低變質(zhì)煤種綜放面采空區(qū)CO產(chǎn)生及運移規(guī)律研究

宋慶立,師吉林

(1.國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司,新疆 哈密 839000;2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000)

低變質(zhì)煤種資源儲量占我國煤炭資源儲量的40%以上[1],其主要分布在我國的華北和西北地區(qū),全國97.5%的儲量集中在內(nèi)蒙、陜西、新疆、甘肅、山西、寧夏6個省(區(qū))[2]。低變質(zhì)煤種綜放開采過程中,在現(xiàn)場一切正常的常溫條件下,就可產(chǎn)生大量CO氣體,往往導致回風隅角、回風巷等區(qū)域出現(xiàn)CO氣體體積分數(shù)超過0.002 4%的問題[3-8],部分學者通過研究認為低變質(zhì)煤種的CO氣體來源于煤層破碎后的低溫氧化[9-14],越來越多的證據(jù)支持這一觀點?；诖?采取新疆大南湖一礦3號煤層煤樣,利用實驗室程序升溫試驗,測定煤自燃模擬過程中的CO產(chǎn)生速率,再利用FLUENT軟件模擬綜放開采條件下的CO產(chǎn)生及分布,從而分析開采低變質(zhì)煤種綜放面采空區(qū)的CO產(chǎn)生及運移規(guī)律。

1 煤層概況

新疆哈密大南湖一礦3號煤層厚度5.1～9.98 m,平均厚9.1 m,傾角7～10°,上距2號煤層平均36 m,下距5號煤層38 m,結(jié)構(gòu)較復雜,含夾矸1～4層,煤質(zhì)為褐煤,經(jīng)鑒定為I類容易自燃煤層,煤塵具有強爆炸性,最短自然發(fā)火期為37 d.3號煤層綜放面寬度240 m左右,全部垮落法管理頂板,機采高度3 m,放煤高度6.98 m,采放比約1∶2.3,機采回采率為97%,放煤回采率大于90%,工作面采取全風壓通風方式,配風量1 200 m3/min以上,布置138架支架。

3號煤層綜放面開采過程中回風隅角CO體積分數(shù)基本在0.017%左右,回風流內(nèi)CO體積分數(shù)則基本在0.002 8%左右;經(jīng)過對1301至1307綜放面采空區(qū)實測結(jié)果分析,3號煤層綜放面采空區(qū)自燃三帶寬度進風側(cè)散熱帶范圍為0～30 m,氧化帶范圍為30～90 m,窒息帶為超過90 m的采空區(qū)深部;回風側(cè)散熱帶范圍為0～10 m,氧化帶范圍為10～30 m,窒息帶為超過30 m的采空區(qū)區(qū)域。

2 煤樣的制備與煤自燃過程CO產(chǎn)生規(guī)律模擬實驗

根據(jù)GB/T 482-2008《煤層煤樣采取方法》的要求,在大南湖一礦1305、1307兩個工作面采集兩個煤樣,按圓錐縮分法,縮分到1 kg密封后送至煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,根據(jù)GB/T 474-2008《煤樣的制備方法》的要求,將采集的塊煤利用ZYQM-2全封閉式煤樣粉碎測試裝置充氮隔氧進行破碎,后過80～100目篩網(wǎng)后,取5 g作為煤樣備用。

為模擬3號煤層煤自燃過程中的CO產(chǎn)生規(guī)律,在實驗室利用煤自燃程序升溫產(chǎn)氣規(guī)律測試系統(tǒng)對3號煤層制備煤樣進行實驗,取1 g制備好的煤樣,置入產(chǎn)氣規(guī)律測試系統(tǒng)內(nèi)的煤樣罐內(nèi),實驗條件供氣流量為100 mL/min,升溫速率設(shè)置:25～80 ℃階段0.5 ℃/min,80～200 ℃階段1.0 ℃/min,200～300 ℃階段2.0 ℃/min.實驗過程中,每20 min在測試系統(tǒng)出氣口采集測試1次氣樣,分析的氣體種類主要為O2、CO、C2H4、C2H2等,CO產(chǎn)生速率利用式(1)進行處理:

(1)

