地面鉆井抽采下的高瓦斯采空區(qū)注氮防滅火研究

羅新榮，李亞偉，丁　振

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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地面鉆井抽采下的高瓦斯采空區(qū)注氮防滅火研究

羅新榮，李亞偉，丁振

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

高瓦斯易自燃煤層的瓦斯治理與防滅火是理論與技術(shù)難題。模擬研究綜采工作面采空區(qū)在地面鉆井抽采條件下注氮防滅火的適用性，根據(jù)某礦綜采工作面的實際條件，采用Fluent軟件建立并開發(fā)相應(yīng)的CFD模型。針對采空區(qū)的非均性，對采空區(qū)內(nèi)滲透率、遺煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的范圍進(jìn)行重新界定，編制自定義函數(shù)；模擬不同抽采量和不同注氮形式下采空區(qū)內(nèi)溫度場變化。結(jié)果表明：地面鉆井抽采使高溫區(qū)的范圍在采空區(qū)的四周增大，抽放口附近溫度明顯升高；工作面后20 m處注氮只能抑制或降低注氮口附近的溫度，提高注氮量在一定程度上起到降溫作用，但氮氣利用率低；深部(工作面后100～200 m)注氮可以很好地抑制采空區(qū)溫度升高，配合工作面推進(jìn)速度可以達(dá)到防滅火的目的。

瓦斯;滲透率； 注氮量； 溫度場； 抽采量

0　引　言

目前，針對采空區(qū)自燃的預(yù)防及控制措施包括注氮、凝膠阻化劑、封堵漏風(fēng)通道、均壓滅火，以及加快工作面推進(jìn)速度等[1-4]。其中，注氮是一種被廣泛應(yīng)用較成熟的防滅火技術(shù)，通過向采空區(qū)注入一定量的惰性氣體破壞供氧條件，在不改變生產(chǎn)進(jìn)度和外部風(fēng)量的情況下縮小自熱升溫帶的范圍，減少煤自燃的幾率[5]。近年來，模擬采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)在國內(nèi)外已有不少成功實例，并日漸成熟。李宗翔等[6-7]基于非均質(zhì)漏風(fēng)滲流方程、氣體滲流-擴(kuò)散方程和多孔介質(zhì)滲流綜合方程進(jìn)行模擬研究。楊勝強(qiáng)等[8-9]利用Fluent軟件，對采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)值模擬，證明采空區(qū)自燃是一個氧熱微循環(huán)過程。時國慶等[10-11]通過對采空區(qū)滲流場的數(shù)值模擬得到采空區(qū)滲流速度及氧氣濃度的分布。在國外，澳大利亞學(xué)者Ren等[12]利用CFD商業(yè)軟件，詳細(xì)研究了采空區(qū)瓦斯運(yùn)移與采空區(qū)煤自燃發(fā)火控制問題，并取得豐富的成果。美國學(xué)者Yuan等[13]利用CFD模型研究了采空區(qū)漏風(fēng)流場，并以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)通風(fēng)設(shè)計，控制瓦斯和遺煤的自燃發(fā)火。但是，國內(nèi)外對采空區(qū)裂隙發(fā)育非均勻性，導(dǎo)致的流場、瓦斯場及溫度場的變化文獻(xiàn)不多，為此，筆者選擇了某高瓦斯礦區(qū)的綜采工作面。根據(jù)開采煤層的實際地質(zhì)參數(shù)，建立采空區(qū)三維CFD模型，開發(fā)非均勻采空區(qū)滲透率、孔隙率隨空間變化的自定義函數(shù)，界定采空區(qū)遺煤氧化反應(yīng)的范圍。在地面鉆井抽采流量不同的情況下，向工作面采空區(qū)進(jìn)行不同形式的注氮，模擬采空區(qū)溫度場、氧氣濃度的情況。將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測進(jìn)行比較，以期為礦井采空區(qū)防滅火提供理論與方法借鑒。

1　模擬采空區(qū)注氮防滅火的數(shù)學(xué)模型

CFD模擬采空區(qū)注氮防滅火的基礎(chǔ)是建立在Navier-Stokes方程之上。這是一組描述流體守恒定律的偏微分方程，采空區(qū)氣體流動須遵守質(zhì)量方程、動量方程、能量方程及組分方程[14]。

