切頂沿空留巷U+L型通風(fēng)采場(chǎng)煤自燃風(fēng)險(xiǎn)判定研究

李宗翔,李宇航,胡東杰

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000; 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 阜新 123000)

0 引言

煤礦采空區(qū)自燃嚴(yán)重制約著企業(yè)安全且高效生產(chǎn)工作的進(jìn)行[1-3],對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者們?cè)诿鹤匀紮C(jī)理以及氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)采空區(qū)自燃的影響等方面進(jìn)行了大量的研究。ITAY等[4]研究了煤的氧化機(jī)理,提出了煤的低溫氧化反應(yīng)是空氣從氧化層的擴(kuò)散控制過程中的新理論,鄧軍等[5]通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤自燃特性參數(shù),并通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),分析判定出采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域、在保障綜放面安全前提下的最小推進(jìn)速度。時(shí)國慶[6]從研究三相泡沫基本流變特征入手,重點(diǎn)對(duì)三相泡沫在采空區(qū)的流動(dòng)特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,最終使三相泡沫的防滅火效率得到了充分發(fā)揮。陳曉坤等[7]結(jié)合煤自燃發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),確定了自燃“三帶”的范圍及工作面最小推進(jìn)速度。齊慶杰等[8]運(yùn)用Comsol軟件研究工作面不同供風(fēng)量時(shí)采空區(qū)自燃帶隨回采時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化得到工作面供風(fēng)量與自燃帶寬度的擬合曲線。聶士斌等[9]研究了A-B/WG復(fù)合凝膠的防滅火性能,得到該復(fù)合凝膠不但能有效抑制煤的燃燒,而且能夠防止煤的復(fù)燃。

與傳統(tǒng)U型通風(fēng)采空區(qū)流場(chǎng)相比,運(yùn)用110工法開采形成復(fù)雜的U+L型通風(fēng)采空區(qū)流場(chǎng),煤的自燃危險(xiǎn)性判定更為復(fù)雜,這種典型的U+L型通風(fēng)采空區(qū)自燃模式是采空區(qū)安全理論研究的熱點(diǎn)問題。鑒于此,筆者以棋盤井東區(qū)11101首采工作面為工程背景開展研究。

棋盤井煤礦東區(qū)11101工作面長度240 m,總推進(jìn)長度為2000 m,沿空留巷規(guī)格高為3 m、寬為4 m?；夭煞秶鷥?nèi)平均煤厚約為3 m,采用長壁式智能綜合機(jī)械化采煤法,一次采全高采煤工藝,工作面日推進(jìn)速度4 m。工作面采用U+L型通風(fēng)系統(tǒng),運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng),尾部進(jìn)風(fēng)巷為切頂沿空留巷通風(fēng)。

根據(jù)重慶研究院的《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及瓦斯等級(jí)評(píng)價(jià)報(bào)告》和《煤自燃傾向性鑒定報(bào)告》結(jié)果:礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為4.01 m3/t,最大絕對(duì)瓦斯涌出量為10.31 m3/min,為低瓦斯礦井;9-1層煤自燃傾向性等級(jí)為II級(jí),屬自燃煤層,11101工作面所在煤層最短自然發(fā)火期為66 d。

1 棋盤井煤礦東區(qū)煤樣的耗氧特征

煤炭氧化自燃理論認(rèn)為漏風(fēng)風(fēng)流中的氧氣是煤炭自燃的決定性因素,因此,利用氧氣體積分?jǐn)?shù)來劃分采空區(qū)氧化自燃“三帶”是可靠的[10-11]。實(shí)驗(yàn)是在封閉的環(huán)境中進(jìn)行的,氣泵連接著煤樣罐使罐內(nèi)空氣與煤樣進(jìn)行充分的接觸,實(shí)驗(yàn)溫度為23℃。其中,工作面巷道布置如圖1所示,隨著煤氧化耗氧,氧體積分?jǐn)?shù)逐漸減小,最后在15.06%趨于平緩,說明在此氧氣條件下,煤耗氧很弱(不耗氧),取15%作為棋盤井礦采空區(qū)窒熄臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)值[12],如圖2所示?；诖藢?shí)驗(yàn)得到棋盤井煤樣進(jìn)行封閉條件下的耗氧特性。

圖1 首采11101工作面布置及邊界Fig. 1 The first 11101 working surface layout and boundary

圖2 棋盤井礦9-1煤樣封閉耗氧實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Results of closed oxygen consumption experiment of 9-1 coal sample in Checkerboard Well Mine

