賈寶山，汪　偉，祁　云，孫　勇，李守國(guó)1,

(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.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島 125105；3.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 113112)

0　引言

煤礦火災(zāi)是影響礦井安全的一大災(zāi)害，而采空區(qū)遺煤自燃火災(zāi)在井下火災(zāi)總數(shù)的占比達(dá)到85%左右[1-2]。有資料表明，全國(guó)有約56%的礦井受到自然發(fā)火的威脅[3]。礦井火災(zāi)不僅使煤炭資源遭受破壞，損毀大量的井下設(shè)備，還會(huì)產(chǎn)生瓦斯、煤塵爆炸等繼發(fā)性災(zāi)害[4]。隨著綜采放頂煤技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，礦井生產(chǎn)效率得到明顯提高，與此同時(shí)，也出現(xiàn)了工作面推進(jìn)速度降低，漏風(fēng)量增加，采空區(qū)遺煤較多等問(wèn)題，使采空區(qū)自燃火災(zāi)發(fā)生幾率大大增加[5-7]。

目前，采空區(qū)防滅火技術(shù)主要有均壓通風(fēng)、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等，亦或是這些技術(shù)的綜合使用。研究表明，如果封閉火區(qū)內(nèi)的氧氣濃度降到5%以下，火勢(shì)就會(huì)慢慢減弱最后熄滅[8]。注氮防滅火技術(shù)就是根據(jù)這一原理，將惰性氣體N2注入采空區(qū)，稀釋火區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，滿足防火惰化要求。由于N2的注入可以在采空區(qū)產(chǎn)生正壓，使漏風(fēng)量減小，而且N2的密度要小于空氣，可以在采空區(qū)上浮、擴(kuò)散，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)深部和高位火災(zāi)起到較好的治理效果，再加上注氮的經(jīng)濟(jì)成本比較低，因此注氮防滅火技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)可靠的治理手段己經(jīng)被普遍采用[9-11]。而注氮流量、注氮口位置、注氮時(shí)間等參數(shù)制約著注氮效果的好壞，對(duì)此許多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究[12-15]，但是尚未明確給出注氮量的模擬取值范圍的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有系統(tǒng)對(duì)氧化自燃帶寬度隨注氮量變化的關(guān)系進(jìn)行定量分析。為此本文結(jié)合前人的研究成果，針對(duì)晉牛煤礦1303綜放工作面開展試驗(yàn)研究，通過(guò)在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)布置束管和溫度采樣測(cè)點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)采空區(qū)氣體濃度、溫度數(shù)據(jù)，劃分采空區(qū)自燃“三帶”分布區(qū)域，并基于CFD理論，利用流體力學(xué)COMSOL計(jì)算軟件，研究了不同注氮量、注氮位置參數(shù)下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、定量分析、數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地分析注氮參數(shù)對(duì)氧化自燃帶寬度變化的影響規(guī)律，結(jié)合工作面實(shí)際生產(chǎn)情況及模擬數(shù)據(jù)擬合式對(duì)注氮參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而為采空區(qū)遺煤自燃防治技術(shù)的進(jìn)一步提高提供理論指導(dǎo)。

1　采空區(qū)自燃“三帶”實(shí)測(cè)分析

1.1　 1303綜放工作面概況

晉牛煤礦1303綜放工作面位于1030水平11#煤層一采區(qū)，該工作面東起集中回風(fēng)大巷，西至井田邊界，南為1305工作面，北為1301工作面。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度906.6 m，傾斜長(zhǎng)度90 m，煤層厚度為5.24～7.30 m，平均厚度為6.17 m。采用綜采放頂煤開采技術(shù)，全部垮落法控制采空區(qū)頂板，工作面機(jī)采采高2.9 m，放頂煤高度3.3 m，采放比為1∶1.13。煤層節(jié)理發(fā)育，含有1～4層夾矸，夾矸以薄層泥巖為主，厚度變化不大，煤層傾角8～14°，平均為10°。開采煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為21 d，煤塵爆炸指數(shù)為45.79%，具有爆炸性。