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ——密度；

t——時間；

v——滲流速度；

Sm——源項。

用戶通過自定義函數(shù)將采空區(qū)的瓦斯源添加到連續(xù)項的質(zhì)量流。

(2)動量方程

(2)

式中：p——靜壓力,

τ——應(yīng)力張量；

ρ·g——重力；

SF——多孔介質(zhì)中的動量損失源項，因流體在多孔介質(zhì)中流動而形成，由黏性損失和慣性損失兩部分組成。

(3)組分質(zhì)量方程

(3)

式中：wi——氣體組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Ji——組分i的擴(kuò)散通量;

Qi——組分i的增減源項。

(4)能量方程

(4)

式中：T——熱力學(xué)溫度；

κ——采空區(qū)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；

cp——比熱容；

ST——能量損失源項。

由于采空區(qū)內(nèi)的氧氣與煤體之間有氧化反應(yīng)，因此，

ST=vO2Q，

(5)

式中：vO2——采空區(qū)內(nèi)的耗氧速率；

Q——煤每消耗 氧氣所放出的熱量。

vO2=φ(O2)nAexp(-E/RT)，

(6)

式中：φ(O2)——組分氣體氧氣的體積分?jǐn)?shù)；

n——常數(shù)，取值0.5～1.0；

A——指前因子；

E——反應(yīng)活化能；

R——氣體常數(shù)。

運(yùn)用上述控制方程，建立幾何模型，選擇相應(yīng)的求解設(shè)置，給出物質(zhì)屬性和邊界條件，通過數(shù)值方法進(jìn)行解算，便可以得到采空區(qū)內(nèi)各氣體運(yùn)移與溫度分布的解。

2　CFD模型的建立與模擬

2.1采空區(qū)注氮防滅火CFD模型的建立

該礦區(qū)13-1主采煤層具有很強(qiáng)的突出危險性，且其透氣性系數(shù)低，預(yù)抽困難，因而通過開采保護(hù)層11-2煤層來作為13-1煤層區(qū)域性防突措施。11-2煤層屬于高瓦斯煤層，在該礦全區(qū)廣泛分布，煤層埋藏深度700～800 m，平均煤層厚度3.0 m，煤層傾角0～8°，由西向東趨緩。煤層形態(tài)屬于較復(fù)雜類型。兩煤層之間的其他巖層地質(zhì)條件如表1所示。

表1煤巖層地質(zhì)條件及平均厚度

Table 1Geological condition and average thickness of coal and rock

地層系統(tǒng)界系統(tǒng)組巖石類型Σd/md-/m古生界二疊系上統(tǒng)上石河子組泥巖40.81.813-1煤層46.15.3泥巖51.85.712煤層52.20.4砂質(zhì)泥巖59.77.5花斑泥巖62.42.7砂質(zhì)泥巖65.73.3細(xì)砂巖70.64.9花斑泥巖76.55.9砂質(zhì)泥巖106.029.5細(xì)砂巖109.43.4砂質(zhì)泥巖114.45.011-3煤層114.80.4泥巖121.46.611-2煤層124.23.0砂質(zhì)泥巖130.46.0

模擬工作面為下保護(hù)層11-2煤層綜采工作面，工作面傾斜長200 m，工作面推進(jìn)長度1 860 m，平均厚3.0 m?；夭善陂g平均日推進(jìn)度4.0 m，瓦斯質(zhì)量體積約6.2 m3/t。采用全負(fù)壓U形通風(fēng)，配風(fēng)量2 160 m3/min。采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出來源主要有采煤工作面、采空區(qū)遺煤、鄰近煤巖層，綜合涌出量為50 m3/min。采空區(qū)涌出氣體中瓦斯占95%以上，氣體涌出源項近似看成100%CH4。

根據(jù)現(xiàn)場綜采工作面的基本情況，建立三維CFD模型，并進(jìn)行解算。表2給出工作面CFD模型基本參數(shù)及邊界條件。

表2綜采工作面CFD模型基本參數(shù)及邊界條件

Table 2Basic parameters and boundary conditions of CFD modeling in working face

模型參數(shù)數(shù)值采空區(qū)工作面巷道長400m,寬200m寬4m,高3m模型20m,包括底板上方采空區(qū)冒落帶13m,斷裂帶7m煤層傾角8°,由西向東趨緩?fù)L(fēng)方式和風(fēng)量“U”形通風(fēng),風(fēng)量2160m3/min采空區(qū)瓦斯涌出量50m3/min采空區(qū)氣體涌出源項100%CH4地面鉆孔地面瓦斯抽采鉆孔1個,距開切眼120m,距回風(fēng)側(cè)50m,深部注氮鉆孔2個,距工作面分別是100m和200m,距進(jìn)風(fēng)側(cè)50m

