采空区注氮条件下自燃危险区域变化及注氮极值研究

2021-11-11MamurovSherzodAlisherovich

山西焦煤科技 2021年9期

张勋，Mamurov Sherzod Alisherovich，路冰

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000)

矿井火灾是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。采空区遗留的浮煤在漏风供氧条件下，与氧气发生缓慢氧化反应，持续一定时间，则发生自燃，导致工作面有毒有害气体超限，甚至引发瓦斯爆炸等重大灾害事故。采用现场实测或数值模拟手段，确定采空区自燃危险区域，并向采空区内注入氮气、喷洒阻化剂、灌浆等，是目前矿井防治采空区遗煤自燃的主要措施[1-2].朱红青等[3]研究了不同煤自燃特性参数下采空区“三带”分布规律；文虎等[4]研究了不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”的影响；焦庚新等[5]分析了近距离煤层下分层采空区煤自燃危险区域分布规律。为研究采空区注氮条件下自燃危险区域变化，本文以某矿29406工作面实际条件为基础，构建了综放工作面采空区注氮数值模型，分析未注氮以及不同注氮量条件下采空区氧浓度、温度等参数变化规律。综合考虑持续注氮对工作面供氧浓度的影响，给出采空区的最大合理注氮量，以为采空区注氮防灭火提供参数指导。

1 模型建立

1.1 工作面概况

29406工作面为8#与9#煤层联合开采，煤层倾角6°～7°，8#煤层平均厚度3.95 m，9#煤层平均厚度3.18 m，联合开采平均厚度7.74 m.采用综采放顶煤开采方式，即采9#煤层放8#煤层，采放比1∶1.43.工作面正巷布置长度655 m，副巷布置长度597 m，设计可采走向长度492 m，倾向采面长度216 m.正巷、副巷均采用矩形断面：净宽4.20 m，净高3.20 m；切眼采用矩形断面：净宽8.50 m，净高3.20 m.

29406工作面采用“U”型通风系统，副巷进风，正巷回风，实际配风量834 m3/min，见图1.工作面四周无火区，煤尘爆炸指数为13.51%.8#煤层为Ⅱ类自燃煤层，在采9#煤层放8#煤层开采方式下，29406工作面采空区存在以8#煤为主的遗煤，使得采空区存在煤自燃火灾安全隐患。

图1 29406工作面布置图

1.2 数值模型建立

根据现场实际情况建立几何模型，见图2，模型具体设定参数见表1.采空区注氮口布置在进风侧距工作面30 m，距底板30 cm的位置。利用ANSYS ICEM软件，采用结构网格划分方法对模型进行网格划分，网格步长取1.5 m.

图2 几何模型图

表1 模型参数设定表

将采空区视为连续非均匀多孔介质区域，主要模拟采空区内部气体的传质传热，采空区流场控制模型参见文献[6].依据采空区冒落碎胀系数分布表达式(1)，设置顶板初始垮落碎胀系数取较为松散的1.6，压实后的碎胀系数取较为紧密的1.1：

K(x,y)=Kmin+(Kmax-Kmin)g

exp(-m0d0g(1-exp(-ξm1(d1+φ))))

(1)

式中，K(x,y)为采空区冒落碎胀系数，无因次；Kmax为初始冒落的碎胀系数，无因次；Kmin为压实后的碎胀系数，无因次；m0、m1分别为距离固壁和工作面的衰减率，m-1，取0.268；d0、d1分别为点(x,y)与固壁和工作面边界的距离，m；φ为近煤壁调整系数；ξ为控制模型分布形态的调整数，取0.233.

2 采空区自燃危险区域划分

2.1 工作面漏风量测定

风量测定时，正巷和副巷各选一平直规整断面测试尺寸、风速，计算风量。29406工作面内部共设定11个测风断面，风量测试结果见图3.副巷测定进风量834 m3/min，随着风流进入工作面，风量开始逐渐减少，漏入采空区。在工作面63#与64#支架之间的测风断面，风量达到最小值743.85 m3/min，此时漏入采空区的风量达到最大值90.15 m3/min.随后工作面风量开始增加，漏入采空区的风流逐步回归工作面。

图3 工作面风量测定曲线图

由图3可知，29406工作面的数值模拟最大漏风量为85.13 m3/min，与实测值相比，误差在10%以内。因此，认为通过数值模拟可以较真实反映采空区内复杂漏风状况。

2.2 采空区氧气浓度场及高温区域分布

采空区氧气浓度场及高温区域分布见图4.

