大采高采空區(qū)遺煤自燃氧化規(guī)律及防滅火技術(shù)研究

樊宇波

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

我國煤礦井下自燃火災(zāi)現(xiàn)象嚴(yán)重，全國約50%的煤礦存在自然發(fā)火問題，其中，以采空區(qū)遺煤自然發(fā)火問題最為嚴(yán)重，占煤礦自然發(fā)火總數(shù)的60%以上。同時(shí)，煤礦自然發(fā)火還可能引發(fā)井下瓦斯、煤塵爆炸等重大災(zāi)害事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著煤礦職工的生命安全。因此，分析采空區(qū)遺煤自然發(fā)火機(jī)理與規(guī)律，探索井下自然發(fā)火具體防治措施，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 概 況

磁窯溝煤業(yè)10-2號煤層位于上古石炭系上統(tǒng)太原組，煤層平均厚度4.8 m，傾角2°～8°，煤層賦存不穩(wěn)定，含有4～5層夾矸。該煤層煤塵具有爆炸性，易自燃，煤層頂板多為砂巖，含有少量泥巖、粉砂巖，底板為泥巖，固結(jié)性較好，煤層回采工作面采用長壁綜采采煤工藝，全部垮落法方式管理頂板。

2 數(shù)值模擬

采用Fluent模擬軟件，對礦井10-2煤層回采工作面采空區(qū)“三帶”范圍分布規(guī)律開展數(shù)值模擬研究，分析采空區(qū)流程及采空區(qū)遺煤自燃氧化“三帶”的分布規(guī)律，從而為回采工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火防治提供理論支撐依據(jù)。

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

2.1.1 滲透率設(shè)置

采空區(qū)滲透率是模擬采空區(qū)滲流的關(guān)鍵參數(shù)之一，滲透率根據(jù)Blake-Kozeny公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Dp為平均粒子直徑；ε為空隙率。

表1 采空區(qū)巖石及遺煤參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting table of rock and residual coal in goaf

2.1.2 邊界條件

根據(jù)磁窯溝煤業(yè)10-2煤層回采工作面布置情況，設(shè)置模型運(yùn)輸順槽為進(jìn)風(fēng)入口，風(fēng)量為1 300 m3/min，進(jìn)風(fēng)巷斷面為12 m3，設(shè)置采空區(qū)固壁不存在漏風(fēng)現(xiàn)象。

2.1.3 建立模型

此次模擬采用GAMBIT軟件進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入Fluent模擬軟件進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果采用Tecplot軟件進(jìn)行后處理。

模型網(wǎng)格設(shè)置為均勻網(wǎng)格，每1 m劃分為1個(gè)網(wǎng)格，該模型共計(jì)1 629 583個(gè)網(wǎng)格。模型采用Fluent模擬軟件內(nèi)嵌的程序?qū)Χ嗫捉橘|(zhì)引起的動量方程源項(xiàng)的變化進(jìn)行計(jì)算，采用自定義函數(shù)對回采工作面風(fēng)流中O2、CH4、CO2等方程的的源項(xiàng)進(jìn)行導(dǎo)入，采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的控制容積法進(jìn)行離散，每個(gè)離散方程都采用逐線迭代的方式求解，迭代的最大誤差設(shè)置為小于10-4。

2.2 模擬結(jié)果

對建立的模型進(jìn)行運(yùn)算，工作面離底板0.7 m處采空區(qū)流場分布云圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)流場分布云圖Fig.1 Distribution of flow field in goaf

根據(jù)云圖中采空區(qū)流場的空間分布，確定自燃氧化“三帶”分布范圍，從而為防治采空區(qū)自然發(fā)火提供理論依據(jù)。

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬云圖，可以得出數(shù)值模擬結(jié)果，見表2～表4。

表2 工作面采空區(qū)中部漏風(fēng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 Numerical simulation results of air leakage flow field in central goaf of working face

表3 工作面進(jìn)風(fēng)巷端漏風(fēng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果Table 3 Numerical simulation results of air leakage flow field at end of inlet roadway in working face

表4 工作面回風(fēng)巷端漏風(fēng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果Table 4 Numerical simulation results of air leakage flow field at return airway of working face

由表2～表4可知，當(dāng)供風(fēng)量為1 300 m3/min時(shí)，采空區(qū)中部自燃氧化帶的范圍為14.8～92.0 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)老巷自燃氧化帶的范圍為44.0～110 m，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)老巷自燃氧化帶的范圍為17.0～92 m，回采工作采空區(qū)自燃氧化帶的寬度為77.2 m。