網(wǎng)格劃分利用ICEM CFD15.0采用六面體網(wǎng)格劃分，在進(jìn)回風(fēng)巷、工作面、地面鉆孔及注氮口處采用局部網(wǎng)格加密的方法提高模擬精度，模型總劃分網(wǎng)格272 215個。模型幾何特征和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

a　幾何特征

b　計算網(wǎng)格

2.2采空區(qū)注氮防滅火CFD模型的模擬

文獻(xiàn)[15-16]實驗結(jié)果見圖2。圖2表明，在煤層開采過程中，采空區(qū)滲透率會隨著采空區(qū)孔隙、裂隙的發(fā)育演變而發(fā)生變化。在工作面開采前期，采空區(qū)內(nèi)的裂隙發(fā)育會隨著頂板的垮落而急劇增加。隨著工作面的不斷推進(jìn)、頂板的繼續(xù)垮落，在上覆巖層應(yīng)力作用下距離工作面一定距離的采空區(qū)中部逐漸壓實而變得最為緊密，與此同時，采空區(qū)滲透率同樣發(fā)生著從急劇增大到逐漸減小的變化。但在采空區(qū)的四周區(qū)域，由于有著工作面和周圍煤壁的支撐作用，所以在采空區(qū)四周上覆巖層中會形成穩(wěn)定的裂隙發(fā)育區(qū)，具有較高的滲透率并且富集游離態(tài)瓦斯，其范圍大小隨煤層地質(zhì)條件的不同而變化，是瓦斯流動和高效抽采的區(qū)域。

a　煤層基本頂初次垮落

b　煤層基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷?/p>

c　煤層工作面推進(jìn)180 m

d　煤層工作面推進(jìn)190 m

Edwards 和 Ediz利用有限元技術(shù)，通過對采場應(yīng)力的分析并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的校正，得出采空區(qū)的滲透率沿走向和傾向符合正切雙曲線分布規(guī)律，在采空區(qū)四周有較高的滲透率[17]。工作面推進(jìn)一段距離后，采空區(qū)上覆巖石會依次經(jīng)歷垮落、逐漸壓實和穩(wěn)定的過程，其滲透率也會逐步降低。沿采空區(qū)走向范圍，從工作面到中間壓實區(qū)，其碎脹系數(shù)符合以下分布規(guī)律[18]：

(7)

α——衰減系數(shù)，取0.015～1.000 m；

x——沿走向距離工作面的距離，m。

采空區(qū)孔隙率ε與碎脹系數(shù)具有關(guān)系[19]：

(8)

采空區(qū)滲透率α的大小滿足Blake-Kozeny公式[19]

(9)

式中：Dp——冒落帶巖塊直徑，沿采空區(qū)走向取值0.11～0.3 m。

由式(8)和(9)計算得出采空區(qū)孔隙率分布范圍0.03%～0.38%，滲透率大小為2.3×10-9～8.5×10-4m2。結(jié)合礦井資料與實測數(shù)據(jù)，并考慮到采空區(qū)“O”型圈漏風(fēng)通道和環(huán)形裂隙體的存在，經(jīng)過對滲透率進(jìn)行校正，最終確定其大小為1.0×10-9～1.0×10-3m-2，其空間分布，如圖3所示。

圖3　采空區(qū)滲透率分布

由于采空區(qū)四周是漏風(fēng)的主要通道，也是遺煤發(fā)生氧化反應(yīng)的主要場所[19]。為了使模擬的結(jié)果更加接近實際，對采空區(qū)內(nèi)遺煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的范圍進(jìn)行重新界定。遺煤在不同范圍內(nèi)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量QR滿足以下分段函數(shù)：

(10)

式中:Q——煤每消耗1 mol氧氣所產(chǎn)生的熱量。

采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出源分布參考自定義函數(shù)進(jìn)行編譯[20]。

Sm=QCH4×(1.5-x/L)，

(11)