將實驗數(shù)據(jù)代入式(1),得到CO產(chǎn)生速率隨溫度的變化曲線(如圖1所示)。

圖1 3號煤層煤樣CO產(chǎn)生速率隨溫度變化曲線

根據(jù)實驗結(jié)果與式(1)計算不同溫度下CO產(chǎn)生速率,擬合為公式(2):

vCO(T)=1.114 786e0.044 59T-3.227 05

(2)

3 綜放面CO運移規(guī)律模擬研究

3.1 建立采空區(qū)滲流場數(shù)學模型

采空區(qū)遺煤屬于多孔介質(zhì)的范疇,氣體在多孔介質(zhì)中流動遵守質(zhì)量守恒、能量守恒及動量守恒定律,并且包含不同組分的混合、傳質(zhì),其還必須遵守組分守恒定律,根據(jù)能、質(zhì)守恒定律可以得到采空區(qū)CO氣體運移規(guī)律的數(shù)學方程,結(jié)合具體的邊界條件、初始條件,構(gòu)成了采空區(qū)氣體流動的數(shù)學模型。已有研究表明:煤自燃過程中CO的產(chǎn)生速率與破碎煤體粒徑及其所處環(huán)境內(nèi)的氧氣體積分數(shù)有關(guān),據(jù)此可建立采空區(qū)氣體滲流場與氣體組分場數(shù)學模型,如式(3):

(3)

在正常開采過程中,采空區(qū)煤體自燃的發(fā)展非常緩慢,可將工作面采空區(qū)的滲流速度場和CO體積分數(shù)場近似看成穩(wěn)態(tài)。為了進一步了解采空區(qū)CO運移規(guī)律,可采用Gambit對工作面采空區(qū)三維物理模型建立幾何結(jié)構(gòu)并進行網(wǎng)格劃分,然后利用Fluent的求解器對采空區(qū)內(nèi)部滲流速度場及CO體積分數(shù)場進行計算,得出其運移規(guī)律。

3.2 建立采空區(qū)幾何模型

3號煤層綜放面傾向斜長約240 m,工作面兩巷約5 m不放頂煤,煤層平均厚為9.8 m,采高為3 m,放煤為6.8 m.根據(jù)機采回采率為97%,放煤回采率大于90%可計算得到,采空區(qū)放煤區(qū)域破碎煤體厚度為0.79 m,不放煤區(qū)域破碎煤體厚度則為7 m,破碎煤體底部平均粒徑為0.15 m.經(jīng)現(xiàn)場實測,工作面支架后部刮板輸送機區(qū)域存在與工作面等寬的呈條帶分布的三角形堆煤,積煤底部寬度為1.53 m,高度為0.89 m,堆煤平均粒徑為0.012 m.

發(fā)生滲流的區(qū)域主要在采空區(qū)進、回風巷道之間,煤層底板以上30 m高(冒落帶高度取3倍采厚)的范圍內(nèi)。沿工作面走向上距工作面一定距離后,承受礦壓相差不大,空隙率及滲流阻力等影響自燃的因素變化也不大,趨于一個定值,故在考慮數(shù)值計算強度的條件下,選取從工作面到采空區(qū)100 m深處的范圍作為計算區(qū)域的長度。該工作面傾向斜長約240 m,兩巷寬度各5 m,因此選取250 m的范圍作為計算區(qū)域的寬度。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,工作面采空區(qū)和兩巷采空區(qū)內(nèi)遺煤步長0.2 m,采空區(qū)頂部巖體步長1 m,工作面及兩巷步長0.5 m,工作面采空區(qū)物理模型如圖2所示。

圖2 3號煤層綜放面采空區(qū)物理模型

3.3 物性參數(shù)及邊界條件

3.3.1 物性參數(shù)

為保證模擬結(jié)果的準確性,對現(xiàn)場破碎煤體分布區(qū)域的溫度進行了實測,其中3號煤層工作面采空區(qū)(1301面至1307面)散熱帶區(qū)域破碎煤巖體溫度范圍在24～28 ℃之間,均值26 ℃;氧化帶區(qū)域內(nèi)的破碎煤巖體的溫度范圍為26～29 ℃,均值27.5 ℃;工作面風溫在20 ℃左右;后部刮板輸送機機尾電機及減速機對應(yīng)區(qū)域(對應(yīng)支架136號～138號支架)堆積碎煤溫度最高,在27～63 ℃之間,平均45 ℃,除該區(qū)域外的其他工作面后部刮板輸送機附近集聚的破碎煤體溫度范圍為25～27 ℃,平均26 ℃.因此,計算區(qū)域基本物性參數(shù)取值為:除后部刮板輸送機機尾電機及減速機區(qū)域設(shè)置溫度為45 ℃外,模型其余區(qū)域溫度為定值27 ℃,松散煤體空隙率k=0.2～0.3,松散煤體的平均粒徑取20 mm.松散煤體、巖石、空氣的基本物性參數(shù)如表1所示。

