據GB/T 474-2008《煤樣的制備方法》的要求,將采集的塊煤利用ZYQM-2全封閉式煤樣粉碎測試裝置充氮隔氧進行破碎,后過80～100目篩網后,取5 g作為煤樣備用。

為模擬3號煤層煤自燃過程中的CO產生規律,在實驗室利用煤自燃程序升溫產氣規律測試系統對3號煤層制備煤樣進行實驗,取1 g制備好的煤樣,置入產氣規律測試系統內的煤樣罐內,實驗條件供氣流量為100 mL/min,升溫速率設置:25～80 ℃階段0.5 ℃/min,80～200 ℃階段1.0 ℃/min,200～300 ℃階段2.0 ℃/min.實驗過程中,每20 min在測試系統出氣口采集測試1次氣樣,分析的氣體種類主要為O2、CO、C2H4、C2H2等,CO產生速率利用式(1)進行處理:

(1)

將實驗數據代入式(1),得到CO產生速率隨溫度的變化曲線(如圖1所示)。

圖1 3號煤層煤樣CO產生速率隨溫度變化曲線

根據實驗結果與式(1)計算不同溫度下CO產生速率,擬合為公式(2):

vCO(T)=1.114 786e0.044 59T-3.227 05

(2)

3 綜放面CO運移規律模擬研究

3.1 建立采空區滲流場數學模型

采空區遺煤屬于多孔介質的范疇,氣體在多孔介質中流動遵守質量守恒、能量守恒及動量守恒定律,并且包含不同組分的混合、傳質,其還必須遵守組分守恒定律,根據能、質守恒定律可以得到采空區CO氣體運移規律的數學方程,結合具體的邊界條件、初始條件,構成了采空區氣體流動的數學模型。已有研究表明:煤自燃過程中CO的產生速率與破碎煤體粒徑及其所處環境內的氧氣體積分數有關,據此可建立采空區氣體滲流場與氣體組分場數學模型,如式(3):

(3)

在正常開采過程中,采空區煤體自燃的發展非常緩慢,可將工作面采空區的滲流速度場和CO體積分數場近似看成穩態。為了進一步了解采空區CO運移規律,可采用Gambit對工作面采空區三維物理模型建立幾何結構并進行網格劃分,然后利用Fluent的求解器對采空區內部滲流速度場及CO體積分數場進行計算,得出其運移規律。

3.2 建立采空區幾何模型

3號煤層綜放面傾向斜長約240 m,工作面兩巷約5 m不放頂煤,煤層平均厚為9.8 m,采高為3 m,放煤為6.8 m.根據機采回采率為97%,放煤回采率大于90%可計算得到,采空區放煤區域破碎煤體厚度為0.79 m,不放煤區域破碎煤體厚度則為7 m,破碎煤體底部平均粒徑為0.15 m.經現場實測,工作面支架后部刮板輸送機區域存在與工作面等寬的呈條帶分布的三角形堆煤,積煤底部寬度為1.53 m,高度為0.89 m,堆煤平均粒徑為0.012 m.

發生滲流的區域主要在采空區進、回風巷道之間,煤層底板以上30 m高(冒落帶高度取3倍采厚)的范圍內。沿工作面走向上距工作面一定距離后,承受礦壓相差不大,空隙率及滲流阻力等影響自燃的因素變化也不大,趨于一個定值,故在考慮數值計算強度的條件下,選取從工作面到采空區100 m深處的范圍作為計算區域的長度。該工作面傾向斜長約240 m,兩巷寬度各5 m,因此選取250 m的范圍作為計算區域的寬度。采用非結構化網格,工作面采空區和兩巷采空區內遺煤步長0.2 m,采空區頂部巖體步長1 m,工作面及兩巷步長0.5 m,工作面采空區物理模型如圖2所示。

圖2 3號煤層綜放面采空區物理模型

3.3 物性參數及邊界條件

3.3.1 物性參數

為保證模擬結果的準確性,對現場破碎煤體分布區域的溫度進行了實測,其中3號煤層工作面采空區(1301面至1307面)散熱帶區域破碎煤巖體溫度范圍在24～28 ℃之間,均值26 ℃;氧化帶區域內的破碎煤巖體的溫度范圍為26～29 ℃,均值27.5 ℃;工作面風溫在20 ℃左右;后部刮板輸送機機尾電機及減速機對應區域(對應支架136號～138號支架)堆積碎煤溫度最高,在27～63 ℃之間,平均45 ℃,除該區域外的其他工作面后部刮板輸送機附近集聚的破碎煤體溫度范圍為25～27 ℃,平均26 ℃.因此,計算區域基本物性參數取值為:除后部刮板輸送機機尾電機及減速機區域設置溫度為45 ℃外,模型其余區域溫度為定值27 ℃,松散煤體空隙率k=0.2～0.3,松散煤體的平均粒徑取20 mm.松散煤體、巖石、空氣的基本物性參數如表1所示。

表1 基本物性參數取值

采空區不同深度的滲透系數為:

3.3.2 邊界條件

建立的工作面采空區滲流模型的邊界條件包括工作面風流的壓力及CO體積分數和其余表面,在模型中可將其余表面近似看成壁面,氣體不能通過它進行滲透,則工作面采空區滲流、擴散模型的邊界條件如下:

壁面上:體積流量Q=0;暴露面:工作面是暴露面,其斷面面積基本上保持不變。風流在邊界層外為紊流狀態,由于流體層間的摩擦和流體與煤壁之間的摩擦形成摩擦阻力,造成流體壓能損失ΔP.設工作面摩擦風阻為R,巷道通風流量為Q,則存在以下關系:

ΔP=RQ2

假定工作面基本水平、各處斷面面積基本相等、工作面比較光滑,故可認為工作面摩擦風阻R與長度成正比。通過測定工作面各點風量及工作面兩端壓差,代入上式即可計算出工作面壓力分布。工作面在進風巷口設置為速度入口,風量設置為1 600 m3/min,回風巷口設置為自由流。工作面初始CO體積分數為0%.

