易自燃煤层采空区N2 与CO2 惰性耦合气体运移规律

柳东明

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

煤矿火灾是煤矿安全生产面临的主要灾害之一[1]，是一种较难控制且十分复杂的灾害。煤矿火灾严重威胁井下人员的生命安全、设备或工程设施的财产安全，极易造成煤炭资源损失、地表环境破坏、影响正常生产，造成经济损失，而且火灾还会造成通风系统紊乱，使正常风流发生逆转，更严重的会引燃瓦斯、煤尘爆炸[2]。为了克服传统单一惰性气体（N2或CO2）防灭火技术缺点，研究N2与CO2惰性耦合气体防灭火技术，并采用数值模拟的方法，对耦合气体在采空区运移规律进行了研究，以致更有效地抑制采空区煤层自燃。

1 惰性耦合气体防灭火机理

N2与CO2惰性耦合气体是将N2与CO2按照一定比例，经特定耦合气体制备装置制成。N2与CO2惰性耦合气体对煤炭自燃抑制作用主要体现在以下几个方面[3-4]：①惰化；②抑制爆炸；③吸附阻化；④吸热降温；⑤正压驱氧；⑥包围隔氧[5-6]。

2 惰性耦合气体防灭火技术

按照灌注耦合气体环境的不同，耦合气体灌注工艺分为2 种，即开放式灌注耦合气体和封闭式灌注耦合气体。开放式灌注耦合气体是指在工作面正常开采的情况下，将耦合气体注入工作面后部采空区内；封闭式灌注耦合气体则是指封闭工作面或其它区域内灌注耦合气体，由于目标区域相对封闭，耦合气体长时间滞留，起到更为显著的防灭火效果。

2.1 惰性耦合气体防灭火装备系统

惰性耦合气体防灭火装备系统由地面液态CO2槽车、制氮机、输气管、惰气耦合高强度防灭火装置构成[7]，惰性耦合气体防灭火装备系统如图1。

图1 惰性耦合气体防灭火装备系统Fig.1 Inert coupled gas fire fighting equipment system

2.2 惰性耦合气体灌注方式和防灭火工艺

N2与CO2惰性耦合气体灌注方式通常采取在地面先将液态CO2汽化成气态，再与气态N2经耦合形成耦合气体后，通过管路灌注到工作面采空区。

目前，惰性耦合气体在大兴煤矿防灭火应用过程中，常用的注入工艺为：首先在地面利用装置内的煤、电水浴式汽化器将液态CO2汽化，然后与N2按照一定比例同时注入装置平衡罐，经耦合后形成N2与CO2惰性耦合气体，通过输气管路注入井下易自燃煤层工作面采空区。耦合气体防灭火技术工艺具体如下：

1）将装置安置于矿井制氮机附近，通过管路将制氮机出口与平衡罐进口相连。

2）使用液态CO2槽车将液态CO2拉到煤矿地面制氮机附近，利用专业的不锈钢软管连接装置的进液管。

3）装置平衡罐的出气口连接井下φ200 mm 输惰性耦合气体管路，井下耦合气体管路连接采空区φ108 mm 注耦合气体2 趟埋管。

4）启动制氮机，将N2输送到装置平衡罐，与此同时，将液态CO2槽车中的液态CO2输入装置煤、电水浴式汽化器中，汽化成CO2，然后再输入装置平衡罐与N2耦合形成惰性耦合气体，平衡罐出口的耦合气体输入井下采空区防火。

耦合气体防灭火技术工艺流程如图2。

图2 耦合气体防灭火技术工艺流程Fig.2 Process flow of coupled gas fire prevention and extinguishing technology

3 惰性耦合气体在采空区运移规律数值模拟

用数值模拟的方法分析注耦合气体参数及各种因素的变化对注耦合气体惰化效果的影响，确定合理的注耦合气体参数和灌注耦合气体位置能使耦合气流覆盖整个目标区域，以有效降低区域氧气浓度[8-13]，找到经济合理的注耦合气体方案。

3.1 模型建立

根据大兴煤矿南二905 综采工作面采空区气体数据，运用Fluent 软件包建立简化后的物理模型，南二905 工作面采空区模型如图3。

图3 南二905 工作面采空区模型Fig.3 Goaf model of southern No.2 905 working face

该模型以工作面和采空区底面交点为原点，水平向右为x 轴，水平向上为y 轴，竖直向上为z 轴，建立参考坐标系，工作面尺寸为152 m（长）×8 m（宽）×5 m（高），采空区尺寸为400 m×152 m×50 m，运输巷尺寸为20 m×5 m×5 m，回风巷尺寸为20 m×5 m×5 m，“U”型通风方式，风量为1 200 m3/min，注耦合口φ100 mm。

3.2 不同组份配比条件下采空区氧气浓度场

在惰性气体防灭火技术中，N2与CO2可认为是吸附质，而煤就是吸附剂。在防治煤矿火灾时，N2的吸热指标较CO2略强，但其吸热量不大。因此两者必须形成最佳配比，才能达到最佳的防灭火效果。工作面注惰性耦合气体，耦合气体N2与CO2不同组分配比条件下采空区氧浓度分布云图如图4。

图4 耦合气体N2 与CO2 不同组分配比条件下采空区氧浓度分布云图Fig.4 Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different injection coupled inert gas volume conditions

