王曉東

(華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心,山西 陽泉 045000)

據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)229個(gè)重點(diǎn)礦井中,32.3%的礦井有瓦斯和遺煤自燃耦合災(zāi)害隱患[1]。礦井瓦斯與煤炭自燃災(zāi)害己逐漸成為我國礦井重特大事故發(fā)生的普遍模式[2]。陽煤五礦8406高瓦斯綜放面在回采過程中布置高低位抽采巷進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜,且擴(kuò)大了采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶范圍,易進(jìn)一步引發(fā)采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自然發(fā)火。

目前已有學(xué)者對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采與遺煤自燃的耦合關(guān)系進(jìn)行研究,汪文革等[3]模擬了采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)、漏風(fēng)場(chǎng)、氧氣濃度場(chǎng)的變化情況;楊勝強(qiáng)等[4]對(duì)高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了研究;杜海剛等[5]采用Fluent軟件模擬了多變風(fēng)量下風(fēng)量對(duì)自燃“三帶”的擾動(dòng)關(guān)系;高建良等[6]利用Fluent軟件對(duì)有、無高抽巷抽采瓦斯兩種情況下的采空區(qū)漏風(fēng)量和采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;劉振嶺等[7]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法確定了工作面配風(fēng)量、高抽巷位置以及推進(jìn)度等主要關(guān)鍵參數(shù)。肖峻峰等[8]分析了高抽巷布置參數(shù)和抽采參數(shù)、工作面風(fēng)量對(duì)高抽巷瓦斯抽采效果和采空區(qū)自燃帶分布相互影響的規(guī)律;陳高峰等[9]綜合分析了卸壓瓦斯抽采和防止采空區(qū)遺煤自燃對(duì)高抽巷布置層位的要求;李爭(zhēng)春等[10]研究了自燃煤層在瓦斯抽采過程中受到的影響,探討了瓦斯抽采的最佳參數(shù);趙奇等[11]通過研究得出了采用高抽巷抽采方式封堵回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷使工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)減少的結(jié)論;杜瀚林等[12]通過研究確定了最佳高抽負(fù)壓范圍;郭長恒等[13]以頂板長鉆孔替代高抽巷,進(jìn)行防火與控瓦斯耦合治理的研究;周西華等[14]研究了高瓦斯易自燃煤層不同供風(fēng)量、高抽巷抽采流量、低抽巷抽采流量等3個(gè)因素對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布影響規(guī)律;梁成等[15]通過研究得知在增加高抽巷抽采混合量和層位高度后,其瓦斯的抽采純量和體積分?jǐn)?shù)均呈先增后減的趨勢(shì)。

上述的研究對(duì)于高低位抽巷同時(shí)抽采聯(lián)合采空區(qū)注CO2防滅火相結(jié)合的技術(shù)研究較少,通過確定高低位抽巷抽采條件下CO2防滅火技術(shù)參數(shù),才能達(dá)到瓦斯治理與防滅火的最佳效果。無煙煤一般極不易自燃,然而陽煤五礦在開采過程中由于煤層頂板存在硫結(jié)核或局部煤層高含硫,需要進(jìn)一步研究。本文通過對(duì)8406工作面所采煤樣進(jìn)行煤的自燃程序升溫實(shí)驗(yàn),為三維采空區(qū)自然發(fā)火模型提供基礎(chǔ)參數(shù),進(jìn)而采用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬三維采空區(qū)流場(chǎng),觀察采空區(qū)瓦斯治理對(duì)遺煤自然發(fā)火的影響,為確定合理防滅火技術(shù)參數(shù)提供可靠依據(jù)。

1 自燃指標(biāo)試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)煤樣選取自陽煤五礦8406工作面,煤樣進(jìn)行工業(yè)分析,結(jié)果見表1.

表1 煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

陽煤五礦8406工作面煤質(zhì)為無煙煤,采空區(qū)遺煤存在自燃危險(xiǎn)性,自然發(fā)火期為53 d.減壓閥低壓出口設(shè)置為0.1 MPa,利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)整供氣流量為60 mL/min,打開干空氣瓶閥門開始供氣;打開雙管電爐并設(shè)置升溫速率為1 ℃/min;打開雙回路溫度顯示器;打開雙管電爐后關(guān)閉圖1中的止水夾1和3,煤溫達(dá)到20 ℃后開始采集氣體,連接氣體取樣球膽,關(guān)閉止水夾2和4,打開止水卡1或3進(jìn)行氣體采樣,氣體采集完關(guān)閉止水夾1和3,打開止水夾2和4,每升高10 ℃重復(fù)采集1次氣體,在煤溫升溫變快后可增加取樣溫度間隔;煤溫達(dá)到300 ℃時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn),關(guān)閉干空氣瓶和電源開關(guān)。煤程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 O2、CO、CO2體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系