1.2　采空區(qū)束管布置方案

針對(duì)1303綜放面的基本特征，在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷鋪設(shè)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用晉牛煤礦提供的GC-2010型氣相色譜儀，對(duì)采空區(qū)內(nèi)各種氣體的含量隨著綜放面回采的變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)定。采用進(jìn)、回風(fēng)巷同時(shí)布置測(cè)點(diǎn)的方式，測(cè)點(diǎn)相互間距為20 m，每側(cè)3個(gè)，具體布置方案如圖1所示，其中1～6#表示束管及溫度傳感器安設(shè)位置。

圖1　束管及溫度傳感器安設(shè)布置Fig.1　Beam tube and temperature sensor layout

測(cè)溫采用AD590型集成溫度傳感器，并使用自主研發(fā)的本安型數(shù)字測(cè)溫儀表。由于采空區(qū)頂板垮落，容易損壞測(cè)點(diǎn)的探頭，為防止頂板冒落及放頂煤時(shí)對(duì)束管產(chǎn)生巨大的沖擊，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)采用無(wú)縫鋼管對(duì)束管進(jìn)行保護(hù)。將束管管纜和測(cè)溫導(dǎo)線進(jìn)行固定后一起穿入套管內(nèi)，測(cè)溫導(dǎo)線預(yù)留一定的長(zhǎng)度，防止測(cè)溫導(dǎo)線由于拉伸所導(dǎo)致斷裂，套管之間用快速接頭連接牢固。在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處分別安裝上溫度傳感器及采樣頭，采樣頭和束管相連，溫度傳感器與測(cè)溫導(dǎo)線相連。束管鋪設(shè)前，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)預(yù)鋪設(shè)的單芯束管與真空泵采氣處的三芯束管進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)，以便識(shí)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.3　采空區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用兩個(gè)多月的時(shí)間對(duì)1303綜放面采空區(qū)的溫度及氣體進(jìn)行了實(shí)測(cè)，從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，氧氣濃度在上隅角監(jiān)測(cè)位置相對(duì)于其他監(jiān)測(cè)位置來(lái)說(shuō)下降的更快些，這也正與氣體在采空區(qū)的實(shí)際運(yùn)移規(guī)律相符合。其中1#測(cè)點(diǎn)在被埋進(jìn)采空區(qū)48 m時(shí)，氧氣濃度開始降至18%，表明已進(jìn)入到氧化自燃帶；隨著推進(jìn)距離繼續(xù)增加，氧氣濃度也進(jìn)一步降低，到90 m的時(shí)候氧氣含量的監(jiān)測(cè)值已經(jīng)處于10%以下；煤體壓實(shí)程度加深，這一區(qū)域的漏風(fēng)量極小，推進(jìn)到106 m時(shí)，氧氣濃度低于8%進(jìn)入窒熄帶。2#，3#測(cè)點(diǎn)的記錄結(jié)果大體與1#測(cè)點(diǎn)的結(jié)果一致。5#測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度在37 m時(shí)降至18%，埋進(jìn)95 m時(shí)降到8%，進(jìn)入窒息帶。4#，6#測(cè)點(diǎn)在推進(jìn)到39 m時(shí)，氧濃度開始低于18%，后期由于束管被堵不再監(jiān)測(cè)。整體上的監(jiān)測(cè)結(jié)果較為理想，于是依氧氣濃度劃分的原則，對(duì)1303綜放面采空區(qū)遺煤自燃“三帶”的分布區(qū)域進(jìn)行劃分，結(jié)果如表1所示。

表1　根據(jù)氧氣濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”Tab.1　“Three zones” of spontaneous combustion ingoaf according to oxygen concentration

2　1303工作面模型的建立

2.1　幾何模型的建立

根據(jù)晉牛煤礦1303綜放工作面資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用COMSOL模擬軟件建立采空區(qū)幾何模型如圖2所示。其中工作面長(zhǎng)度WG為90 m，寬度為7 m；采空區(qū)長(zhǎng)度GL為260 m，寬度為90 m。邊界W1為進(jìn)風(fēng)巷的進(jìn)風(fēng)口，寬度為3 m；W2為回風(fēng)巷的回風(fēng)口，寬度為3 m；W3，W4，W7為工作面未采實(shí)體煤壁，W5為進(jìn)風(fēng)巷外側(cè)保護(hù)煤壁，W6回風(fēng)巷外側(cè)保護(hù)煤壁，G1為回風(fēng)巷采空區(qū)邊界，G2為進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)邊界，以頂板壓力穩(wěn)定區(qū)域邊界G3為計(jì)算區(qū)域的邊緣。

