采空區(qū)注氮條件下自燃危險區(qū)域變化及注氮極值研究

張 勛，Mamurov Sherzod Alisherovich，路 冰

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

礦井火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。采空區(qū)遺留的浮煤在漏風(fēng)供氧條件下，與氧氣發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，持續(xù)一定時間，則發(fā)生自燃，導(dǎo)致工作面有毒有害氣體超限，甚至引發(fā)瓦斯爆炸等重大災(zāi)害事故。采用現(xiàn)場實測或數(shù)值模擬手段，確定采空區(qū)自燃危險區(qū)域，并向采空區(qū)內(nèi)注入氮氣、噴灑阻化劑、灌漿等，是目前礦井防治采空區(qū)遺煤自燃的主要措施[1-2].朱紅青等[3]研究了不同煤自燃特性參數(shù)下采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律；文虎等[4]研究了不同抽采條件對采空區(qū)煤自燃“三帶”的影響；焦庚新等[5]分析了近距離煤層下分層采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域分布規(guī)律。為研究采空區(qū)注氮條件下自燃危險區(qū)域變化，本文以某礦29406工作面實際條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了綜放工作面采空區(qū)注氮數(shù)值模型，分析未注氮以及不同注氮量條件下采空區(qū)氧濃度、溫度等參數(shù)變化規(guī)律。綜合考慮持續(xù)注氮對工作面供氧濃度的影響，給出采空區(qū)的最大合理注氮量，以為采空區(qū)注氮防滅火提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 工作面概況

29406工作面為8#與9#煤層聯(lián)合開采，煤層傾角6°～7°，8#煤層平均厚度3.95 m，9#煤層平均厚度3.18 m，聯(lián)合開采平均厚度7.74 m.采用綜采放頂煤開采方式，即采9#煤層放8#煤層，采放比1∶1.43.工作面正巷布置長度655 m，副巷布置長度597 m，設(shè)計可采走向長度492 m，傾向采面長度216 m.正巷、副巷均采用矩形斷面：凈寬4.20 m，凈高3.20 m；切眼采用矩形斷面：凈寬8.50 m，凈高3.20 m.

29406工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，副巷進(jìn)風(fēng)，正巷回風(fēng)，實際配風(fēng)量834 m3/min，見圖1.工作面四周無火區(qū)，煤塵爆炸指數(shù)為13.51%.8#煤層為Ⅱ類自燃煤層，在采9#煤層放8#煤層開采方式下，29406工作面采空區(qū)存在以8#煤為主的遺煤，使得采空區(qū)存在煤自燃火災(zāi)安全隱患。

圖1 29406工作面布置圖

1.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場實際情況建立幾何模型，見圖2，模型具體設(shè)定參數(shù)見表1.采空區(qū)注氮口布置在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面30 m，距底板30 cm的位置。利用ANSYS ICEM軟件，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格步長取1.5 m.

圖2 幾何模型圖

表1 模型參數(shù)設(shè)定表

將采空區(qū)視為連續(xù)非均勻多孔介質(zhì)區(qū)域，主要模擬采空區(qū)內(nèi)部氣體的傳質(zhì)傳熱，采空區(qū)流場控制模型參見文獻(xiàn)[6].依據(jù)采空區(qū)冒落碎脹系數(shù)分布表達(dá)式(1)，設(shè)置頂板初始垮落碎脹系數(shù)取較為松散的1.6，壓實后的碎脹系數(shù)取較為緊密的1.1：

K(x,y)=Kmin+(Kmax-Kmin)g

exp(-m0d0g(1-exp(-ξm1(d1+φ))))

(1)

式中，K(x,y)為采空區(qū)冒落碎脹系數(shù)，無因次；Kmax為初始冒落的碎脹系數(shù)，無因次；Kmin為壓實后的碎脹系數(shù)，無因次；m0、m1分別為距離固壁和工作面的衰減率，m-1，取0.268；d0、d1分別為點(x,y)與固壁和工作面邊界的距離，m；φ為近煤壁調(diào)整系數(shù)；ξ為控制模型分布形態(tài)的調(diào)整數(shù)，取0.233.

