注氮對相鄰采空區(qū)自燃“三帶”影響模擬研究

楊 黎，鄭萬成，趙 波，陳朋磊

(1.云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團有限公司，云南 昆明 650000; 2.四川省煤炭設(shè)計研究院，四川 成都 610031;3.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

煤炭開采過程中，會面臨著各種災(zāi)害，其中煤炭自燃是最主要的災(zāi)害之一[1-3]。目前，許多礦井為了提高工作面回采率，采用了小煤柱護(hù)巷技術(shù)[4-5]，由于巷道反復(fù)受壓變形，使得煤柱孔隙發(fā)育，形成漏風(fēng)通道，且相鄰工作面開采增大了采空區(qū)冒落空間，此采空區(qū)與相鄰采空區(qū)連成一片，形成了復(fù)雜的多源多匯漏風(fēng)通道，加大了漏風(fēng)量，增大了煤炭自燃的風(fēng)險，給防火工作帶來了較大難度[6-8]。因此，研究相鄰采空區(qū)氧氣濃度場分布規(guī)律對指導(dǎo)煤礦建立自然發(fā)火治理體系具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對注氮防滅火技術(shù)進(jìn)了深入研究。注氮防滅火是通過定向定量方法向采空區(qū)內(nèi)注入大量氮氣，達(dá)到惰化火區(qū)、抑制煤自燃的效果[9-14]。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)注入惰性氣體后，采空區(qū)氧化帶面積顯著減少[15-19]。Yuan Liming等[16-18]通過CFD模型研究了單一工作面O2濃度對煤自燃危險區(qū)的影響，以確定最佳注氮位置和注入量。以往的研究主要針對本工作面采空區(qū)，而對于相鄰工作面開采條件下的采空區(qū)自燃隱患研究較少，然而采空區(qū)漏風(fēng)情況復(fù)雜，遺留的大量破碎的浮煤在適合的氧環(huán)境中容易氧化，存在較大風(fēng)險。因此，本文利用Fluent軟件，研究相鄰采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布規(guī)律。對比不同注氮方案下相鄰采空區(qū)氧氣濃度場分布規(guī)律，分析相鄰工作面開采最佳注氮參數(shù)。為后續(xù)防滅火工作提供依據(jù)，保證工作面安全回采。

1 現(xiàn)場觀測

1.1 工作面概況

本文以貴州某礦4244工作面為背景，結(jié)合現(xiàn)場實測，利用數(shù)值模擬的研究方法[20-21]，在注重注氮成果以及考慮實際情況如注氮能力，注氮成本等因素的條件下，得出合理注氮參數(shù)，為采空區(qū)防滅火工作提供理論指導(dǎo)。4244工作面南部為四采區(qū)運輸下山、四采區(qū)回風(fēng)下山，開采24號煤層，24號煤層屬Ⅱ級容易自燃煤層，煤層埋藏深度323～401 m，含夾矸2～3層，煤厚1.8～3.0 m，平均2.4 m；煤層傾角10°～14°，平均12°，賦存較穩(wěn)定。工作面采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法控制頂板，綜合機械化采煤工藝。工作面走向長度為781 m，傾向長度為79 m，采用U型通風(fēng)方式，設(shè)計配風(fēng)量800 m3/min左右，進(jìn)回風(fēng)巷斷面為半圓拱形，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道設(shè)計下寬5 m、中高3 m，斷面12.3 m2；采煤工作面切眼巷道斷面為矩形斷面，巷道凈寬5.2 m，凈高2.5 m，斷面積13 m2，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。相鄰為4242采空區(qū)，回風(fēng)巷距采空區(qū)的小煤柱僅為寬5 m。

1.2 自燃“三帶”劃分依據(jù)與測試方案

本文在進(jìn)行自燃“三帶”劃分時，以采空區(qū)氧氣濃度為劃分依據(jù)：散熱帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)大于18%的區(qū)域,自燃氧化帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%～18%的區(qū)域,窒息帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)小于10%的區(qū)域[10,21-22]。采空區(qū)預(yù)埋束管監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，共4個測點，編號為1號—4號，采空區(qū)束管設(shè)計測量范圍為150 m。測點探頭垂直高度0.3 m，為防止采空區(qū)滲水影響，現(xiàn)場布置時，利用矸石鋪底將束管抬高0.2 m，即測點探頭距離煤層底板0.5 m。根據(jù)工作面推進(jìn)情況，工作面每推進(jìn)10 m進(jìn)行1次氣體取樣，利用氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分和濃度分析，得出采空區(qū)氧氣濃度隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律。

