晋牛矿1303综放面采空区注氮方案研究及数值模拟*

贾宝山，汪　伟，祁　云，孙　勇，李守国1,

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室 辽宁工程技术大学，辽宁 葫芦岛 125105；3.煤科集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈阳 113112)

0　引言

煤矿火灾是影响矿井安全的一大灾害，而采空区遗煤自燃火灾在井下火灾总数的占比达到85%左右[1-2]。有资料表明，全国有约56%的矿井受到自然发火的威胁[3]。矿井火灾不仅使煤炭资源遭受破坏，损毁大量的井下设备，还会产生瓦斯、煤尘爆炸等继发性灾害[4]。随着综采放顶煤技术在我国的广泛应用，矿井生产效率得到明显提高，与此同时，也出现了工作面推进速度降低，漏风量增加，采空区遗煤较多等问题，使采空区自燃火灾发生几率大大增加[5-7]。

目前，采空区防灭火技术主要有均压通风、灌浆、喷洒阻化剂、注氮等，亦或是这些技术的综合使用。研究表明，如果封闭火区内的氧气浓度降到5%以下，火势就会慢慢减弱最后熄灭[8]。注氮防灭火技术就是根据这一原理，将惰性气体N2注入采空区，稀释火区内的氧气浓度，满足防火惰化要求。由于N2的注入可以在采空区产生正压，使漏风量减小，而且N2的密度要小于空气，可以在采空区上浮、扩散，能够对采空区深部和高位火灾起到较好的治理效果，再加上注氮的经济成本比较低，因此注氮防灭火技术作为经济可靠的治理手段己经被普遍采用[9-11]。而注氮流量、注氮口位置、注氮时间等参数制约着注氮效果的好坏，对此许多学者都进行了相关研究[12-15]，但是尚未明确给出注氮量的模拟取值范围的标准，没有系统对氧化自燃带宽度随注氮量变化的关系进行定量分析。为此本文结合前人的研究成果，针对晋牛煤矿1303综放工作面开展试验研究，通过在采空区进、回风侧布置束管和温度采样测点，连续监测采空区气体浓度、温度数据，划分采空区自燃“三带”分布区域，并基于CFD理论，利用流体力学COMSOL计算软件，研究了不同注氮量、注氮位置参数下采空区自燃“三带”分布规律，综合现场实测、定量分析、数值模拟的方法系统地分析注氮参数对氧化自燃带宽度变化的影响规律，结合工作面实际生产情况及模拟数据拟合式对注氮参数进行优化，从而为采空区遗煤自燃防治技术的进一步提高提供理论指导。

1　采空区自燃“三带”实测分析

1.1　 1303综放工作面概况

晋牛煤矿1303综放工作面位于1030水平11#煤层一采区，该工作面东起集中回风大巷，西至井田边界，南为1305工作面，北为1301工作面。工作面设计走向长度906.6 m，倾斜长度90 m，煤层厚度为5.24～7.30 m，平均厚度为6.17 m。采用综采放顶煤开采技术，全部垮落法控制采空区顶板，工作面机采采高2.9 m，放顶煤高度3.3 m，采放比为1∶1.13。煤层节理发育，含有1～4层夹矸，夹矸以薄层泥岩为主，厚度变化不大，煤层倾角8～14°，平均为10°。开采煤层属于Ⅰ类易自燃煤层，最短自然发火期为21 d，煤尘爆炸指数为45.79%，具有爆炸性。

1.2　采空区束管布置方案

针对1303综放面的基本特征，在进风巷和回风巷铺设束管监测系统，并利用晋牛煤矿提供的GC-2010型气相色谱仪，对采空区内各种气体的含量随着综放面回采的变化规律进行测定。采用进、回风巷同时布置测点的方式，测点相互间距为20 m，每侧3个，具体布置方案如图1所示，其中1～6#表示束管及温度传感器安设位置。