2 采空區(qū)自燃危險區(qū)域劃分

2.1 工作面漏風(fēng)量測定

風(fēng)量測定時，正巷和副巷各選一平直規(guī)整斷面測試尺寸、風(fēng)速，計算風(fēng)量。29406工作面內(nèi)部共設(shè)定11個測風(fēng)斷面，風(fēng)量測試結(jié)果見圖3.副巷測定進(jìn)風(fēng)量834 m3/min，隨著風(fēng)流進(jìn)入工作面，風(fēng)量開始逐漸減少，漏入采空區(qū)。在工作面63#與64#支架之間的測風(fēng)斷面，風(fēng)量達(dá)到最小值743.85 m3/min，此時漏入采空區(qū)的風(fēng)量達(dá)到最大值90.15 m3/min.隨后工作面風(fēng)量開始增加，漏入采空區(qū)的風(fēng)流逐步回歸工作面。

圖3 工作面風(fēng)量測定曲線圖

由圖3可知，29406工作面的數(shù)值模擬最大漏風(fēng)量為85.13 m3/min，與實測值相比，誤差在10%以內(nèi)。因此，認(rèn)為通過數(shù)值模擬可以較真實反映采空區(qū)內(nèi)復(fù)雜漏風(fēng)狀況。

2.2 采空區(qū)氧氣濃度場及高溫區(qū)域分布

采空區(qū)氧氣濃度場及高溫區(qū)域分布見圖4.

圖4 采空區(qū)氧氣濃度場及高溫區(qū)域分布圖

由圖4a)可知，采空區(qū)鄰近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)為主要漏風(fēng)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)氧氣分布范圍廣，遺煤長時間處于高氧環(huán)境中會發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，同時釋放熱量。圖4b)給出了采空區(qū)內(nèi)溫度為33 ℃、40 ℃的等值面。此時，采空區(qū)存在40 ℃高溫區(qū)域，33 ℃以上區(qū)域在采空區(qū)傾向均有存在。

2.3 采空區(qū)自燃危險區(qū)域劃分

按復(fù)合判據(jù)劃分采空區(qū)自燃危險區(qū)域，即以漏風(fēng)速率0.004 m/s作為散熱帶與氧化帶劃分指標(biāo)、氧氣濃度7%作為氧化帶與窒息帶劃分指標(biāo)[4-5]，得到采空區(qū)自燃“三帶”分布，見圖5.

由圖5可知，采空區(qū)自燃危險區(qū)域主要分布在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面21～130 m處，最大寬度109 m；采空區(qū)中部范圍為距工作面30～108 m處，寬度78 m，并向回風(fēng)側(cè)逐漸減小。此時，采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布范圍廣，遺煤自燃風(fēng)險較高，需采取注氮措施縮小自燃危險區(qū)域范圍。

圖5 采空區(qū)自燃“三帶”分布圖

3 注氮條件下采空區(qū)自燃危險區(qū)域變化規(guī)律

3.1 采空區(qū)氧氣濃度變化規(guī)律

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，進(jìn)行采空區(qū)注氮數(shù)值模擬。設(shè)置8組注氮量，分別為200 m3/h、400 m3/h、600 m3/h、800 m3/h、1 000 m3/h、1 200 m3/h、1 400 m3/h、1 600 m3/h.由于29406工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，漏風(fēng)集中在進(jìn)風(fēng)隅角漏入采空區(qū)，為了使氮氣在流場作用下盡可能大地覆蓋自燃危險區(qū)域，故將注氮口布置在距工作面30 m的進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)。

不同注氮量時采空區(qū)的氧氣濃度分布變化見圖6.注氮條件下，采空區(qū)氧氣濃度呈現(xiàn)整體降低，且隨注氮量增加，降低范圍逐漸擴(kuò)大。在采空區(qū)走向上，隨著注氮量的增加，氧氣濃度最低區(qū)域越來越靠近工作面，由注氮量200 m3/h時的150 m提前至注氮量1 600 m3/h時的50 m.在采空區(qū)傾向上，氧氣濃度峰值區(qū)域由距離回風(fēng)巷205 m轉(zhuǎn)移至距離回風(fēng)巷90 m，氧氣濃度峰值點由20.71%降低至11.87%.