当注耦合惰气口位置位于运输巷侧采空区距工作面45 m，注耦合惰气中N2与CO2的比例分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 时，经考察，在N2与CO2比例在3∶1时，采空区进风侧高浓度氧气范围明显缩小，氧化带宽度变窄，提前进入窒息带。同时，在倾向方向上，采空区中部及采空区回风侧的氧化带由于扩散N2的原因也不同程度的变窄。这是因为该比例耦合气体注入后，一方面CO2由于比空气重停留在底部，而N2则由CO2为载体迅速扩散，减小了采空区进风侧漏风，使采空区进风侧氧化带范围减小，另一方面该比例的耦合气体浓度在惰化空间方面上全面覆盖，在沿程上稀释减小了氧气浓度，惰化采空区的作用更加明显。

不同注耦合惰气量条件下采空区氧气浓度分布曲线如图5。

图5 不同注耦合惰气量条件下采空区氧气浓度分布曲线Fig.5 Oxygen concentration distribution curves of goaf under different injection coupled inert gas volume conditions

由图5 可知，当注耦合惰气口位置位于运输巷侧采空区距工作面45 m，注耦合惰气中N2与CO2混合比例分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 时，采空区氧化带范围（氧浓度10%～18%）在运输巷一侧分别为42～76、5～8、4～8、3～7 m，在回风巷一侧分别为14～26、12～22、12～22、11～19 m。由此可得，当注耦合惰气口位置距工作面45 m，注耦合惰气N2与CO2比例分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1 时，采空区进风侧的氧化带明显变窄变浅，但这4 种注耦合惰气量下，N2与CO2混合比例在3∶1 时采空区氧化带最大程度的缩小，防治遗煤自燃防治效果最佳。

3.3 不同出口位置条件下采空区氧气浓度场

不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布云图如图6。

图6 不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布云图Fig.6 Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different gas injection coupling positions

当注耦合惰气量为1 400 m3/h，注耦合气体口位置分别位于运输巷侧采空区距工作面15、45、90 m 时，采空区进风侧的氧化带明显变窄变浅。但是在倾向方向，采空区中部及回风侧的氧化带却呈现了不同的变化。随着注惰性耦合气体口向采空区深部迁移，采空区氧化带在浅部采空区的中部及采空区回风侧2 个区域逐渐减小。这是因为注耦合气体口离工作面越近，受漏风风流的影响越大，N2在进风侧封堵漏风过程中，N2也随漏风风流运动并且在浅部采空区的中部和靠近回风侧区域扩散；当注耦合气体口位置较深时，N2的扩散等运动受漏风风流影响较小，同时由于压差的作用，注入采空区的N2向回风巷方向运动，因此N2能够在采空区3 个区域都拥有较好的惰化作用。

不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布曲线如图7。由图7 可知，当不注惰性耦合气体和注惰性耦合气体量为1 400 m3/h，注耦合气体口位置分别位于运输巷侧采空区距工作面15、45、90 m时，采空区氧化带范围（氧浓度10%～18%）在运输巷一侧分别为42～76、5～8、13～17、16～20 m，在回风巷一侧分别为14～26、12～22、10～18、11～15 m。随着注惰性耦合气体口位置向采空区深处迁移，虽然采空区进风侧的氧化带也向深处迁移，但总体仍然靠近工作面，同时氧化带明显变窄。采空区回风侧氧化带变化不大，3 种条件下的氧化带范围变窄且位置变浅。

3.4 特定条件下惰性耦合气体运移规律

选择N2与CO23∶1 的比例进行混合，当注N2与CO2耦合气体流量为1 200 m3/h 时，注入耦合气体后采空区N2与CO2分布云图如图8。

图7 不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布曲线Fig.7 Oxygen concentration distribution curves in goaf under different gas injection coupling positions

由图8 可知，惰性耦合气体开始注入后，不断掺混采空区内气体层，CO2密度比空气大，再加之注入的CO2温度很低，相对于采空区内的空气的密度就更大，注入的CO2将会有明显的沉降，而且会迅速在底分层扩散到采空区内的各个区域，随着混合距离的增长，CO2动能不断减小，当CO2不足以提供反抗区内气体层成层的能量，前锋和气体层达到相对平衡状态，CO2出现停滞现象，因此可知CO2在靠近工作面的附近浓度较大，在采空区的深部浓度较小；N2由于和空气比重相当，因此混合气体总的N2由于气体层不断上升，CO2会推动N2气体层下部气体向上部运移，由CO2做为载体，将推动N2向采空区深部流动，这时就会出现采空区的同一断面上、下部气体流动方向相反的现象。随着采空区内部气体混合均匀，则耦合气体会迅速充满采空区绝大部分空间，达到较好的惰化效果。

4 结 论

1）在回采工作面预防自然发火时注入耦合气体N2与CO2的比例在3∶1 时，惰化效果最佳，能使耦合气流覆盖整个火灾区域或防火区域，以降低氧气浓度，找到了经济合理的注耦合气体方案。

图8 注入耦合气体后采空区N2 与CO2 分布云图Fig.8 Cloud map of nitrogen and carbon dioxide distribution in goaf after injection of coupled gas

2）在运输巷侧采空区距离工作面45 m 注入惰性耦合气体对采空区的惰化效果最佳，能够减少漏风量、稀释氧气并且能使耦合气体有效充填采空区空间。

3）CO2在靠近工作面的附近浓度较大，在采空区的深部浓度较小；N2由CO2做为载体，耦合气体混合后向采空区深部流动，随着采空区内部气体混合均匀，则耦合气体会迅速充满采空区绝大部分空间，达到较好的惰化效果。