姚橋煤礦采空區(qū)CO2防滅火的數(shù)值模擬分析

[摘 要]本文為了有效杜絕姚橋煤礦7706工作面采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的事故，利用數(shù)值模擬分析的方法，建立了一組采空區(qū)壓注CO2氣體情況下的二維數(shù)值模型，合理分析了7706工作面采空區(qū)“三帶”的分布規(guī)律，根據(jù)實際情況說明了壓注CO2氣體防滅火的有效性。結果表明：向工作面采空區(qū)壓注CO2防滅火氣體，可以有效降低采空區(qū)的氧氣體積分數(shù)，抑制采空區(qū)煤炭自燃。

[關鍵詞]自然發(fā)火；數(shù)值模擬；CO2

中圖分類號：TD75+3.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）18-0253-02

0引言

礦井火災是礦井生產(chǎn)工作中面臨的主要災害之一，我國每年都會發(fā)生多起井下火災事故，損壞電氣設備甚至造成人員傷亡，給礦井的正常生產(chǎn)工作帶來巨大的安全隱患[1]。因此，治理礦井火災尤其是采空區(qū)煤炭自然發(fā)火事故已成為研究礦山安全生產(chǎn)領域的重要組成部分。

1 概況

7706綜采放頂煤工作面位于東六采區(qū)，7、8#煤層聯(lián)采，自燃傾向等級為Π類，煤層為自然煤層。工作面走向長度1285m，傾向長度：189m，煤層傾角：（1-17）/11°，煤層厚度為8m，設計采高8m，回采率85%。由于7706工作面煤層厚度大，推進速度慢，且有大量的煤炭遺落至采空區(qū)。因此，7706工作面面臨較為嚴重的防滅火形勢。

目前，國內外學者就采空區(qū)煤炭自燃提出了一系列的解決方案，包括注漿、壓注惰性氣體、壓注三相泡沫、均壓、壓注凝膠等方式[2]。由于7706工作面大角度俯采、推進速度慢等客觀現(xiàn)實，采用CO2惰性氣體防滅火成為較為可行的方案[3]。

2 采空區(qū)壓注CO2數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

本文根據(jù)工作面的實際情況，利用Gambit軟件建立采空區(qū)數(shù)值模擬的模型，如圖1所示。工作面采用“U”型通風方式，傾向長189m，模擬空間為距工作面縱深300m的采空區(qū)范圍內。

在建立幾何模型之后，對模型進行網(wǎng)絡劃分、邊界條件設定。設定條件為工作面入口風量1500m3/min，由進風隅角向采空區(qū)漏風，采空區(qū)內孔隙率設定為0.3。設定完各項參數(shù)后，對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.2 數(shù)值模擬

將模型導入Fluent數(shù)值模擬軟件，根據(jù)已設定的邊界

參數(shù)，進行數(shù)值模擬工作。

模擬方案如下：

（1） 工作面正常生產(chǎn)情況下，模擬采空區(qū)漏風并分析氧氣體積分數(shù)分布區(qū)域，大致判斷出采空區(qū)“三帶”分布情況，如圖3所示。

⑵根據(jù)模擬出的采空區(qū)“三帶”分布，確定CO2氣體釋放口的布置點為距進風隅角70m處。

⑶分析壓注CO2氣體對采空區(qū)氧氣體積分數(shù)的影響，進而分析壓注惰性氣體抑制采空區(qū)煤炭氧化反應的效果，如圖4所示。

2.3 模擬效果分析

根據(jù)模擬結果可以看出：

（1） 風流由進風巷流入工作面，沿工作面進風隅角滲入采空區(qū)，自采空區(qū)沿回風隅角滲出采空區(qū)。

（2） 模擬結果表明，在未壓注CO2氣體的情況下，工作面風流最遠可滲入采空區(qū)約180m處。而根據(jù)最常用的采空區(qū)“三帶”劃分指標，由圖3中看出，采空區(qū)內的氧化帶寬度約為30m，冷卻帶的范圍較大。

⑶從圖4中可以看出，壓注CO2氣體后，采空區(qū)內的氧氣體積分數(shù)分布發(fā)生明顯的變化，氧化帶、冷卻帶的被大幅壓縮，約為采空區(qū)內90米處，窒息帶的范圍有明顯的擴大。

⑷通過模擬可以說明，采空區(qū)壓注CO2惰性氣體可

以明顯降低采空區(qū)氧氣含量，如圖5所示。抑制了采空區(qū)遺煤氧化，保證工作面安全生產(chǎn)。

3 現(xiàn)場實際應用

7706工作面自2013年11月正式回采，日推進度約2.4m，由于煤層厚，日推進速度較慢，有大量煤炭遺落至采空區(qū)。因此，根據(jù)7706工作面的實際情況，于進風巷埋設4寸防滅火管路，隨采隨埋，保證管路釋放口位置在采空區(qū)氧化帶內?；仫L巷埋設束管監(jiān)測系統(tǒng)，保證取得真實的采空區(qū)氣體數(shù)據(jù)。

經(jīng)過連續(xù)多日的觀察，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內及回風隅角的CO氣體濃度不斷上升，且采空區(qū)內的氧氣體積分數(shù)有下降趨勢。可以判斷采空區(qū)內煤炭正進行氧化反應，消耗大量O2并生成CO氣體。根據(jù)實際情況，于14日早班向采空區(qū)內壓注CO2惰性氣體。連續(xù)壓注兩天，共20噸。壓注前、后的氣體情況如圖6所示。

可以看出，壓注CO2氣體后，采空區(qū)內CO有明顯的下降趨勢，有效地抑制了采空區(qū)內煤炭自然發(fā)火的趨勢。

4 結論

（1） 壓注CO2惰性氣體對抑制采空區(qū)煤炭自燃是有顯著效果的。

（2） 壓注CO2惰性氣體可以大幅度地壓縮采空區(qū)內氧化帶的范圍，尤其是進風巷區(qū)域的氧化帶壓縮更為明顯。

（3） 壓注釋放口應選在氧化帶內，這樣抑制煤炭氧化效果最好，且可以大大減少采空區(qū)的漏風量。

參考文獻：

[1] 王德明.礦井火災學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社.2008.

[2] 王國旗，鄧軍，張辛亥.綜放采空區(qū)二氧化碳防滅火

參數(shù)確定[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版， 2009， 28（2）：169-172.

[3] 李宗翔，單龍彪，張文君.采空區(qū)開區(qū)注二氧化碳防滅火的數(shù)值模擬研究[J].湖南科技大學學報（自然科學版）， 2004，19（3）：5-9.

[4] 王俊峰，李有忠.注二氧化碳防火時采空區(qū)氣體變化與“三帶”分布狀況的檢測[J].太原理工大學學報， 2000， 31（6）：638-641.

[5] 張辛亥，劉燦，周金生，等.綜放面采空區(qū)流場模擬及自燃危險區(qū)域劃分[J].西安科技大學學報，2006，26（1）：6-9.

[6] 譚允禎，張東儉等.綜采放頂煤工作面采空區(qū)自燃區(qū)的劃分[J].山東科技大學學報（自然科學版），2001，21（1）：69～71.

作者簡介

姜二龍（1981.03.15），男，漢族，江蘇沛縣人，大學文化，助理工程師，現(xiàn)從事大屯煤電公司姚橋煤礦“一通三防”工作。