圖6 注氮條件下采空區(qū)氧氣濃度變化圖

3.2 采空區(qū)溫度等值面變化規(guī)律

圖7為注氮條件下采空區(qū)溫度33 ℃的等值面變化圖。對比圖4可以看出，當(dāng)注氮量為200 m3/h時，采空區(qū)40 ℃等值面已經(jīng)消失，33 ℃等值面的邊界縮小至距回風(fēng)側(cè)172.1 m.隨著注氮量不斷增加，33 ℃等值面不斷減小。當(dāng)注氮量增加為600 m3/h、1 000 m3/h、1 200 m3/h時，33 ℃等值面邊界逐步縮小至距回風(fēng)側(cè)149.5 m、110.4 m、50.6 m，效果顯著。當(dāng)注氮量達(dá)到1 600 m3/h，33 ℃等值面已基本不存在。說明隨著注氮量增加，大幅度降低了采空區(qū)內(nèi)氧氣分布范圍，使得煤氧反應(yīng)速率大大降低，氧化升溫帶的溫度也隨之下降。

圖7 注氮條件下采空區(qū)33 ℃等值面圖

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”變化規(guī)律

圖8為注氮條件下采空區(qū)自燃“三帶”變化對比圖。當(dāng)注氮量為200 m3/h時，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度明顯縮減，由未注氮時的最大寬度109 m，縮減至70 m，但此時對回風(fēng)側(cè)的氧化升溫帶寬度影響不大。隨著注氮量不斷增加，回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度也開始不斷減小。當(dāng)注氮量達(dá)到1 600 m3/h時，采空區(qū)氧化升溫帶的最大寬度僅為11 m，在傾向上則縮減至距回風(fēng)巷20～162 m.采空區(qū)氧化升溫區(qū)域的快速縮減，大幅度降低了采空區(qū)遺煤自燃危險性。

圖8 注氮條件下采空區(qū)氧化升溫區(qū)域變化圖

4 采空區(qū)注氮極值分析

采空區(qū)注氮量增加，可有效縮減自燃危險區(qū)域分布范圍，但注氮量的持續(xù)增加，必然導(dǎo)致部分氮氣由采空區(qū)涌出工作面，使得工作面供氧濃度降低，威脅作業(yè)人員安全。為此，以工作面回風(fēng)側(cè)氧氣濃度不低于18%為基準(zhǔn)，分析采空區(qū)注氮極值，即允許的最大注氮量。

圖9a)為采空區(qū)不同注氮量時工作面氧氣濃度的變化曲線。隨著注氮量升高，工作面回風(fēng)側(cè)氧氣濃度不斷降低。當(dāng)注氮量200～1 200 m3/h時，工作面氧氣濃度均維持在18%以上，注氮量進(jìn)一步增加至1 400 m3/h、1 600 m3/h，回風(fēng)隅角的氧氣濃度分別降低至17.58%、17.13%，易對工作面作業(yè)人員造成傷害。為精確給出采空區(qū)注氮極值，對注氮量與回風(fēng)隅角的氧氣濃度關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，見圖9b).二者擬合公式為：

圖9 注氮量與工作面氧氣濃度關(guān)系曲線圖

y=y0+A·eR0·x

(2)

式中，y為工作面回風(fēng)隅角的氧氣濃度；x為采空區(qū)注氮量；y0=0.19、A=-1.1×10-3、R0=1.76×10-3.擬合公式相關(guān)性系數(shù)為0.95.當(dāng)氧氣濃度為18%時，計算注氮量為1 220 m3/h，注氮量大于該值，工作面回風(fēng)隅角的氧氣濃度均低于18%，不符合要求。

綜上可知，采空區(qū)允許的最大注氮量為1 220 m3/h，此時采空區(qū)氧化升溫帶的最大寬度為23.2 m.

5 結(jié) 論

1)通過工作面漏風(fēng)實測與數(shù)值模擬手段，分析29406工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布，氧化升溫帶最大寬度109 m，位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面21～130 m區(qū)域，在回風(fēng)側(cè)區(qū)域，氧化升溫帶寬度不斷減小。同時，采空區(qū)存在40 ℃高溫區(qū)域，33 ℃以上區(qū)域在采空區(qū)傾向均有存在。

2)采空區(qū)注氮條件下，自燃危險區(qū)域逐漸縮減。當(dāng)注氮200 m3/h時，采空區(qū)40 ℃等值面消失，隨著注氮量增加，采空區(qū)33 ℃以上高溫區(qū)域不斷減小，直至注氮1 600 m3/h時基本消失，氧化升溫帶最大寬度則由109 m逐步降低至11 m，注氮效果顯著。

3)以工作面回風(fēng)側(cè)氧濃度不低于18%為基準(zhǔn)，確定采空區(qū)最大注氮量為1 220 m3/h，此時氧化升溫帶最大寬度為23.2 m.