图1　束管及温度传感器安设布置Fig.1　Beam tube and temperature sensor layout

测温采用AD590型集成温度传感器，并使用自主研发的本安型数字测温仪表。由于采空区顶板垮落，容易损坏测点的探头，为防止顶板冒落及放顶煤时对束管产生巨大的冲击，在现场测点布置时采用无缝钢管对束管进行保护。将束管管缆和测温导线进行固定后一起穿入套管内，测温导线预留一定的长度，防止测温导线由于拉伸所导致断裂，套管之间用快速接头连接牢固。在各个测点处分别安装上温度传感器及采样头，采样头和束管相连，温度传感器与测温导线相连。束管铺设前，将每个测点预铺设的单芯束管与真空泵采气处的三芯束管进行对应编号，以便识别监测点。

1.3　采空区实测数据分析

利用两个多月的时间对1303综放面采空区的温度及气体进行了实测，从监测结果来看，氧气浓度在上隅角监测位置相对于其他监测位置来说下降的更快些，这也正与气体在采空区的实际运移规律相符合。其中1#测点在被埋进采空区48 m时，氧气浓度开始降至18%，表明已进入到氧化自燃带；随着推进距离继续增加，氧气浓度也进一步降低，到90 m的时候氧气含量的监测值已经处于10%以下；煤体压实程度加深，这一区域的漏风量极小，推进到106 m时，氧气浓度低于8%进入窒熄带。2#，3#测点的记录结果大体与1#测点的结果一致。5#测点的氧气浓度在37 m时降至18%，埋进95 m时降到8%，进入窒息带。4#，6#测点在推进到39 m时，氧浓度开始低于18%，后期由于束管被堵不再监测。整体上的监测结果较为理想，于是依氧气浓度划分的原则，对1303综放面采空区遗煤自燃“三带”的分布区域进行划分，结果如表1所示。

表1　根据氧气浓度划分采空区自燃“三带”Tab.1　“Three zones” of spontaneous combustion ingoaf according to oxygen concentration

2　1303工作面模型的建立

2.1　几何模型的建立

根据晋牛煤矿1303综放工作面资料及现场实测，利用COMSOL模拟软件建立采空区几何模型如图2所示。其中工作面长度WG为90 m，宽度为7 m；采空区长度GL为260 m，宽度为90 m。边界W1为进风巷的进风口，宽度为3 m；W2为回风巷的回风口，宽度为3 m；W3，W4，W7为工作面未采实体煤壁，W5为进风巷外侧保护煤壁，W6回风巷外侧保护煤壁，G1为回风巷采空区边界，G2为进风巷采空区边界，以顶板压力稳定区域边界G3为计算区域的边缘。

图2　采空区几何模型Fig.2　Geometric model of goaf

2.2　采空区气体流动控制方程

由于流体运动方程组的建立要满足基本流体流动定律，当气体处在采空区深部低速流动，如果设定采空区气体是不可压缩的，可以将其看成二维层流流动的稳态问题，此时不必考虑能量交换。所以采空区的风流流动就只需要满足动量守恒方程和连续性方程[16]：

(1)

(2)

(3)

式中：u,v分别为x,y方向上的风流速度，m/s；ρ为矿井中空气的密度，kg/m3；t为气体流动时间，s；P为流体微元上的压力，Pa；μ为采空区空气的动力粘度，Pas；Su,Sv为自定义的源项。

2.3　边界条件及计算参数设定

在选取主要计算条件和参数时，要遵循现场实际情况而定，将工作面进风巷设定为入口边界；采空区出口边界为自由边界。将注氮口设定为速度入口，并取氮气的浓度为97%。实测得到进风巷的风流温度是18.6 ℃，氧气浓度是20.9%，工作面实际风速是1.62 m/s；矿井平均空气密度ρ=1.225 kg/m3，常温下取空气粘性系数η=1.789 4×10-5kg/ms，气体的扩散系数D=2.88×10-5m3/s，松散系数设置为1.5。采空区的孔隙率可以依据顶板冒落碎胀的实际情况由经验公式来得到：

(4)

采空区的渗透率由多孔介质Carman公式进行计算[17-18]：

(5)