圖3 烷烴體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系

從圖2中可知,在20～140 ℃范圍內(nèi),O2的體積分?jǐn)?shù)變化較小,煤溫達(dá)到140 ℃之后,管式爐出口處的O2體積分?jǐn)?shù)開始明顯下降,并且隨著溫度升高,管式爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)下降速度明顯加快,此階段主要耗氧為煤的化學(xué)反應(yīng),煤的燃燒過程進(jìn)入自熱階段,特別在煤溫達(dá)到180 ℃之后,反應(yīng)爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)下降速率升高,在煤溫達(dá)到302 ℃時(shí),管式爐內(nèi)O2體積下降程度顯著,降至10.45%,在此階段煤達(dá)到燃點(diǎn),具體可結(jié)合其他檢測(cè)氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

CO氣體首次檢測(cè)到的煤溫為70 ℃,其體積分?jǐn)?shù)為3.32×10-6,可以認(rèn)為五礦15號(hào)煤層煤樣的CO出現(xiàn)的臨界溫度為70 ℃左右,煤溫升高到140 ℃之后,CO體積分?jǐn)?shù)有了大幅提升,容易檢測(cè),對(duì)15號(hào)煤的自燃判斷較為靈敏。煤在氧化反應(yīng)初期就能檢測(cè)到CO2,CO2體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到408.42×10-6,在操作過程煤可能接觸到并吸附空氣中存在的少量CO2,以及煤本身吸附的CO2在高溫真空階段未完全解析,煤氧化反應(yīng)放熱會(huì)促進(jìn)CO2的解吸。煤溫在140 ℃之前,CO2生成量都很小且升高緩慢,在140 ℃后CO2體積分?jǐn)?shù)開始大幅度上升,體積分?jǐn)?shù)較大。

在煤樣的整個(gè)氧化過程中,烷烴的生成表現(xiàn)規(guī)律性較好,隨著溫度的升高,氣體體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加,氣體的初現(xiàn)溫度相同但氣體體積分?jǐn)?shù)的增長速度有所不同。CH4、C2H6、C3H8三種烷烴氣體隨著溫度的升高,其氣體體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增高,但氣體分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,體積分?jǐn)?shù)增長速度越慢。CH4、C2H6和C3H8的臨界溫度都為70 ℃,首次檢出的體積分?jǐn)?shù)分別為1.57×10-6、1.37×10-6、1.15×10-6,造成此現(xiàn)象的原因是無煙煤中含有CH4、C2H6、C3H8等氣體,但是真空烘干設(shè)定的溫度為60 ℃的恒溫狀態(tài)下,因此在真空烘干過程中CH4、C2H6、C3H8并沒有完全解吸,當(dāng)程序升溫實(shí)驗(yàn)達(dá)到70 ℃時(shí)煤中CH4、C2H6、C3H8氣體繼續(xù)解吸。雖然在20～60 ℃的升溫過程中,未檢測(cè)到CH4、C2H6、C3H8這三種氣體,但是初現(xiàn)溫度低,考慮可能原因是在真空烘干后煤中仍存在少量CH4、C2H6、C3H8等氣體,并不完全是煤升溫過程中氧化反應(yīng)的產(chǎn)物,可能部分屬于煤本身所吸附的氣體。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

2.1 8406工作面概況及模型設(shè)置

陽煤五礦8406工作面屬于15號(hào)煤層,平均煤厚6.6 m,煤層瓦斯含量為2.0～6.0 m3/t.回采期間,落煤瓦斯涌出量約為8.50 m3/min,鄰近層瓦斯涌出量為112 m3/min.進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為1 784 m3/min;回風(fēng)風(fēng)量為1 069 m3/min.工作面巷道布置如圖4所示。

圖4 8406工作面巷道布置

以陽煤五礦8406工作面采空區(qū)為原型,水平方向上高抽巷距回風(fēng)巷57 m,垂直方向上距煤層底板60 m;低抽巷距回風(fēng)巷水平距離30 m,垂直方向上距煤層底板6.6 m,采空區(qū)模型深度為200 m,根據(jù)上覆巖層垮落情況分析冒落帶及裂隙帶高度確定采空區(qū)模型高度為75 m.以工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸、工作面布置方向?yàn)閅軸、高度為Z軸構(gòu)建的采空區(qū)幾何模型如圖5所示,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格共劃分263 287個(gè)網(wǎng)格單元。根據(jù)實(shí)測(cè)采空區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量為120.5 m3/min,設(shè)置采空區(qū)瓦斯源相為4.8×10-7kg/(m3·s)。進(jìn)風(fēng)入口設(shè)置為速度入口,根據(jù)供風(fēng)量換算風(fēng)速,供風(fēng)量為1 784 m3/min,則進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.86 m/s,設(shè)置為回風(fēng)巷為自由出口。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽采流量換算流速,高低位抽巷設(shè)置為速度入口,高抽流量465 m3/min,低抽流量370 m3/min.