表1 基本物性參數(shù)取值

采空區(qū)不同深度的滲透系數(shù)為:

3.3.2 邊界條件

建立的工作面采空區(qū)滲流模型的邊界條件包括工作面風流的壓力及CO體積分數(shù)和其余表面,在模型中可將其余表面近似看成壁面,氣體不能通過它進行滲透,則工作面采空區(qū)滲流、擴散模型的邊界條件如下:

壁面上:體積流量Q=0;暴露面:工作面是暴露面,其斷面面積基本上保持不變。風流在邊界層外為紊流狀態(tài),由于流體層間的摩擦和流體與煤壁之間的摩擦形成摩擦阻力,造成流體壓能損失ΔP.設(shè)工作面摩擦風阻為R,巷道通風流量為Q,則存在以下關(guān)系:

ΔP=RQ2

假定工作面基本水平、各處斷面面積基本相等、工作面比較光滑,故可認為工作面摩擦風阻R與長度成正比。通過測定工作面各點風量及工作面兩端壓差,代入上式即可計算出工作面壓力分布。工作面在進風巷口設(shè)置為速度入口,風量設(shè)置為1 600 m3/min,回風巷口設(shè)置為自由流。工作面初始CO體積分數(shù)為0%.

3.3.3 邊界設(shè)定

數(shù)學模型建立后,對邊界條件的設(shè)置均采用Fluent中的用戶自定義函數(shù)(UDF)進行設(shè)定,包括工作面采空區(qū)滲透系數(shù)倒數(shù)、空隙率、計算區(qū)域內(nèi)氧氣的消耗速率和CO氣體的產(chǎn)生速率及它們的質(zhì)量濃度的設(shè)定,對于其他的表面均設(shè)定為壁面。

3.4 采空區(qū)CO運移規(guī)律數(shù)值模擬

采用Fluent流體軟件對1307工作面采空區(qū)的CO分布模型進行數(shù)值求解,計算過程中主要以常溫條件下27 ℃時采空區(qū)CO分布為模擬對象,經(jīng)過500多次迭代,迭代殘差的數(shù)量級均達到10-4,且迭代殘差趨于穩(wěn)定,可認為求解結(jié)果已經(jīng)收斂。

根據(jù)計算結(jié)果,為了掌握正常開采期間采空區(qū)內(nèi)CO的立體分布規(guī)律,分別在距離底板0.5 m、1.5 m高的位置截取了2張CO分布平面刨面圖,并截取1.5 m高處O2體積分數(shù)平面剖面圖,分別如圖3～圖5所示。

圖3 采空區(qū)Z=0.5 m高度處CO體積分數(shù)分布

圖4 采空區(qū)Z=1.5 m高度處CO體積分數(shù)分布

圖5 采空區(qū)Z=1.5 m高度處O2體積分數(shù)分布

通過對各圖進行綜合分析可以得到以下結(jié)論:

1) 模擬結(jié)果表明,在距離底板1.5 m高的采空區(qū)回風側(cè)O2體積分數(shù)<15%的位置距工作面約9 m,O2體積分數(shù)<5%時距工作面約27 m,進風側(cè)對應(yīng)位置分別為32 m和86 m,中部采空區(qū)則為0 m和10 m.一般散熱帶為O2體積分數(shù)>15%區(qū)域,窒息帶為O2體積分數(shù)<5%區(qū)域,兩者間為氧化帶,則根據(jù)模擬結(jié)果可得3號煤層綜放面采空區(qū)自燃三帶范圍,見表1,表1表明模擬結(jié)果與礦井實測的結(jié)果基本符合。

表1 采空區(qū)自燃三帶區(qū)域劃分

2) 從圖3和圖4可以看出,采空區(qū)CO體積分數(shù)隨進入采空區(qū)距離呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律,其中整個工作面的進風側(cè)(包括采空區(qū))CO體積分數(shù)遠低于回風側(cè),CO體積分數(shù)最大區(qū)域靠近采空區(qū)回風側(cè),與后部刮板輸送機對應(yīng)區(qū)域基本平行,距離工作面17～21 m,最高濃度接近0.09%;采空區(qū)中部CO體積分數(shù)最高區(qū)域與工作面距離約7 m,最高濃度達0.06%以上;采空區(qū)進風側(cè)CO體積分數(shù)最高濃度在0.005 3%左右,最高濃度位置與工作面距離約30 m.進入窒息帶后,采空區(qū)CO體積分數(shù)迅速降低至不足0.004%.