圖2　采空區(qū)幾何模型Fig.2　Geometric model of goaf

2.2　采空區(qū)氣體流動(dòng)控制方程

由于流體運(yùn)動(dòng)方程組的建立要滿足基本流體流動(dòng)定律，當(dāng)氣體處在采空區(qū)深部低速流動(dòng)，如果設(shè)定采空區(qū)氣體是不可壓縮的，可以將其看成二維層流流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，此時(shí)不必考慮能量交換。所以采空區(qū)的風(fēng)流流動(dòng)就只需要滿足動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程[16]：

(1)

(2)

(3)

式中：u,v分別為x,y方向上的風(fēng)流速度，m/s；ρ為礦井中空氣的密度，kg/m3；t為氣體流動(dòng)時(shí)間，s；P為流體微元上的壓力，Pa；μ為采空區(qū)空氣的動(dòng)力粘度，Pas；Su,Sv為自定義的源項(xiàng)。

2.3　邊界條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)定

在選取主要計(jì)算條件和參數(shù)時(shí)，要遵循現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，將工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)定為入口邊界；采空區(qū)出口邊界為自由邊界。將注氮口設(shè)定為速度入口，并取氮?dú)獾臐舛葹?7%。實(shí)測(cè)得到進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流溫度是18.6 ℃，氧氣濃度是20.9%，工作面實(shí)際風(fēng)速是1.62 m/s；礦井平均空氣密度ρ=1.225 kg/m3，常溫下取空氣粘性系數(shù)η=1.789 4×10-5kg/ms，氣體的擴(kuò)散系數(shù)D=2.88×10-5m3/s，松散系數(shù)設(shè)置為1.5。采空區(qū)的孔隙率可以依據(jù)頂板冒落碎脹的實(shí)際情況由經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得到：

(4)

采空區(qū)的滲透率由多孔介質(zhì)Carman公式進(jìn)行計(jì)算[17-18]：

(5)

式中：x為采空區(qū)距工作面距離，m；Dm為平均粒徑，m；n為孔隙率。

3　注氮量取值范圍的確定

首先要確定出一個(gè)合理的模擬方案，通過(guò)常用的采空區(qū)注氮設(shè)計(jì)方法，得到數(shù)值模擬所需注氮量的取值范圍。目前主要是按照采空區(qū)氧化升溫帶的氧氣濃度和工作面的煤炭日產(chǎn)量這2種參數(shù)計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)采空區(qū)注氮量。

3.1　按氧化升溫帶的氧氣濃度設(shè)計(jì)注氮量

按照氧化升溫帶的氧氣濃度來(lái)設(shè)計(jì)采空區(qū)所需注氮量的原理是，使氧化升溫帶內(nèi)原本的氧濃度值稀釋到滿足惰化要求時(shí)的氧濃度值，此時(shí)注氮量可用下式計(jì)算:

(6)

式中：QN為注氮量，m3/h；k為附加系數(shù)，取1.3；Q0為氧化升溫帶內(nèi)的漏風(fēng)量，取2.75 m3/h；C1為氧化升溫帶內(nèi)的平均氧氣濃度，按經(jīng)驗(yàn)取15%；CN為注入氮?dú)獾臐舛?，?7%，C2為采空區(qū)達(dá)到防火要求時(shí)的氧氣濃度，這里為8%。代入到式(6)得出注氮量QN=300 m3/h。

3.2　按工作面煤炭日產(chǎn)量設(shè)計(jì)注氮量

按照工作面的煤炭日產(chǎn)量來(lái)設(shè)計(jì)采空區(qū)所需注氮量的原理是，通過(guò)注氮口注入氮?dú)?，將每天因?yàn)榛夭啥斐傻牟煽諈^(qū)空間體積進(jìn)行惰化，稀釋氧化升溫帶內(nèi)氧氣使其濃度降到防火要求指標(biāo)以下，此時(shí)注氮量可用下式計(jì)算：