圖5 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.2 不同低抽巷抽采流量對(duì)遺煤自然發(fā)火的影響

為了掌握不同低抽流量對(duì)瓦斯治理和浮煤自燃的耦合作用,設(shè)置低位抽巷抽采流量為370 m3/min、450 m3/min、550 m3/min、650 m3/min,高位抽巷抽采流量及供風(fēng)量等條件保持不變,模擬結(jié)果見圖6.

圖6 不同低抽流量條件下氧濃度場(chǎng)分布(z=0.5 m)

為了研究不同低位抽巷抽采流量對(duì)采空區(qū)的影響,繪制不同低抽流量對(duì)應(yīng)采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度和最高溫點(diǎn)溫度的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同低抽流量下對(duì)應(yīng)采空區(qū)內(nèi)氧化帶寬度和最高溫度關(guān)系曲線

低位抽巷抽采流量從370 m3/min增加至650 m3/min,整體上對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶和中部氧化帶分布幾乎無影響;對(duì)回風(fēng)側(cè)氧化帶范圍有較小影響,主要表現(xiàn)為對(duì)氧化帶上限位置的影響,氧氣體積分?jǐn)?shù)上限位置向采空區(qū)深處移動(dòng)6 m,氧氣體積分?jǐn)?shù)下限位置向采空區(qū)深處僅移動(dòng)3 m,氧化帶寬度縮小3 m;采空區(qū)最高溫度略有下降,從312.25 K降至312.06 K,僅下降0.19 K.由此可知,在高位抽巷抽采流量和工作面供風(fēng)量不變的情況下,增加低位抽巷抽采流量對(duì)采空區(qū)整體影響較小,僅回風(fēng)側(cè)氧化帶上限向采空區(qū)深處小幅度移動(dòng),縮小了回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度。因此可以增加低位抽巷瓦斯抽采流量增加采空區(qū)瓦斯抽采能力。

2.3 不同高位抽巷抽采流量下數(shù)值模擬研究

2.3.1 高位抽巷抽采流量改變對(duì)遺煤自燃的影響

為了掌握不同高抽流量對(duì)瓦斯治理和浮煤自燃的耦合作用,設(shè)置高抽流量為100～465 m3/min,低抽流量及供風(fēng)量等條件保持不變,模擬結(jié)果見圖8.為了直觀反映不同高位抽巷抽采流量對(duì)采空區(qū)的影響,繪制不同高抽流量對(duì)應(yīng)采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度和最高溫點(diǎn)溫度的變化曲線見圖9.

圖8 不同高抽流量條件下氧濃度場(chǎng)分布(z=0.5 m)

圖9 不同高抽流量下對(duì)應(yīng)采空區(qū)內(nèi)氧化帶寬度和最高溫度關(guān)系曲線

高位抽巷抽采流量從100 m3/min增加至465 m3/min,采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度小幅度增長,氧化帶上限向采空區(qū)深處移動(dòng)4 m,氧化帶下限位置向采空區(qū)深處移動(dòng)8 m,氧化帶寬度增加4 m;采空區(qū)中部氧化帶上限向采空區(qū)深處移動(dòng)12 m,氧化帶下限向采空區(qū)深處移動(dòng)12 m,氧化帶寬度無改變;采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度明顯增加,氧化帶上限向采空區(qū)深處移動(dòng)26 m,氧化帶下限向采空區(qū)深處移動(dòng)40 m,氧化帶寬度增加14 m;采空區(qū)最高溫度小幅度增加,從311.09 K增長至312.25 K,增加了1.16 K.由此可知,高位抽巷抽采流量越小,采空區(qū)整體的氧化帶范圍和高溫區(qū)域就越小,因此,現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)降低高位抽巷抽采流量,減小工作面漏風(fēng)量,降低采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