圖1 采空區(qū)測點布置平面Fig.1 Layout plan of measuring points in goaf

1.3 測試數(shù)據(jù)分析

4424工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷側(cè)各個測點氧氣濃度隨采空區(qū)測點距工作面距離增加的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度隨采空區(qū)距工作面的距離增加整體上一直處于下降狀態(tài)，這是由于采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍龃笠约斑z煤耗氧共同造成的。由3號和4號測點數(shù)據(jù)趨勢圖可知，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度在0～30 m范圍內(nèi)趨近于大氣氧濃度，降低速度緩慢，而當(dāng)深度>30 m時，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度下降速度加快，這是由于采空區(qū)深部漏風(fēng)強度小，無法及時稀釋掉遺煤及煤壁所解吸的瓦斯，且遺煤自燃氧化耗氧量快速增加，使得氧氣濃度快速下降。由1號和2號測點數(shù)據(jù)可知，回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度快速下降，這主要是由于在回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛壬仙俣燃涌欤鄬?yīng)的導(dǎo)致氧氣濃度下降速度加快，且隨著采空區(qū)深度增加，采空區(qū)溫度增加，加快了采空區(qū)遺煤自燃氧化速率，氧氣消耗量增加，使得氧氣濃度下降速度越來越快。

圖2 采空區(qū)不同深度氧氣濃度變化曲線Fig.2 Variation curve of oxygen concentration at different depths in goaf

采空區(qū)自燃“三帶”實測范圍見表1。

表1 采空區(qū)自燃 “三帶”劃分Tab.1 Division of "Three Zones" of spontaneous combustion in goaf

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型的建立

結(jié)合4244工作面實際布置條件，簡化模型，確定幾何尺寸參數(shù)，幾何參數(shù)見表2，建立的采空區(qū)幾何模型如圖3所示。

圖3 采空區(qū)幾何模型Fig.3 Geometric model of goaf

表2 幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters m×m×m

利用ANSYS Fluent Meshing對所建立的幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格選用正六面體核心型(Poly-Hexcore)網(wǎng)格，該模型劃分體網(wǎng)格單元數(shù)為622 669個，最小正交質(zhì)量等于0.5，最大縱橫比等于7，最大扭斜度小于0.3，網(wǎng)格質(zhì)量較高有利于計算結(jié)果的快速收斂。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 采空區(qū)網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of goaf

2.2 模擬參數(shù)確定

(1)孔隙率。孔隙率是顆粒間空隙體積與自然狀態(tài)下的散粒狀介質(zhì)總體積的百分比，采空區(qū)空間任意一點的孔隙率ε(x,y,z)可以由該點的碎脹系數(shù)Kp(x,y,z)按以下公式計算得出。

(1)

(2)滲透率k。滲透率是表征土或巖石本身傳導(dǎo)流體能力的參數(shù)，受孔隙率和平均粒徑的影響，根據(jù)Catman公式，采空區(qū)滲透率與孔隙率和平均粒徑之間的關(guān)系：

(2)

(3)平均粒徑分布Dp。認(rèn)為采空區(qū)頂板垮落后平均粒徑在水平方向上不發(fā)生變化；在高度方向上，平均粒徑隨高度的變化服從拋物線型分布規(guī)律，按下式進(jìn)行計算。

Dp=-0.000 008(z-h)2+0.06

(3)

(4)黏性阻力系數(shù)C1和慣性阻力系數(shù)C2。在Fluent中多孔介質(zhì)模型通過在動量方程中增加源項來模擬計算域中多孔性材料對流體的流動阻力。該源項由2部分組成，即Darcy黏性阻力項和慣性損失項，在Fluent中所對應(yīng)的為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)2個參數(shù)：

(4)

(5)

(5)氧氣消耗源項O?？紤]遺煤自燃氧化耗氧，耗氧項可用下式表示：

(6)

式中，A為指前因子；CO2為采空區(qū)氧氣濃度；E為活化能；n為表觀反應(yīng)級數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。

2.3 邊界條件的設(shè)定

采空區(qū)多孔介質(zhì)參數(shù)及源項設(shè)置均通過UDF接口導(dǎo)入，調(diào)用DEFINE_PROFILE宏函數(shù)設(shè)置孔隙率、黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，使用DEFINE_SOURCE宏函數(shù)設(shè)置源項，將工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet)，回風(fēng)巷和埋管出口設(shè)置為自由出流(outflow)，基本模擬參數(shù)見表3。

表3 模擬基本參數(shù)Tab.3 Simulation basic parameters

3 模擬結(jié)果與分析

采用注氮防滅火，注氮工藝的差異使得防滅火效果也不相同。結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，根據(jù)礦井工作面的具體開采方式，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和理論分析，得出最佳注氮參數(shù)，為采空區(qū)防滅火工作提供參考。

3.1 不同注氮位置模擬結(jié)果分析

注氮口位置是采空區(qū)遺煤自燃防治注氮方案設(shè)計中的重要參數(shù)之一，為尋求最佳的注氮位置，在進(jìn)風(fēng)側(cè)分別設(shè)置3個不同的注氮口距離，即X=50 m、X=75 m、X=100 m，X值代表注氮口距離工作面的距離，注氮量設(shè)為50 m3/h。通過調(diào)取z=1 m、Line1、Line2上的數(shù)值模擬結(jié)果(圖5、圖6)，分析不同注氮位置條件下采空區(qū)的氧氣濃度場變化規(guī)律。根據(jù)圖5(a)氧氣分布云圖以及圖6進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧濃度的變化曲線可以得出，在未注氮的條件下，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶范圍為52～129 m，回風(fēng)側(cè)氧化范圍為23～73 m。與表1數(shù)據(jù)比較可知，現(xiàn)場實測結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，這在一定程度上驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和合理性。