(7)

式中：A為煤炭的日產(chǎn)量，t；ρ為煤的密度，取1.28 t/m3；N1為管道輸?shù)?，?.9；N2為采空區(qū)注氮效率，取0.6；C3為空氣中的氧氣含量，取20.9%。代入式(7)得出注氮量QN=500 m3/h。通過(guò)以上計(jì)算，可以知道注氮量的取值范圍是300～500 m3/h。

4　注氮參數(shù)的數(shù)值模擬研究

4.1　注氮位置影響采空區(qū)流場(chǎng)仿真

因?yàn)椴煌⒌恢脳l件下，氮?dú)庠诓煽諈^(qū)中擴(kuò)散和運(yùn)移的范圍會(huì)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致采空區(qū)“三帶”的分布區(qū)域也跟著發(fā)生改變，為了確定最佳注氮位置，當(dāng)注氮量為400 m3/h時(shí)，在注氮的位置與切頂線間距為10,20,30,50,70 m情況下，分別對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬。為了使模擬所得的“三帶”分布結(jié)果更貼合實(shí)際，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，這里采用的是綜合采空區(qū)流場(chǎng)風(fēng)速和氧氣濃度2種劃分指標(biāo)的方法，也就是分別把風(fēng)速0.004 m/s等值線和氧氣濃度8%等值線定為氧化帶的上界限和下界限。

由數(shù)值模擬得到不同注氮位置條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍如圖3所示。

(a)注氮口距離切頂線10 m

(b)注氮口距離切頂線20 m

(c)注氮口距離切頂線30 m

(d)注氮口距離切頂線50 m

(e)注氮口距離切頂線70 m圖3　不同注氮位置下采空區(qū)流場(chǎng)和自燃“三帶”分布Fig.3　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen position

可以看出，如果注氮位置發(fā)生改變，則采空區(qū)氧化自燃帶也會(huì)呈現(xiàn)不一樣的分布趨勢(shì)。隨著注氮口向采空區(qū)深部移動(dòng)，影響的主要是氧氣濃度8%等值線，而漏風(fēng)速度0.004 m/s等值線的變化趨勢(shì)并不明顯。隨著注氮口位置不斷遠(yuǎn)離切頂線，采空區(qū)氧化自燃帶的寬度雖然開始縮小，但之后又逐漸增大。注氮口位置與切頂線間距為10，20，30，50，70 m的情況下，對(duì)應(yīng)氧化自燃帶寬度分別為44，37，28.5，26，31.6 m，氧化自燃帶寬度降低為未注氮條件下的75%，63%，49%，45%，54%，表明對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮能夠使采空區(qū)氧化自燃帶寬度明顯縮小。

由于注氮位置參數(shù)會(huì)影響注氮效果及經(jīng)濟(jì)成本，因此要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況及數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化出最佳的注氮位置。根據(jù)圖3結(jié)果運(yùn)用Origin軟件繪制了氧化自燃帶寬度與注氮位置變化關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著注氮位置越來(lái)越深入采空區(qū)，氧化自燃帶的寬度開始逐漸縮小，但當(dāng)注氮位置與切頂線的間距超過(guò)50 m以后氧化自燃帶寬度反而開始增長(zhǎng)，這是因?yàn)樽⒌诼袢氩煽諈^(qū)過(guò)深時(shí)，與采空區(qū)窒息帶相距的比較近，對(duì)于采空區(qū)較淺位置的氧氣濃度不能起到很好的稀釋惰化作用，再加上注氮壓力的影響，注氮效果受到極大限制，所以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與理論研究結(jié)果，采空區(qū)最佳注氮位置范圍應(yīng)該在距離工作面30～50 m之間，取30 m為最合適的注氮位置。

圖4　采空區(qū)氧化帶寬度隨注氮口位置變化Fig.4　Goaf oxidized zone width with injection nitrogen position change