(1)

若將實(shí)驗(yàn)中氧體積分?jǐn)?shù)變化按負(fù)指數(shù)函數(shù)回歸,其衰減率λc= -6.59273×10-4,回歸相關(guān)系數(shù)為0.99787。

氧氣體積分?jǐn)?shù)為C0時(shí)的煤樣罐的體積耗氧速度常數(shù),為:

γ0= -0.4464λc(C0-Cb)

(2)

式中γ0為初始(或標(biāo)準(zhǔn)條件下)煤樣罐的體積耗氧速度常數(shù)。

通過以上實(shí)驗(yàn)得到窒熄臨界氧氣體積分?jǐn)?shù)Cb=15.06%、煤的體積耗氧速度常數(shù)γ0= 6.59273×10-4mol/(m3·s)。以上數(shù)據(jù)作為災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)值和仿真研究的基礎(chǔ)物理參數(shù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作及漏風(fēng)規(guī)律煙霧實(shí)驗(yàn)

2.1 邊界風(fēng)量和兩端壓差(通風(fēng)阻力)實(shí)測(cè)

為了獲得工作面兩端壓差,2021年10月11日同時(shí)進(jìn)行了工作面和沿空留巷的風(fēng)量及通風(fēng)阻力測(cè)試。測(cè)算得到11101工作面2-3(圖1中標(biāo)示點(diǎn)2,3間)兩端壓差為52 Pa,實(shí)測(cè)600 m切頂沿空留巷1-2段的通風(fēng)阻力為70 Pa。測(cè)得 11101工作面進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為1504.8 m3/min,尾部進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量為680.36 m3/min。

為獲得采場(chǎng)邊界漏風(fēng),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了工作面和沿空留巷風(fēng)量變化。根據(jù)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù),繪制如圖3所示的沿程風(fēng)量變化曲線圖。

圖3 采空區(qū)邊界沿程風(fēng)量變化曲線Fig. 3 Goaf boundary variation curves along the path

圖3中觀測(cè)數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值,波動(dòng)大的原因?yàn)?受液壓支架變化和采煤機(jī)及其他設(shè)備、煤堆積等占居空間,使得工作面有效斷面變化很大,風(fēng)速測(cè)定值不穩(wěn)定、變化大,風(fēng)量是按平均斷面乘以風(fēng)速計(jì)算的,但變化趨勢(shì)符合實(shí)際一般規(guī)律。

2.2 采場(chǎng)漏風(fēng)邊界條件現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定分析

圖3(a)中橫軸坐標(biāo)從0～240 m表示工作面2-3邊界從進(jìn)風(fēng)端口到回風(fēng)端口,紅線是對(duì)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)量的擬合曲線?？梢钥闯?1101工作面風(fēng)量從進(jìn)風(fēng)端到回風(fēng)端是不斷增加的,原因是沿空留巷漏風(fēng)流經(jīng)過采空區(qū)都回流到工作面,使風(fēng)量越來越大。風(fēng)量的變化趨勢(shì)符合實(shí)際沿空留巷漏風(fēng)的規(guī)律。

同樣地,在沿空留巷內(nèi)測(cè)量該巷道內(nèi)沿程的風(fēng)量,圖3(b)中橫軸表示沿空留巷邊界1-2從工作面位置到開切眼的位置。從圖3(b)中可以看出,沿空留巷的漏風(fēng)主要集中在開切眼附近和靠近工作面的200 m左右的范圍內(nèi),符合實(shí)際情況,可以作為CFD仿真的漏風(fēng)分布使用。

根據(jù)圖3工作面和沿空留巷實(shí)測(cè)的沿程風(fēng)量的變化趨勢(shì)繪制了沿空留巷首采面采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流軌跡圖,如圖4所示。

2.3 U+L型通風(fēng)采空區(qū)流場(chǎng)規(guī)律的煙霧實(shí)驗(yàn)

為了直觀了解沿空留巷采空區(qū)的風(fēng)流移動(dòng)規(guī)律,搭建了110工法沿空留巷采空區(qū)風(fēng)流移動(dòng)的煙霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的巷道尺寸,以1∶400的比例建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖5是首采11101工作面采空區(qū)風(fēng)流移動(dòng)的煙霧實(shí)驗(yàn)的照片,對(duì)應(yīng)工作面推進(jìn)900 m的位置,在實(shí)驗(yàn)煙霧的初始階段,白色的煙霧越白,煙霧越濃,說明流場(chǎng)風(fēng)流的流動(dòng)強(qiáng)度越大。相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了定性分析,為了對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行定量分析,即進(jìn)行了CFD仿真。