圖5 不同注氮位置條件下z=1 m截面氧氣分布云圖Fig.5 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection positions

圖6 不同注氮位置條件下Line1與Line2氧氣濃度變化曲線Fig.6 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection positions

由圖5和圖6可以看出，注氮能夠明顯縮小采空區(qū)氧化帶范圍，但不同注氮位置影響幅度有所區(qū)別，注氮位置對采空區(qū)氧氣濃度的影響主要集中在采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的區(qū)域。可以明顯看出，注氮位置附近氧氣濃度急速降低。根據(jù)模擬導(dǎo)出的結(jié)果，計算獲得不同注氮位置條件下氧化帶寬度，同時按照模型比例，利用AutoCAD的aa命令測量氧化帶面積，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，注氮對本采空區(qū)氧化帶寬度影響顯著，當(dāng)注氮位置為50 m時，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度均達(dá)到最小值，分別為7 m和40 m；同時，注氮可以減小本采空區(qū)與相鄰采空氧化帶面積，但對本采空區(qū)的效果明顯優(yōu)于對相鄰采空區(qū)的影響。與未注氮相比，注氮位置為50、75、100 m條件下的氧化帶總面積分別減小了6 694、6 384、5 817 m2。相比而言，選擇注氮口位置深度為50 m能較大程度地稀釋工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣，從而能減小采空區(qū)氧化帶區(qū)域面積。

圖7 不同注氮位置條件下氧化帶寬度與面積Fig.7 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection positions

3.2 不同注氮流量模擬結(jié)果分析

注氮量同樣是采空區(qū)遺煤自燃防治注氮方案設(shè)計中相當(dāng)重要的參數(shù)之一，一般是指每小時注入采空區(qū)的氮氣量。根據(jù)上文選取注氮位置為X=50 m，選取4個不同的注氮量，即Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h，模擬分析不同注氮量對采空區(qū)氧氣分布的影響，模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，不同的注氮流量同樣會影響氧化帶的范圍，隨著注氮流量變大，注氮對采空區(qū)氧氣濃度分布的影響范圍就越大，總體來看，采空區(qū)氧化帶的范圍隨著注氮流量的增大而減小。不同的注氮流量條件下，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度開始快速降低的位置有所不同，注氮流量越大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度開始降低位置越靠近工作面，這說明隨著注氮流量的增大，會導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶前移，即采空區(qū)氧化帶起始會離工作面越來越近，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h條件下，氧化帶起始位置與工作面的距離分別為21、18、14、12 m，氧化帶的前移會威脅工作面的安全生產(chǎn)。

圖8 不同注氮流量下z=1 m截面氧氣分布云圖Fig.8 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection flow rates

圖9 不同注氮流量下Line1與Line2氧氣濃度變化曲線Fig.9 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection flow rates

不同注氮流量下氧化帶寬度與面積變化如圖10所示。由圖10可知，隨著注氮流量的增加，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度基本保持不變，回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度逐漸減小，當(dāng)注氮流量為200 m3/h時，達(dá)到最小值為33 m；本采空區(qū)氧化帶面積隨注氮流量的增加逐漸減小，與未注氮相比，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h條件下，本采空區(qū)氧化帶面積分別減少了50.6%、62.1%、66.9%、69.8%，但相鄰采空區(qū)氧化帶面積卻隨著注氮流量的增加呈現(xiàn)波動變化。當(dāng)注氮流量超過100 m3/h時，氧化帶面積減小趨勢變緩，且注氮流量越大，氧化帶越靠近工作面，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)，同時考慮到經(jīng)濟效益，注氮流量設(shè)置為100 m3/h最為適宜。

圖10 不同注氮流量下氧化帶寬度與面積Fig.10 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection flow rates

4 結(jié)論

(1)4244工作面采空區(qū)氧化帶范圍：現(xiàn)場實測進(jìn)風(fēng)側(cè)51～120 m，回風(fēng)側(cè)20～71 m，模擬結(jié)果進(jìn)風(fēng)側(cè)52～129 m，回風(fēng)側(cè)23～73 m，驗證了通過該模型對采空區(qū)氧氣分布及煤自燃危險區(qū)域進(jìn)行模擬研究的可靠性。

(2)通過對工作面不同注氮條件下數(shù)值模擬研究，可以得出注氮能夠明顯改變采空區(qū)氣體分布狀況，降低氧濃度；當(dāng)注氮位置為X=50 m時，采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度最小分別為7 m和40 m，且此采空區(qū)氧化帶面積減少了6 694 m2；注氮流量的增大，在降低本采空區(qū)氧化帶面積的同時，會導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶前移，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)。綜合考慮，注氮流量設(shè)置為100 m3/h最為適宜。

(3)此工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮對相鄰采空區(qū)氧化帶影響范圍較小，要求在回采過程中需要對煤柱進(jìn)行加固，降低孔隙率，控制漏風(fēng)，減少氧氣進(jìn)入相鄰采空區(qū)。