3 采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

磁窯溝煤業(yè)10-2煤層回采過程中采空區(qū)自然發(fā)火的原因是由于存在大量的遺煤，且煤層具有自燃傾向性，在氧氣的作用下采空區(qū)遺煤氧化散熱，積聚的熱量不易散發(fā)而使遺煤溫度不斷升高，當(dāng)遺煤溫度達(dá)到其燃點(diǎn)時(shí)便會自燃，造成災(zāi)害事故。為了有效防治采空區(qū)自然發(fā)火，研究采用通過向采空區(qū)灌漿和注氮?dú)夥罍缁鸱绞剑艚^氧氣與遺煤的接觸面積，防止遺煤氧化，從而達(dá)到采空區(qū)防滅火的要求。

3.1 灌漿防滅火原理及材料

3.1.1 技術(shù)原理

灌漿防滅火是將漿材和水以一定比例混合，制成一定濃度漿液，然后通過管路輸送至井下并灌入可能自燃的區(qū)域，注入的漿液可以有效隔絕氧氣與遺煤的接觸，漿液中的水分可以濕潤遺煤，達(dá)到抑制遺煤氧化的作用，從而防止自燃火災(zāi)的發(fā)生。

3.1.2 灌漿材料

由于磁窯溝煤業(yè)區(qū)內(nèi)大部被新生界黃土掩蓋，屬丘陵地貌，具有豐富的黃土資源，因此，礦井灌漿材料選擇黃土。

3.2 灌漿管路布置

3.2.1 管路布置

磁窯溝煤業(yè)10-2號煤層采空區(qū)為自然發(fā)火最危險(xiǎn)的區(qū)域，灌漿管理布置方式為地面灌漿站—主斜井—北膠運(yùn)大巷—二盤區(qū)輔運(yùn)大巷—回采工作面回風(fēng)順槽，線路總長度約3 500 m。

3.2.2 灌漿管道

礦井井筒灌漿管路選擇DN150×10無縫鋼管，大巷及軌道順槽管路選擇DN100×6無縫鋼管，注漿現(xiàn)場管路選擇DN102 mm的膠管。鋼管采用KRH型卡箍式柔性接頭，膠管采用快速K型接頭，管道的下凹部位布置三通閥門，防止注漿過程中發(fā)生積水存漿。

3.3 灌漿方法

工作面回采過程中在采空區(qū)預(yù)埋10～20 m灌漿鋼管，預(yù)埋鋼管一端通向采空區(qū)，一端接入高壓膠管，預(yù)埋管隨著工作面的推進(jìn)用回柱絞車逐漸牽引往外移，使預(yù)埋管始終保持在采空區(qū)內(nèi)5～8 m，回采過程中通過注漿系統(tǒng)對采空區(qū)進(jìn)行有效灌漿，從而防止采空區(qū)自然發(fā)火事故的發(fā)生。

圖2 工作面灌漿技術(shù)示意Fig.2 The grouting technology of working face

3.4 注氮?dú)夥罍缁鹪砑爸迫≡O(shè)備

3.4.1 技術(shù)原理

通過對采空區(qū)注入高濃度的氮?dú)鈦沓錆M需要惰化的采空區(qū)冒落空間，由于氮?dú)饪梢猿錆M任何形狀的空間并將氧氣排擠出去，從而使采空區(qū)深部及其頂板高冒處因氧氣含量不足而使遺煤不能氧化自燃。

3.4.2 氮?dú)庵迫≡O(shè)備

目前磁窯溝煤業(yè)采用型號為DT-600/8碳分子篩制氮機(jī)制取氮?dú)?，變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運(yùn)用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）且在常溫下使氧和氮分離制取氮?dú)?。變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，吸附分離是在常溫下進(jìn)行，工藝簡單，設(shè)備緊湊，占地面積小，開停方便，啟動迅速，產(chǎn)氣快（一般在30 min左右），能耗小，產(chǎn)品氮純度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，產(chǎn)氮量≤2 000 m3/h。主要缺點(diǎn)是碳分子篩在氣流沖擊下，極易粉化和飽和，運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)費(fèi)用高。通常設(shè)置在地面或井下固定地點(diǎn)。