式中：QCH4——工作面采空區(qū)瓦斯涌出量；

L——采空區(qū)的走向長度；

X——測點距工作面的距離。

將采空區(qū)的三維滲透率、能量源項和瓦斯涌出源項采用C++語言程序來編寫，然后通過圖形用戶面板與Fluent的求解器進(jìn)行連接。文中采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，不僅因為該模型模擬功能強(qiáng)大、高效，具有合理的精度，還因為它在進(jìn)行計算時比較穩(wěn)定，殘差曲線不會出現(xiàn)大范圍的振蕩[21]。

3　模擬結(jié)果與分析

3.1地面鉆井瓦斯抽采條件下注氮方式優(yōu)化

在地面鉆井抽采下，采空區(qū)瓦斯大量減少，但風(fēng)流中的氧氣在漏風(fēng)的作用下不斷涌入采空區(qū)深部，采空區(qū)四周的遺煤等危險源與氧氣長時間接觸而氧化產(chǎn)生大量的熱量，積聚的熱量加速了煤溫的上升，達(dá)到煤的自燃發(fā)火點后開始自燃。因此，瓦斯的抽采使氧化帶的范圍變大，采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃的危險性升高。CFD數(shù)值模擬可以很好地反映出不同抽采條件下采空區(qū)溫度場的分布，依據(jù)模擬結(jié)果采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防滅火工作。圖4給出綜采面采空區(qū)在地面鉆井抽采流量為9、15 m3/min兩種狀態(tài)下溫度場的分布。

由圖4可見，其一，地面鉆井瓦斯抽采促使采空區(qū)氧化帶的范圍變大，隨著抽采流量的增加，溫度在采空區(qū)四周明顯升高。當(dāng)抽采流量為15 m3/min時，遺煤與氧氣氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量開始向地面鉆孔附近聚集，此時鉆孔周圍的溫度有所升高。其二，地面鉆井瓦斯抽采促使采空區(qū)豎直方向上的溫度也相應(yīng)升高，而且開切眼上方的溫度相對于未抽采的情況增加了5～6 ℃。地面鉆井瓦斯的抽采使采空區(qū)遺煤自燃的可能性升高。為了防止自燃事故的發(fā)生，在瓦斯抽采的同時向采空。

防止采空區(qū)遺煤自燃，常用的方法是在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)工作面后20 m處進(jìn)行注氮，通過減少氧化帶的范圍來降低自燃發(fā)火的危險性[22]。CFD模型可以用來分析不同注氮量、不同注氮形式下的注氮效果，為采空區(qū)防滅火工作提供最優(yōu)的途徑。在地面鉆井抽采瓦斯條件下，傳統(tǒng)的注氮方式在防滅火效果上并不是很理想，低注氮量只能降低注氮口附近的溫度，高注氮量雖然能起到一定的降溫作用，但氮氣利用率低，費用高。為了更好地做到注氮防滅火，通過改變注氮位置來提高注氮效率。在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置兩處注氮鉆孔zd1、zd2，距工作面距離分別為100、200 m，距進(jìn)風(fēng)巷煤壁50 m。在地面鉆孔抽采流量為15 m3/min的情況下，觀察不同注氮形式下防滅火的效果。同時在距離工作面20 m處注氮口注氮量為2 400 m3/h、地面鉆孔抽采流量為15 m3/min的情況下，比較采空區(qū)溫度場的變化情況，如圖5所示。

a　未抽采　　　b　瓦斯抽采流量9 m3/min

c　瓦斯抽采流量9 m3/min　　d　瓦斯抽采流量15 m3/min

Fig.4Temperature field distribution under different pumping flow rate of ground drilling in gob

由圖5b可以看出，采空區(qū)20 m處注氮量為2 400 m3/h時，注氮只能降低鉆孔附近一定范圍的溫度，而且范圍(0～40 m)有限。沿開切眼走向的高溫帶(42～44 ℃)的范圍并沒有減小。在實際工程中時常出現(xiàn)注氮后仍然發(fā)生自燃的情況，這與氮氣的作用范圍、采空區(qū)的漏風(fēng)情況、地面鉆井的抽采強(qiáng)度有關(guān)。

a　未抽采、未注氮　　　　　b　未注氮

圖5　抽采流量15 m3/h時不同注氮方式的溫度場

Fig.5Pumping flow rate 15 m3/h,temperature field of different nitrogen injection mode