2.4 首采11101采空區(qū)氣體現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)整理

根據(jù)束管實(shí)測(cè),首采11101工作面采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)降低至18%以下,高于10%時(shí),對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)與采樣頭埋深進(jìn)行曲線擬合。將氧體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,求出氧體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)回風(fēng)側(cè)采樣頭距工作面的距離,求出回風(fēng)側(cè)氧體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)距工作面的距離。

假設(shè)氧體積分?jǐn)?shù)下降趨勢(shì)近似呈線性關(guān)系,那么通過線性回歸分析,得到采空區(qū)束管實(shí)測(cè)氧體積分?jǐn)?shù)值與距離工作面位置的關(guān)系,

Li= 756-36.8Ci

(3)

式中:Ci為采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)值(%);Li為距離工作面位置(m)。回歸相關(guān)系數(shù)為0.9278,比較顯著。

從圖6中得到,回風(fēng)側(cè)氧體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)的地點(diǎn)與工作面的距離Li=204 m。由此推算,回風(fēng)側(cè)的氧體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)的地點(diǎn)與工作面的距離Li=388 m。CFD仿真中的氧體積分?jǐn)?shù)分布場(chǎng)要與圖6中實(shí)測(cè)的氧體積分?jǐn)?shù)分布場(chǎng)吻合。

圖6 首采11101工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果Fig. 6 Observations of gas in the goaf area on the return air side of the first mining 11101 working surface

3 切頂沿空留巷采空區(qū)流場(chǎng)煤自燃規(guī)律仿真

3.1 采空區(qū)CFD計(jì)算的仿真剖分模型

CFD仿真采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的第一步是建立采場(chǎng)仿真數(shù)值模型,9-1煤層11101首采工作面采空區(qū)CFD計(jì)算模型,如圖7所示。運(yùn)用Fuent軟件求解。

圖7 棋盤井11101采空區(qū)模型圖Fig. 7 Checkerboard Well 11101 goaf model

3.2 切頂沿空留巷采場(chǎng)風(fēng)流移動(dòng)規(guī)律仿真

為了考察11101工作面在不同推進(jìn)位置上采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流的變化,根據(jù)礦井實(shí)測(cè)的巷道尺寸建立了工作面推進(jìn)位置分別為400、800、1200 m的3組仿真模型。在各組模擬結(jié)果中取流場(chǎng)高度為0.5 m的層面做顯示切片,得到如圖8所示的實(shí)際觀測(cè)的采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于15%的分布結(jié)果圖。圖8中的空白區(qū)為自燃氧化窒熄區(qū)。從圖8中看出,U+L型采空區(qū)內(nèi)存在自燃的危險(xiǎn)地點(diǎn)可分為開切眼附近、靠近沿空留巷的5～10 m內(nèi)和工作面后方等3個(gè)重點(diǎn)區(qū)。

圖8 工作面不同推進(jìn)位置時(shí)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)劃分及氧體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 8 Division of the goaf spontaneous combustion hazard zone and oxygen concentration distribution when the working surface is differently propelled

對(duì)比圖4和圖5,圖8中400、800、1200 m仿真模型模擬得出的氧氣流場(chǎng)分布與實(shí)測(cè)的漏風(fēng)規(guī)律、煙霧模擬的流場(chǎng)分布規(guī)律一致,三者相互驗(yàn)證,由此確定棋盤井礦沿空留巷首采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。

3.3 沿空留巷U+L采空區(qū)注氮?dú)饬鲌?chǎng)惰化仿真

沿空留巷進(jìn)風(fēng)端漏風(fēng)會(huì)持續(xù)影響首采面開切眼附近的采空區(qū),極容易導(dǎo)致該區(qū)域煤自燃。模擬注氮?dú)夂?去除沿空留巷進(jìn)風(fēng)端(靠近開切眼的一端)的氧分布,既能消除安全隱患,筆者也可以參照U型通風(fēng)使用氧體積分?jǐn)?shù)法確定切頂沿空留巷采場(chǎng)自燃三帶的劃分,因此,提出了在沿空留巷進(jìn)風(fēng)端注氮?dú)獾姆罍缁鸫胧?并用CFD流體仿真軟件對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)U+L型通風(fēng)流場(chǎng)特征,注氮口位置設(shè)在尾巷漏入風(fēng)口處,如圖7所示,對(duì)提出的注氮措施的仿真只是用來驗(yàn)證其在降低沿空留巷首采面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布的可行性,故對(duì)注氮的工藝不做介紹,為了探究自燃危險(xiǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化和防止開切眼附近遺煤自燃,故注氮口不隨工作面的推進(jìn)而發(fā)生變化。根據(jù)MT/T701—1997《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》中的相關(guān)公式計(jì)算得出注氮流量21 m3/min,如圖9所示,給出注氮后采空區(qū)0.5 m高度上的自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布的切片云圖。