图4 采空区氧气浓度场及高温区域分布图

由图4a)可知，采空区邻近进风巷一侧为主要漏风区域，此区域内氧气分布范围广，遗煤长时间处于高氧环境中会发生缓慢氧化反应，同时释放热量。图4b)给出了采空区内温度为33 ℃、40 ℃的等值面。此时，采空区存在40 ℃高温区域，33 ℃以上区域在采空区倾向均有存在。

2.3 采空区自燃危险区域划分

按复合判据划分采空区自燃危险区域，即以漏风速率0.004 m/s作为散热带与氧化带划分指标、氧气浓度7%作为氧化带与窒息带划分指标[4-5]，得到采空区自燃“三带”分布，见图5.

由图5可知，采空区自燃危险区域主要分布在进风侧距工作面21～130 m处，最大宽度109 m；采空区中部范围为距工作面30～108 m处，宽度78 m，并向回风侧逐渐减小。此时，采空区自燃危险区域分布范围广，遗煤自燃风险较高，需采取注氮措施缩小自燃危险区域范围。

图5 采空区自燃“三带”分布图

3 注氮条件下采空区自燃危险区域变化规律

3.1 采空区氧气浓度变化规律

依据现场实际情况，进行采空区注氮数值模拟。设置8组注氮量，分别为200 m3/h、400 m3/h、600 m3/h、800 m3/h、1 000 m3/h、1 200 m3/h、1 400 m3/h、1 600 m3/h.由于29406工作面采用“U”型通风系统，漏风集中在进风隅角漏入采空区，为了使氮气在流场作用下尽可能大地覆盖自燃危险区域，故将注氮口布置在距工作面30 m的进风巷一侧。

不同注氮量时采空区的氧气浓度分布变化见图6.注氮条件下，采空区氧气浓度呈现整体降低，且随注氮量增加，降低范围逐渐扩大。在采空区走向上，随着注氮量的增加，氧气浓度最低区域越来越靠近工作面，由注氮量200 m3/h时的150 m提前至注氮量1 600 m3/h时的50 m.在采空区倾向上，氧气浓度峰值区域由距离回风巷205 m转移至距离回风巷90 m，氧气浓度峰值点由20.71%降低至11.87%.

图6 注氮条件下采空区氧气浓度变化图

3.2 采空区温度等值面变化规律

图7为注氮条件下采空区温度33 ℃的等值面变化图。对比图4可以看出，当注氮量为200 m3/h时，采空区40 ℃等值面已经消失，33 ℃等值面的边界缩小至距回风侧172.1 m.随着注氮量不断增加，33 ℃等值面不断减小。当注氮量增加为600 m3/h、1 000 m3/h、1 200 m3/h时，33 ℃等值面边界逐步缩小至距回风侧149.5 m、110.4 m、50.6 m，效果显著。当注氮量达到1 600 m3/h，33 ℃等值面已基本不存在。说明随着注氮量增加，大幅度降低了采空区内氧气分布范围，使得煤氧反应速率大大降低，氧化升温带的温度也随之下降。

图7 注氮条件下采空区33 ℃等值面图

3.3 采空区自燃“三带”变化规律

图8为注氮条件下采空区自燃“三带”变化对比图。当注氮量为200 m3/h时，采空区进风侧氧化带的宽度明显缩减，由未注氮时的最大宽度109 m，缩减至70 m，但此时对回风侧的氧化升温带宽度影响不大。随着注氮量不断增加，回风侧氧化带宽度也开始不断减小。当注氮量达到1 600 m3/h时，采空区氧化升温带的最大宽度仅为11 m，在倾向上则缩减至距回风巷20～162 m.采空区氧化升温区域的快速缩减，大幅度降低了采空区遗煤自燃危险性。

图8 注氮条件下采空区氧化升温区域变化图

4 采空区注氮极值分析

采空区注氮量增加，可有效缩减自燃危险区域分布范围，但注氮量的持续增加，必然导致部分氮气由采空区涌出工作面，使得工作面供氧浓度降低，威胁作业人员安全。为此，以工作面回风侧氧气浓度不低于18%为基准，分析采空区注氮极值，即允许的最大注氮量。

图9a)为采空区不同注氮量时工作面氧气浓度的变化曲线。随着注氮量升高，工作面回风侧氧气浓度不断降低。当注氮量200～1 200 m3/h时，工作面氧气浓度均维持在18%以上，注氮量进一步增加至1 400 m3/h、1 600 m3/h，回风隅角的氧气浓度分别降低至17.58%、17.13%，易对工作面作业人员造成伤害。为精确给出采空区注氮极值，对注氮量与回风隅角的氧气浓度关系进行曲线拟合，见图9b).二者拟合公式为：