地面鉆井抽采流量為15 m3/min時，在工作面后100～200 m的深部注氮比在工作面后20 m處注氮的效果要好。同一注氮流量下，不同的注氮位置在抑制熱量往采空區(qū)深部流動方面也不同，zd2的注氮效果比zd1要好，但由于注氮孔距工作面較遠(yuǎn)，相比于zd1進(jìn)風(fēng)側(cè)靠近工作面的高溫范圍有所增加。深部聯(lián)合注氮的效果比單一孔注氮的效果要好。采空區(qū)深部注氮雖然能很好地抑制氧化帶的范圍，但在靠近工作面附近仍有熱量集聚，需配合工作面推進(jìn)速度才能達(dá)到防滅火的目的。

3.2模型驗證可行性分析

為了更好驗證模擬結(jié)果的可靠性，對考察的綜采工作面采空區(qū)的實測溫度、氧氣分布進(jìn)行對比分析?？疾旃ぷ髅娌煽諈^(qū)布置兩個監(jiān)測點(圖6)，1號監(jiān)測點位于采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)貼幫，伸入采空區(qū)1.5 m；2號監(jiān)測點距1號監(jiān)測點10 m，伸入采空區(qū)約0.2 m。檢測工作面推進(jìn)后，不同采空區(qū)深度的溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，見圖7。

圖6　采空區(qū)測點布置

a　溫度

b　氧氣體積分?jǐn)?shù)

Fig.7Simulation and experimental analysis of oxygen concentration and temperature in gob

由圖7可以看出，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著測點距工作面距離的增加逐漸降低，溫度隨著測點距離的增加而逐漸升高。模擬曲線與實測曲線在走勢上基本一致，以此為基礎(chǔ)的其他模擬結(jié)果具有可行性。

4　結(jié)　論

(1)針對采空區(qū)的非均性，對采空區(qū)內(nèi)滲透率、遺煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)的范圍重新界定，編制了自定義函數(shù)。模擬結(jié)果更符合實際。

(2)地面鉆井瓦斯的抽采，使得采空區(qū)四周和抽放口附近溫度明顯升高。在工作面后20 m處注氮僅能在注氮口附近取得較好的降溫效果，遠(yuǎn)離注氮口的回風(fēng)側(cè)附近溫度依然很高。加大注氮量對采空區(qū)四周的溫度起到一定的抑制或降低。采空區(qū)深部鉆孔注氮(工作面后100～200 m)可以抑制氧氣涌入采空區(qū)深部，縮小高溫帶的范圍，多鉆孔聯(lián)合注氮的防滅火效果比單鉆孔好。

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(編輯徐巖)

Research on nitrogen injection and fire prevention in high gas mining area under ground drilling

LUO Xinrong,LI Yawei,DING Zhen

(School of Safety Engineering,China University of Mining &Technology,Xuzhou 221116，China)

Gas management and fire prevention in high gassy and inflammable coal seam is a notorious theoretical and technical problem.This problem is addressed by investigating the applicability of preventing and extinguishing fire using nitrogen injection,when it comes to surface drilling and drainage conditions in fully mechanized working face goaf;developing corresponding CFD models using Fluent software based on the actual conditions of fully mechanized working face in a coal mine;defining residual coal and oxygen oxidation reaction in goaf in response to the non homogeneity of mined out area,the range of permeability;and simulating the change of temperature filed in gob under different extraction conditions and different injection rates.The simulation shows that surface drilling and drainage results in a larger range of high temperature zone around goaf,contributing to a significantly higher temperature in drainage bores;nitrogen injection at 20 m behind working face can only inhibit or reduce the temperature near the nitrogen injection,increasing the amount of nitrogen injection to a certain extent;and the injection of nitrogen in the deep part of the gob(after working face 100—200 m) could provide the control of the temperature increase in the goaf and benefit the drawing speed of working face to achieve the fire prevention.

gas;permeability;nitrogen injection quantity;temperature;drainage volume

2016-04-04

國家自然科學(xué)基金項目(U1361102)

羅新榮(1957-)，男，江西省樟樹人，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向：礦建瓦斯防治理論與技術(shù)，E-mail：aq204@cumt.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.003

TD713； X93

2095-7262(2016)03-0244-07

A