4.2　注氮量影響采空區(qū)流場(chǎng)仿真

本次設(shè)計(jì)的注氮量模擬方案一共被分成5組，根據(jù)之前所得到的模擬值的取值范圍，當(dāng)注氮位置距離切頂線30 m時(shí)，分別在注氮量為300,350,400,450,500 m3/h條件下，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的遺煤自燃“三帶”的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬。由數(shù)值模擬得到不同注氮量下采空區(qū)流場(chǎng)和自燃“三帶”分布范圍如圖5所示，可以看出變化較大的是氧氣濃度等值線，隨著注氮量加大，氧濃度8%等值線明顯向工作面移動(dòng)，氧化自燃帶的范圍逐漸縮小，而漏風(fēng)速度等值線的變化趨勢(shì)不大。

通過(guò)圖5得到注氮量為300，350，400，450，500 m3/h的情況下采空區(qū)內(nèi)的氧化自燃帶的寬度，如表2所示。整體上氧化帶的上界限受注氮量的影響并不是十分顯著，只沿著回采方向移動(dòng)了不到4 m，而氧化帶的下界限受注氮量的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)更為顯著，沿著回采方向移動(dòng)了22 m左右。隨著注氮量由300 m3/h增大到500 m3/h，采空區(qū)內(nèi)的氧化自燃帶的范圍也跟著明顯的縮小，寬度也從41.5 m減小到了23.5 m；當(dāng)注氮量為500 m3/h時(shí)，氧化自燃帶的寬度較未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮時(shí)減小了約35 m。

(a)注氮量為300 m3/h

(b)注氮量為350 m3/h

(c)注氮量為400 m3/h

(d)注氮量為450 m3/h

(e)注氮量為500 m3/h圖5　不同注氮量下采空區(qū)流場(chǎng)和自燃“三帶”分布Fig.5　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen quantity

注氮量/(m3·h-1)氧化帶上限位置/m氧化帶下限位置/m寬度/m30046.58841.535045.880.334.54004573.528.54504471275004366.523.5

由于注氮量過(guò)大會(huì)使注氮成本增加，并且向工作面泄漏氮?dú)獾奈ｋU(xiǎn)也逐漸增加，容易使工作面的氧氣濃度降到18.5%以下，從而對(duì)工人的身體健康造成危害，因此要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況及數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化出最佳的注氮量。根據(jù)表2運(yùn)用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到采空區(qū)氧化自燃帶的寬度隨注氮量變化曲線如圖6所示。由圖可知，注氮量與氧化自燃帶的寬度基本符合指數(shù)關(guān)系，根據(jù)所得擬合式有：

vτ≥L=120.4exp(-0.004 7QN)+11.85

(8)

式中:v為工作面的回采速度；τ為自然發(fā)火期；晉牛煤礦1303綜放工作面的實(shí)際回采速度為1.6 m/d，為了考慮安全，取回采速度為v=1.5 m/d，自然發(fā)火期τ=21 d。通過(guò)計(jì)算可知最優(yōu)的氮?dú)庾⑷肓渴?86 m3/h，此時(shí)氧化自燃帶寬度為31.5 m。

5　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨工作面回采的變化趨勢(shì)的測(cè)定，劃分了晉牛煤礦1303綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布區(qū)域，得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面48～106 m，回風(fēng)側(cè)距工作面37～95 m的范圍為氧化自燃帶。

2)利用COMSOL軟件模擬了注氮情況下采空區(qū)自燃“三帶”分布的變化規(guī)律，隨著注氮口位置向采空區(qū)深部移動(dòng)，氧化自燃帶寬度開始縮小而后增大，最合適的注氮位置應(yīng)該在距離切頂線30 m左右。

3)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著注氮量的加大，氧化自燃帶的范圍逐漸縮短，結(jié)合工作面實(shí)際生產(chǎn)情況及模擬結(jié)果對(duì)注氮量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)注氮量與氧化升溫帶寬度基本符合指數(shù)關(guān)系，由擬合式算出采空區(qū)最優(yōu)注氮量為386 m3/h，此時(shí)氧化帶的寬度相比未采取注氮措施時(shí)減小了27 m。

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