3.4.3 注氮?dú)饬?/p>

根據(jù)《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》，向采空區(qū)注氮?dú)獾哪康?，就是要用高濃度的氮?dú)鈦沓錆M需要惰化的采空區(qū)冒落空間，因此，注氮?dú)饬颗c采空區(qū)每日冒落空間大小、工作面推進(jìn)速度等有關(guān)。

（1）按產(chǎn)量計(jì)算。

在單位時(shí)間內(nèi)注氮充滿采煤所形成的空間，使氧氣濃度降到防滅火惰化指標(biāo)以下，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：QN為注氮流量，m3/min；A為年產(chǎn)量，取2 400 000 t；t為年工作日，取330 d；ρ為煤的容重，取1.4 t/m3；n1為管路輸?shù)?，?0%；n2為采空區(qū)注氮效率，取80%；C1為空氣中的氧濃度，取20.8%；C2為采空區(qū)防火惰化指標(biāo)，取7.0%。

則QN=[2 400 000÷(1.4×330×90%×80%)]×（20.8%/7.0%-1）=14 224 m3/d=593 m3/h

（2）按采空區(qū)氧化帶氧濃度計(jì)算。

將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧氣濃度降到防滅火惰化指標(biāo)以下，見式（3）。

式中：QN為工作面注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，5～20 m3/min，C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)初始平均氧濃度，13%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，7%；CN為注入氮?dú)獾牡獨(dú)鉂舛龋?7%；K為備用系數(shù)，取1.2～1.5。

10-2號煤層工作面采用一次采全高采煤方法，采空區(qū)漏風(fēng)較小，采空區(qū)氧化帶總漏風(fēng)量按5 m3/min計(jì)算，氧化帶內(nèi)平均初始氧濃度為13%，K取1.2，注氮系統(tǒng)注入氣體中氮?dú)鉂舛葹?7%，煤自燃臨界氧濃度為7%，則：

根據(jù)2種方式計(jì)算結(jié)果，10-2號煤層回采時(shí)工作面注氮?dú)獾淖畲笾禐?93 m3/h。結(jié)合國內(nèi)采用注氮防滅火礦井的設(shè)計(jì)生產(chǎn)情況，則礦井應(yīng)選擇注氮量為600 m3/h的制氮機(jī)。

3.4.4 注氮管路布置及管路選擇

磁窯溝煤業(yè)10-2號煤層采空區(qū)為自燃發(fā)火最危險(xiǎn)的區(qū)域，注氮管理布置方式為二盤區(qū)膠輔運(yùn)5號聯(lián)巷注氮硐室—二盤區(qū)輔運(yùn)大巷—回采工作面回風(fēng)順槽，線路總長度約1 300 m，管路選用DN100×6無縫鋼管。

3.5 效果分析

工作面采取灌漿措施后，采用傳感器對采空區(qū)CO濃度進(jìn)行在線監(jiān)測，各測點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化趨勢如圖3所示。

圖3 各個(gè)測點(diǎn)CO濃度變化趨勢Fig.3 Variation trend of COconcentration at each measuring point

由圖3可知，根據(jù)近一個(gè)月采空區(qū)各測點(diǎn)CO濃度監(jiān)測值發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)存在殘存CO，其最大值為8 PPm，隨著工作面推進(jìn)CO濃度繼續(xù)降低，表現(xiàn)為不規(guī)則的上下波動，表明采空區(qū)不存在遺煤氧化自燃問題，灌漿方法可以有效保障工作安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

采用Fluent模擬軟件對礦井10-2煤層采空區(qū)“三帶”范圍分布規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，并采用采空區(qū)灌漿法及采空區(qū)注氮?dú)鈱z煤自然發(fā)火問題進(jìn)行了治理，得出如下結(jié)論。

（1）礦井10-2煤層回采工作面采空區(qū)中部自燃氧化帶的范圍為14.8～92.0 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)老巷自燃氧化帶的范圍為44.0～110m，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)老巷自燃氧化帶的范圍為17.0～92 m，回采工作采空區(qū)自燃氧化帶的寬度為77.2 m。

（2）工作面采空區(qū)采用灌漿法后，采空區(qū)監(jiān)測的CO濃度最大值為8 PPm，且隨著工作面推進(jìn)CO濃度繼續(xù)降低，灌漿法及注氮?dú)饪捎行Х乐蔚V井采空區(qū)遺煤自燃。