式中：x为采空区距工作面距离，m；Dm为平均粒径，m；n为孔隙率。

3　注氮量取值范围的确定

首先要确定出一个合理的模拟方案，通过常用的采空区注氮设计方法，得到数值模拟所需注氮量的取值范围。目前主要是按照采空区氧化升温带的氧气浓度和工作面的煤炭日产量这2种参数计算方法来设计采空区注氮量。

3.1　按氧化升温带的氧气浓度设计注氮量

按照氧化升温带的氧气浓度来设计采空区所需注氮量的原理是，使氧化升温带内原本的氧浓度值稀释到满足惰化要求时的氧浓度值，此时注氮量可用下式计算:

(6)

式中：QN为注氮量，m3/h；k为附加系数，取1.3；Q0为氧化升温带内的漏风量，取2.75 m3/h；C1为氧化升温带内的平均氧气浓度，按经验取15%；CN为注入氮气的浓度，取97%，C2为采空区达到防火要求时的氧气浓度，这里为8%。代入到式(6)得出注氮量QN=300 m3/h。

3.2　按工作面煤炭日产量设计注氮量

按照工作面的煤炭日产量来设计采空区所需注氮量的原理是，通过注氮口注入氮气，将每天因为回采而造成的采空区空间体积进行惰化，稀释氧化升温带内氧气使其浓度降到防火要求指标以下，此时注氮量可用下式计算：

(7)

式中：A为煤炭的日产量，t；ρ为煤的密度，取1.28 t/m3；N1为管道输氮效率，取0.9；N2为采空区注氮效率，取0.6；C3为空气中的氧气含量，取20.9%。代入式(7)得出注氮量QN=500 m3/h。通过以上计算，可以知道注氮量的取值范围是300～500 m3/h。

4　注氮参数的数值模拟研究

4.1　注氮位置影响采空区流场仿真

因为不同注氮位置条件下，氮气在采空区中扩散和运移的范围会产生变化，从而导致采空区“三带”的分布区域也跟着发生改变，为了确定最佳注氮位置，当注氮量为400 m3/h时，在注氮的位置与切顶线间距为10,20,30,50,70 m情况下，分别对采空区自燃“三带”的分布情况进行数值模拟。为了使模拟所得的“三带”分布结果更贴合实际，考虑到现场的具体情况，这里采用的是综合采空区流场风速和氧气浓度2种划分指标的方法，也就是分别把风速0.004 m/s等值线和氧气浓度8%等值线定为氧化带的上界限和下界限。

由数值模拟得到不同注氮位置条件下采空区自燃“三带”分布范围如图3所示。

(a)注氮口距离切顶线10 m

(b)注氮口距离切顶线20 m

(c)注氮口距离切顶线30 m

(d)注氮口距离切顶线50 m

(e)注氮口距离切顶线70 m图3　不同注氮位置下采空区流场和自燃“三带”分布Fig.3　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen position

可以看出，如果注氮位置发生改变，则采空区氧化自燃带也会呈现不一样的分布趋势。随着注氮口向采空区深部移动，影响的主要是氧气浓度8%等值线，而漏风速度0.004 m/s等值线的变化趋势并不明显。随着注氮口位置不断远离切顶线，采空区氧化自燃带的宽度虽然开始缩小，但之后又逐渐增大。注氮口位置与切顶线间距为10，20，30，50，70 m的情况下，对应氧化自燃带宽度分别为44，37，28.5，26，31.6 m，氧化自燃带宽度降低为未注氮条件下的75%，63%，49%，45%，54%，表明对采空区进行注氮能够使采空区氧化自燃带宽度明显缩小。

由于注氮位置参数会影响注氮效果及经济成本，因此要结合实际生产情况及数值模拟结果优化出最佳的注氮位置。根据图3结果运用Origin软件绘制了氧化自燃带宽度与注氮位置变化关系曲线，如图4所示。由图4可知，随着注氮位置越来越深入采空区，氧化自燃带的宽度开始逐渐缩小，但当注氮位置与切顶线的间距超过50 m以后氧化自燃带宽度反而开始增长，这是因为注氮口埋入采空区过深时，与采空区窒息带相距的比较近，对于采空区较浅位置的氧气浓度不能起到很好的稀释惰化作用，再加上注氮压力的影响，注氮效果受到极大限制，所以结合现场实际与理论研究结果，采空区最佳注氮位置范围应该在距离工作面30～50 m之间，取30 m为最合适的注氮位置。

