易自燃煤層采空區(qū)N2 與CO2 惰性耦合氣體運移規(guī)律

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(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦火災是煤礦安全生產(chǎn)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(chǎn)安全，極易造成煤炭資源損失、地表環(huán)境破壞、影響正常生產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失，而且火災還會造成通風系統(tǒng)紊亂，使正常風流發(fā)生逆轉(zhuǎn)，更嚴重的會引燃瓦斯、煤塵爆炸[2]。為了克服傳統(tǒng)單一惰性氣體（N2或CO2）防滅火技術(shù)缺點，研究N2與CO2惰性耦合氣體防滅火技術(shù)，并采用數(shù)值模擬的方法，對耦合氣體在采空區(qū)運移規(guī)律進行了研究，以致更有效地抑制采空區(qū)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(jīng)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(xiàn)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(qū)氧；⑥包圍隔氧[5-6]。

2 惰性耦合氣體防滅火技術(shù)

按照灌注耦合氣體環(huán)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(qū)內(nèi)；封閉式灌注耦合氣體則是指封閉工作面或其它區(qū)域內(nèi)灌注耦合氣體，由于目標區(qū)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(tǒng)

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

圖1 惰性耦合氣體防滅火裝備系統(tǒng)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(tài)CO2汽化成氣態(tài)，再與氣態(tài)N2經(jīng)耦合形成耦合氣體后，通過管路灌注到工作面采空區(qū)。

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(nèi)的煤、電水浴式汽化器將液態(tài)CO2汽化，然后與N2按照一定比例同時注入裝置平衡罐，經(jīng)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(qū)。耦合氣體防滅火技術(shù)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(tài)CO2槽車將液態(tài)CO2拉到煤礦地面制氮機附近，利用專業(yè)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(qū)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(tài)CO2槽車中的液態(tài)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(qū)防火。

耦合氣體防滅火技術(shù)工藝流程如圖2。

圖2 耦合氣體防滅火技術(shù)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(qū)運移規(guī)律數(shù)值模擬

用數(shù)值模擬的方法分析注耦合氣體參數(shù)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(shù)和灌注耦合氣體位置能使耦合氣流覆蓋整個目標區(qū)域，以有效降低區(qū)域氧氣濃度[8-13]，找到經(jīng)濟合理的注耦合氣體方案。

3.1 模型建立

根據(jù)大興煤礦南二905 綜采工作面采空區(qū)氣體數(shù)據(jù)，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(qū)模型如圖3。

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

該模型以工作面和采空區(qū)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(qū)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(qū)氧氣濃度場

在惰性氣體防滅火技術(shù)中，N2與CO2可認為是吸附質(zhì)，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(qū)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(qū)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(cè)采空區(qū)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(jīng)考察，在N2與CO2比例在3∶1時，采空區(qū)進風側(cè)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(qū)中部及采空區(qū)回風側(cè)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(qū)進風側(cè)漏風，使采空區(qū)進風側(cè)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(qū)的作用更加明顯。

不同注耦合惰氣量條件下采空區(qū)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(qū)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(cè)采空區(qū)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(qū)氧化帶范圍（氧濃度10%～18%）在運輸巷一側(cè)分別為42～76、5～8、4～8、3～7 m，在回風巷一側(cè)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(qū)進風側(cè)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(qū)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(qū)氧氣濃度場

不同注耦合氣體位置條件下采空區(qū)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(qū)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(cè)采空區(qū)距工作面15、45、90 m 時，采空區(qū)進風側(cè)的氧化帶明顯變窄變淺。但是在傾向方向，采空區(qū)中部及回風側(cè)的氧化帶卻呈現(xiàn)了不同的變化。隨著注惰性耦合氣體口向采空區(qū)深部遷移，采空區(qū)氧化帶在淺部采空區(qū)的中部及采空區(qū)回風側(cè)2 個區(qū)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(cè)封堵漏風過程中，N2也隨漏風風流運動并且在淺部采空區(qū)的中部和靠近回風側(cè)區(qū)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(qū)的N2向回風巷方向運動，因此N2能夠在采空區(qū)3 個區(qū)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(qū)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(cè)采空區(qū)距工作面15、45、90 m時，采空區(qū)氧化帶范圍（氧濃度10%～18%）在運輸巷一側(cè)分別為42～76、5～8、13～17、16～20 m，在回風巷一側(cè)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(qū)深處遷移，雖然采空區(qū)進風側(cè)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(qū)回風側(cè)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(guī)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(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)的各個區(qū)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(qū)內(nèi)氣體層成層的能量，前鋒和氣體層達到相對平衡狀態(tài)，CO2出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，因此可知CO2在靠近工作面的附近濃度較大，在采空區(qū)的深部濃度較?。籒2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(qū)深部流動，這時就會出現(xiàn)采空區(qū)的同一斷面上、下部氣體流動方向相反的現(xiàn)象。隨著采空區(qū)內(nèi)部氣體混合均勻，則耦合氣體會迅速充滿采空區(qū)絕大部分空間，達到較好的惰化效果。

4 結(jié) 論

1）在回采工作面預防自然發(fā)火時注入耦合氣體N2與CO2的比例在3∶1 時，惰化效果最佳，能使耦合氣流覆蓋整個火災區(qū)域或防火區(qū)域，以降低氧氣濃度，找到了經(jīng)濟合理的注耦合氣體方案。

圖8 注入耦合氣體后采空區(qū)N2 與CO2 分布云圖Fig.8 Cloud map of nitrogen and carbon dioxide distribution in goaf after injection of coupled gas

2）在運輸巷側(cè)采空區(qū)距離工作面45 m 注入惰性耦合氣體對采空區(qū)的惰化效果最佳，能夠減少漏風量、稀釋氧氣并且能使耦合氣體有效充填采空區(qū)空間。

3）CO2在靠近工作面的附近濃度較大，在采空區(qū)的深部濃度較小；N2由CO2做為載體，耦合氣體混合后向采空區(qū)深部流動，隨著采空區(qū)內(nèi)部氣體混合均勻，則耦合氣體會迅速充滿采空區(qū)絕大部分空間，達到較好的惰化效果。