2.3.2 高抽流量改變對(duì)低位抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)的影響

高位抽巷不同抽采流量對(duì)應(yīng)采空區(qū)CH4濃度場(chǎng)如圖10所示。隨著高位抽巷抽采流量的不斷降低,采空區(qū)內(nèi)瓦斯不斷向工作面方向和低位抽巷運(yùn)移,且采空區(qū)上方瓦斯大量聚集,高位抽巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不斷升高,同時(shí)降低高位抽巷抽采流量可能導(dǎo)致瓦斯向下運(yùn)移,導(dǎo)致低位抽巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加,低位抽巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)可能會(huì)超限。為了進(jìn)一步研究高抽流量的下限值,繪制圖11.高位抽巷抽采流量從100 m3/min增加至465 m3/min,高抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)從90.60%下降至24.22%,下降了76.38%,采空區(qū)總瓦斯抽采純量從102.96 m3/min增加至113.30 m3/min,增加了10.34 m3/min,僅增加了10%,而抽采流量增加了365%,因此,盲目增大高抽流量并不能較大程度提高采空區(qū)整體瓦斯抽采效果;且高抽流量高于200 m3/min后,采空區(qū)整體抽采純量增長幅度小,因此,建議高抽流量不高于200 m3/min.

圖10 高抽巷不同抽放流量下采空區(qū)CH4濃度場(chǎng)

圖11 高抽巷不同抽放流量下對(duì)應(yīng)高抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)和瓦斯純量的關(guān)系曲線

由圖12所示,隨著高位抽巷抽采流量的增加,低位抽巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)指數(shù)函數(shù)下降。低位抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)CCH4與高位抽巷抽采流量Qgc的關(guān)系可擬合為:

圖12 不同高抽流量對(duì)低位抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)的影響

CCH4=12.055 76×0.987 1Qgc

(1)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定瓦斯尾巷作為瓦斯抽巷時(shí),巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不能超過2.5%,因此,在供風(fēng)量和低抽巷抽采流量不變的情況下,高抽巷抽采流量不應(yīng)該低于120 m3/min.

綜上所述,提高高抽流量并不能較大程度上提升采空區(qū)整體抽采效果,而且會(huì)增加采空區(qū)氧化帶范圍,但是抽采流量過低,又會(huì)造成低抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限,因此,在工作面供風(fēng)量和低位抽巷抽采流量保持不變的情況下,建議高抽流量調(diào)整范圍為120～200 m3·min-1.

3 現(xiàn)場(chǎng)防滅火

為了解決8406工作面回采過程中高抽巷CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高、異常的問題,在8406工作面調(diào)整高低位抽采流量,高位抽巷抽采流量調(diào)整至180 m3/min左右,低位抽巷抽采流量增加至500 m3/min左右,并在8406工作面進(jìn)行CO2防滅火工作。設(shè)置注入流量為900 m3/min,注入位置為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面20～40 m,在注入CO2期間,8406工作面工作面、回風(fēng)巷未出現(xiàn)CO2體積分?jǐn)?shù)超限情況,高位抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)大幅度下降,從注入CO2前的767×10-6下降至12×10-6.由于注入CO2后遺煤能夠盡早進(jìn)入窒息帶,即使在推進(jìn)過程中遇到煤層頂板存在硫結(jié)核的情況,也能夠使硫結(jié)核盡早進(jìn)入窒息帶,避免進(jìn)一步誘發(fā)遺煤自燃的情況發(fā)生,高位抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)見圖13.

圖13 注入CO2前后高位抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的變化曲線

4 結(jié) 語

1) 供風(fēng)量、低抽巷抽采流量對(duì)氧化帶寬度影響較小;隨著高位抽巷抽采流量的不斷增加,采空區(qū)氧化帶范圍不斷向采空區(qū)深處移動(dòng),當(dāng)高抽流量超過200 m3/min后,采空區(qū)瓦斯抽采純量增長趨勢(shì)減緩,當(dāng)高抽流量低于120 m3/min后,低位抽巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限,因此在工作面供風(fēng)量和低位抽巷抽采流量保持不變的情況下高位抽巷抽采流量調(diào)整范圍為120～200 m3/min.

2) 在高位抽巷抽采流量和供風(fēng)量保持不變時(shí),隨著低位抽巷抽采流量的不斷增加,采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和中部氧化帶范圍幾乎無變化;回風(fēng)側(cè)氧化帶上限位置向采空區(qū)深處移動(dòng),氧氣體積分?jǐn)?shù)下限位置幾乎無變化,回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度有縮小趨勢(shì)。

3) 抽采巷配合CO2防滅火技術(shù)在8406工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。在CO2注入期間,高抽巷內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低,從767×10-6降低至12×10-6,防滅火效果顯著。