3.3.3 邊界設定

數學模型建立后,對邊界條件的設置均采用Fluent中的用戶自定義函數(UDF)進行設定,包括工作面采空區滲透系數倒數、空隙率、計算區域內氧氣的消耗速率和CO氣體的產生速率及它們的質量濃度的設定,對于其他的表面均設定為壁面。

3.4 采空區CO運移規律數值模擬

采用Fluent流體軟件對1307工作面采空區的CO分布模型進行數值求解,計算過程中主要以常溫條件下27 ℃時采空區CO分布為模擬對象,經過500多次迭代,迭代殘差的數量級均達到10-4,且迭代殘差趨于穩定,可認為求解結果已經收斂。

根據計算結果,為了掌握正常開采期間采空區內CO的立體分布規律,分別在距離底板0.5 m、1.5 m高的位置截取了2張CO分布平面刨面圖,并截取1.5 m高處O2體積分數平面剖面圖,分別如圖3～圖5所示。

圖3 采空區Z=0.5 m高度處CO體積分數分布

圖4 采空區Z=1.5 m高度處CO體積分數分布

圖5 采空區Z=1.5 m高度處O2體積分數分布

通過對各圖進行綜合分析可以得到以下結論:

1) 模擬結果表明,在距離底板1.5 m高的采空區回風側O2體積分數<15%的位置距工作面約9 m,O2體積分數<5%時距工作面約27 m,進風側對應位置分別為32 m和86 m,中部采空區則為0 m和10 m.一般散熱帶為O2體積分數>15%區域,窒息帶為O2體積分數<5%區域,兩者間為氧化帶,則根據模擬結果可得3號煤層綜放面采空區自燃三帶范圍,見表1,表1表明模擬結果與礦井實測的結果基本符合。

表1 采空區自燃三帶區域劃分

2) 從圖3和圖4可以看出,采空區CO體積分數隨進入采空區距離呈現先增加后降低的變化規律,其中整個工作面的進風側(包括采空區)CO體積分數遠低于回風側,CO體積分數最大區域靠近采空區回風側,與后部刮板輸送機對應區域基本平行,距離工作面17～21 m,最高濃度接近0.09%;采空區中部CO體積分數最高區域與工作面距離約7 m,最高濃度達0.06%以上;采空區進風側CO體積分數最高濃度在0.005 3%左右,最高濃度位置與工作面距離約30 m.進入窒息帶后,采空區CO體積分數迅速降低至不足0.004%.

3) 從模擬結果看,回風隅角區域內CO體積分數達0.017%左右,工作面后部刮板輸送機區域CO體積分數亦較高。沿工作面傾向,工作面后部刮板輸送機區域CO體積分數自進風側至回風側從0逐步升高,距進風巷90 m左右開始,CO體積分數達0.002 4%以上,與回風隅角緊挨的后部刮板輸送機電機及減速機區域CO體積分數最高。模擬結果表明,該區域內的CO最大體積分數0.036%以上,遠高于回風隅角內CO體積分數;回風流內CO體積分數在0.002 8%左右。

4) 從模擬結果看,工作面回風隅角內CO體積分數最高值遠低于回風側采空區內的CO氣體體積分數值最高。為進一步分析模擬結果,在工作面回風隅角進行風量實測,結果表明回風隅角過風量均值在251.31 m3/min.已有研究表明,采空區氧化帶漏風強度為0.1～0.24,考慮垮冒帶高度作為斷面高度,則氧化帶平均過風量為28.85 m3/min,氧化帶CO最大體積分數接近0.09%,最小體積分數0.004%,取平均值0.047%,則模擬所得的回風隅角CO氣體來源于采空區CO氣體的濃度采用公式(4)計算:

(4)

將上述數據代入式(4),可計算得到回風隅角內來源于采空區CO氣體的體積分數為0.005 4%,故可得回風隅角內CO體積分數的32%來源于采空區,剩余的68%則來源于后部刮板輸送機破碎煤體的氧化。這一結論與傳統認識差別較大,這也提示在后續治理低變質煤種開采過程中出現CO超限問題時,不僅要治理采空區,還必須將重心放在治理支架后部刮板輸送機區域堆煤氧化產生CO上。

5) 將模擬結果與3號煤層綜放面正常回采時期進行對比驗證,采空區自燃三帶范圍、回風隅角內CO體積分數均與實測結果較為符合,因此,模擬結果具備參考價值。

4 結 語

通過實驗室實驗得到CO產生速率基礎數據,根據現場實際建立數值模擬實驗,其模擬結果與現場符合性較好,得到以下結論:

1) 采空區內CO體積分數隨與工作面距離的增加呈先升高后降低的變化規律,不同區域CO最高濃度位置與工作面距離不同,支架后部刮板輸送機區域CO體積分數從進風向回風CO體積分數逐步升高,工作面回風側CO體積分數總體上遠大于進風側。

2) 工作面整個區域內采空區內的CO體積分數最高,其次為后部刮板輸送機電機及減速機區域,而后為回風隅角區域,但采空區并非是工作面、回風隅角、回風巷等區域CO的主要來源。

3) 3號煤層綜放面回風隅角內CO氣體來源于采空區的占比為32%,剩余的68%則來源于后部刮板輸送機區域堆煤的氧化。