图4　采空区氧化带宽度随注氮口位置变化Fig.4　Goaf oxidized zone width with injection nitrogen position change

4.2　注氮量影响采空区流场仿真

本次设计的注氮量模拟方案一共被分成5组，根据之前所得到的模拟值的取值范围，当注氮位置距离切顶线30 m时，分别在注氮量为300,350,400,450,500 m3/h条件下，对采空区内的遗煤自燃“三带”的分布情况进行数值模拟。由数值模拟得到不同注氮量下采空区流场和自燃“三带”分布范围如图5所示，可以看出变化较大的是氧气浓度等值线，随着注氮量加大，氧浓度8%等值线明显向工作面移动，氧化自燃带的范围逐渐缩小，而漏风速度等值线的变化趋势不大。

通过图5得到注氮量为300，350，400，450，500 m3/h的情况下采空区内的氧化自燃带的宽度，如表2所示。整体上氧化带的上界限受注氮量的影响并不是十分显著，只沿着回采方向移动了不到4 m，而氧化带的下界限受注氮量的影响相对来说更为显著，沿着回采方向移动了22 m左右。随着注氮量由300 m3/h增大到500 m3/h，采空区内的氧化自燃带的范围也跟着明显的缩小，宽度也从41.5 m减小到了23.5 m；当注氮量为500 m3/h时，氧化自燃带的宽度较未对采空区进行注氮时减小了约35 m。

(a)注氮量为300 m3/h

(b)注氮量为350 m3/h

(c)注氮量为400 m3/h

(d)注氮量为450 m3/h

(e)注氮量为500 m3/h图5　不同注氮量下采空区流场和自燃“三带”分布Fig.5　Goaf flow field and spontaneous combustion three-zone distribution under different injection nitrogen quantity

注氮量/(m3·h-1)氧化带上限位置/m氧化带下限位置/m宽度/m30046.58841.535045.880.334.54004573.528.54504471275004366.523.5

由于注氮量过大会使注氮成本增加，并且向工作面泄漏氮气的危险也逐渐增加，容易使工作面的氧气浓度降到18.5%以下，从而对工人的身体健康造成危害，因此要结合实际生产情况及数值模拟结果优化出最佳的注氮量。根据表2运用Origin软件对数据进行拟合处理，得到采空区氧化自燃带的宽度随注氮量变化曲线如图6所示。由图可知，注氮量与氧化自燃带的宽度基本符合指数关系，根据所得拟合式有：

vτ≥L=120.4exp(-0.004 7QN)+11.85

(8)

式中:v为工作面的回采速度；τ为自然发火期；晋牛煤矿1303综放工作面的实际回采速度为1.6 m/d，为了考虑安全，取回采速度为v=1.5 m/d，自然发火期τ=21 d。通过计算可知最优的氮气注入量是386 m3/h，此时氧化自燃带宽度为31.5 m。

5　结论

1)通过对各测点氧气浓度随工作面回采的变化趋势的测定，划分了晋牛煤矿1303综放工作面采空区自燃“三带”分布区域，得出采空区进风侧距工作面48～106 m，回风侧距工作面37～95 m的范围为氧化自燃带。

2)利用COMSOL软件模拟了注氮情况下采空区自燃“三带”分布的变化规律，随着注氮口位置向采空区深部移动，氧化自燃带宽度开始缩小而后增大，最合适的注氮位置应该在距离切顶线30 m左右。

3)通过数值模拟发现随着注氮量的加大，氧化自燃带的范围逐渐缩短，结合工作面实际生产情况及模拟结果对注氮量参数进行优化，发现注氮量与氧化升温带宽度基本符合指数关系，由拟合式算出采空区最优注氮量为386 m3/h，此时氧化带的宽度相比未采取注氮措施时减小了27 m。

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