圖9 采取注氮措施后采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域分布Fig. 9 Distribution of hazard areas in goaf after nitrogen injection measures

4 U+L型通風(fēng)采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)性判定

對(duì)比圖8～圖9,開切眼附近高氧體積分?jǐn)?shù)區(qū)在尾巷注氮的防滅火措施后消失,但靠近沿空留巷一小部分區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)依舊很高,所在區(qū)域不寬,可采取加大噴灑阻化劑、注漿注凝膠堵漏等措施得以有效控制,因此遺煤自燃分析可不考慮該區(qū)域。在這個(gè)前提下采空區(qū)自燃分析可按U型通風(fēng)采空區(qū)自燃三帶劃分方法來解釋。從圖9可以看出,不同推進(jìn)位置的自燃三帶寬度變化不大,因此,選取工作面推進(jìn)800 m時(shí)進(jìn)行自燃危險(xiǎn)性分析。

從圖8的CFD仿真結(jié)果看,沿空留巷U+L型通風(fēng)工作面后方采空區(qū)仍然符合采空區(qū)耗氧非均勻性原理,進(jìn)風(fēng)側(cè)氧體積分?jǐn)?shù)分布大于回風(fēng)側(cè)。

如圖10所示,從仿真圖中看出,在工作面后方進(jìn)風(fēng)側(cè)15%氧體積分?jǐn)?shù)距離工作面為101 m,從重慶研究院得到工作面后方冷卻帶的寬度為21 m,這里沿空巷冷卻帶寬度按15 m計(jì)算。則工作面后方自燃氧化帶最大寬度Lm=101-21 =80 m。由此得到采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性的判別條件,

圖10 工作面后方自燃氧化帶及尺度的確定Fig. 10 Determination of the spontaneous combustion oxidation zone and scale behind the working surface

(4)

當(dāng)滿足式(4)判別條件時(shí),采空區(qū)是安全的。否則,存在危險(xiǎn)性,即自燃風(fēng)險(xiǎn)性大。

由此進(jìn)一步得到9-1煤工作面的最低安全推進(jìn)度,即自燃危險(xiǎn)臨界推進(jìn)度為:

(5)

顯然,按目前的工作面日推進(jìn)度3.6～4.0 m/d,采空區(qū)不會(huì)自燃。當(dāng)工作面遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造破碎帶時(shí),采空區(qū)煤層的遺留量大大增加,存在自燃風(fēng)險(xiǎn)。該值為自燃防控提供科學(xué)指導(dǎo)。

5 結(jié)論

1)運(yùn)用封閉耗氧實(shí)驗(yàn)得到棋盤井煤礦9-1#層的煤樣的氧化特性、煤樣體積耗氧速度,確定出窒息的臨界氧體積分?jǐn)?shù)為15%,為評(píng)價(jià)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)提供依據(jù)。

2)通過11101工作面和沿空留巷中的沿程風(fēng)量的實(shí)測(cè)、采空區(qū)風(fēng)流移動(dòng)的煙霧實(shí)驗(yàn)、采空區(qū)流場(chǎng)CFD仿真,得到了采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。通過11101工作面采空區(qū)氣體成分的束管現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。測(cè)沿空留巷采空區(qū)回風(fēng)側(cè)15%氧體積分?jǐn)?shù)距離工作面204 m。

3)提出在尾巷注氮沿空留巷注漿措施,將U+L型通風(fēng)采空區(qū)自燃模式轉(zhuǎn)化為U型通風(fēng)采空區(qū)自燃模式的危險(xiǎn)性判定。指出切頂沿空留巷采場(chǎng)自燃危險(xiǎn)區(qū)任然在工作面后方自然氧化帶內(nèi)。根據(jù)采空區(qū)自燃三帶理論,得到最低安全推進(jìn)度1.2 m/d,在工作面推進(jìn)度3.6～4.0 m/d,采空區(qū)內(nèi)不會(huì)發(fā)生自燃。