3) 從模擬結(jié)果看,回風隅角區(qū)域內(nèi)CO體積分數(shù)達0.017%左右,工作面后部刮板輸送機區(qū)域CO體積分數(shù)亦較高。沿工作面傾向,工作面后部刮板輸送機區(qū)域CO體積分數(shù)自進風側(cè)至回風側(cè)從0逐步升高,距進風巷90 m左右開始,CO體積分數(shù)達0.002 4%以上,與回風隅角緊挨的后部刮板輸送機電機及減速機區(qū)域CO體積分數(shù)最高。模擬結(jié)果表明,該區(qū)域內(nèi)的CO最大體積分數(shù)0.036%以上,遠高于回風隅角內(nèi)CO體積分數(shù);回風流內(nèi)CO體積分數(shù)在0.002 8%左右。

4) 從模擬結(jié)果看,工作面回風隅角內(nèi)CO體積分數(shù)最高值遠低于回風側(cè)采空區(qū)內(nèi)的CO氣體體積分數(shù)值最高。為進一步分析模擬結(jié)果,在工作面回風隅角進行風量實測,結(jié)果表明回風隅角過風量均值在251.31 m3/min.已有研究表明,采空區(qū)氧化帶漏風強度為0.1～0.24,考慮垮冒帶高度作為斷面高度,則氧化帶平均過風量為28.85 m3/min,氧化帶CO最大體積分數(shù)接近0.09%,最小體積分數(shù)0.004%,取平均值0.047%,則模擬所得的回風隅角CO氣體來源于采空區(qū)CO氣體的濃度采用公式(4)計算:

(4)

將上述數(shù)據(jù)代入式(4),可計算得到回風隅角內(nèi)來源于采空區(qū)CO氣體的體積分數(shù)為0.005 4%,故可得回風隅角內(nèi)CO體積分數(shù)的32%來源于采空區(qū),剩余的68%則來源于后部刮板輸送機破碎煤體的氧化。這一結(jié)論與傳統(tǒng)認識差別較大,這也提示在后續(xù)治理低變質(zhì)煤種開采過程中出現(xiàn)CO超限問題時,不僅要治理采空區(qū),還必須將重心放在治理支架后部刮板輸送機區(qū)域堆煤氧化產(chǎn)生CO上。

5) 將模擬結(jié)果與3號煤層綜放面正?；夭蓵r期進行對比驗證,采空區(qū)自燃三帶范圍、回風隅角內(nèi)CO體積分數(shù)均與實測結(jié)果較為符合,因此,模擬結(jié)果具備參考價值。

4 結(jié) 語

通過實驗室實驗得到CO產(chǎn)生速率基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場實際建立數(shù)值模擬實驗,其模擬結(jié)果與現(xiàn)場符合性較好,得到以下結(jié)論:

1) 采空區(qū)內(nèi)CO體積分數(shù)隨與工作面距離的增加呈先升高后降低的變化規(guī)律,不同區(qū)域CO最高濃度位置與工作面距離不同,支架后部刮板輸送機區(qū)域CO體積分數(shù)從進風向回風CO體積分數(shù)逐步升高,工作面回風側(cè)CO體積分數(shù)總體上遠大于進風側(cè)。

2) 工作面整個區(qū)域內(nèi)采空區(qū)內(nèi)的CO體積分數(shù)最高,其次為后部刮板輸送機電機及減速機區(qū)域,而后為回風隅角區(qū)域,但采空區(qū)并非是工作面、回風隅角、回風巷等區(qū)域CO的主要來源。

3) 3號煤層綜放面回風隅角內(nèi)CO氣體來源于采空區(qū)的占比為32%,剩余的68%則來源于后部刮板輸送機區(qū)域堆煤的氧化。