大采高采空区遗煤自燃氧化规律及防灭火技术研究

樊宇波

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

我国煤矿井下自燃火灾现象严重，全国约50%的煤矿存在自然发火问题，其中，以采空区遗煤自然发火问题最为严重，占煤矿自然发火总数的60%以上。同时，煤矿自然发火还可能引发井下瓦斯、煤尘爆炸等重大灾害事故的发生，严重威胁着煤矿职工的生命安全。因此，分析采空区遗煤自然发火机理与规律，探索井下自然发火具体防治措施，对煤矿安全生产具有重要意义。

1 概 况

磁窑沟煤业10-2号煤层位于上古石炭系上统太原组，煤层平均厚度4.8 m，倾角2°～8°，煤层赋存不稳定，含有4～5层夹矸。该煤层煤尘具有爆炸性，易自燃，煤层顶板多为砂岩，含有少量泥岩、粉砂岩，底板为泥岩，固结性较好，煤层回采工作面采用长壁综采采煤工艺，全部垮落法方式管理顶板。

2 数值模拟

采用Fluent模拟软件，对矿井10-2煤层回采工作面采空区“三带”范围分布规律开展数值模拟研究，分析采空区流程及采空区遗煤自燃氧化“三带”的分布规律，从而为回采工作面采空区遗煤自然发火防治提供理论支撑依据。

2.1 模拟参数设置

2.1.1 渗透率设置

采空区渗透率是模拟采空区渗流的关键参数之一，渗透率根据Blake-Kozeny公式进行计算。

式中：Dp为平均粒子直径；ε为空隙率。

表1 采空区岩石及遗煤参数设置Table 1 Parameter setting table of rock and residual coal in goaf

2.1.2 边界条件

根据磁窑沟煤业10-2煤层回采工作面布置情况，设置模型运输顺槽为进风入口，风量为1 300 m3/min，进风巷断面为12 m3，设置采空区固壁不存在漏风现象。

2.1.3 建立模型

此次模拟采用GAMBIT软件进行建模，然后将模型导入Fluent模拟软件进行运算，将运算结果采用Tecplot软件进行后处理。

模型网格设置为均匀网格，每1 m划分为1个网格，该模型共计1 629 583个网格。模型采用Fluent模拟软件内嵌的程序对多孔介质引起的动量方程源项的变化进行计算，采用自定义函数对回采工作面风流中O2、CH4、CO2等方程的的源项进行导入，采用基于交错网格的控制容积法进行离散，每个离散方程都采用逐线迭代的方式求解，迭代的最大误差设置为小于10-4。

2.2 模拟结果

对建立的模型进行运算，工作面离底板0.7 m处采空区流场分布云图如图1所示。

图1 采空区流场分布云图Fig.1 Distribution of flow field in goaf

根据云图中采空区流场的空间分布，确定自燃氧化“三带”分布范围，从而为防治采空区自然发火提供理论依据。

2.3 模拟结果分析

根据数值模拟云图，可以得出数值模拟结果，见表2～表4。

表2 工作面采空区中部漏风流场的数值模拟结果Table 2 Numerical simulation results of air leakage flow field in central goaf of working face

表3 工作面进风巷端漏风流场的数值模拟结果Table 3 Numerical simulation results of air leakage flow field at end of inlet roadway in working face

表4 工作面回风巷端漏风流场的数值模拟结果Table 4 Numerical simulation results of air leakage flow field at return airway of working face

由表2～表4可知，当供风量为1 300 m3/min时，采空区中部自燃氧化带的范围为14.8～92.0 m，进风侧采空区老巷自燃氧化带的范围为44.0～110 m，回风侧采空区老巷自燃氧化带的范围为17.0～92 m，回采工作采空区自燃氧化带的宽度为77.2 m。

3 采空区防灭火技术研究

磁窑沟煤业10-2煤层回采过程中采空区自然发火的原因是由于存在大量的遗煤，且煤层具有自燃倾向性，在氧气的作用下采空区遗煤氧化散热，积聚的热量不易散发而使遗煤温度不断升高，当遗煤温度达到其燃点时便会自燃，造成灾害事故。为了有效防治采空区自然发火，研究采用通过向采空区灌浆和注氮气防灭火方式，隔绝氧气与遗煤的接触面积，防止遗煤氧化，从而达到采空区防灭火的要求。

3.1 灌浆防灭火原理及材料

3.1.1 技术原理

灌浆防灭火是将浆材和水以一定比例混合，制成一定浓度浆液，然后通过管路输送至井下并灌入可能自燃的区域，注入的浆液可以有效隔绝氧气与遗煤的接触，浆液中的水分可以湿润遗煤，达到抑制遗煤氧化的作用，从而防止自燃火灾的发生。

3.1.2 灌浆材料

由于磁窑沟煤业区内大部被新生界黄土掩盖，属丘陵地貌，具有丰富的黄土资源，因此，矿井灌浆材料选择黄土。

3.2 灌浆管路布置

3.2.1 管路布置

磁窑沟煤业10-2号煤层采空区为自然发火最危险的区域，灌浆管理布置方式为地面灌浆站—主斜井—北胶运大巷—二盘区辅运大巷—回采工作面回风顺槽，线路总长度约3 500 m。

3.2.2 灌浆管道

矿井井筒灌浆管路选择DN150×10无缝钢管，大巷及轨道顺槽管路选择DN100×6无缝钢管，注浆现场管路选择DN102 mm的胶管。钢管采用KRH型卡箍式柔性接头，胶管采用快速K型接头，管道的下凹部位布置三通阀门，防止注浆过程中发生积水存浆。

3.3 灌浆方法

工作面回采过程中在采空区预埋10～20 m灌浆钢管，预埋钢管一端通向采空区，一端接入高压胶管，预埋管随着工作面的推进用回柱绞车逐渐牵引往外移，使预埋管始终保持在采空区内5～8 m，回采过程中通过注浆系统对采空区进行有效灌浆，从而防止采空区自然发火事故的发生。

图2 工作面灌浆技术示意Fig.2 The grouting technology of working face

3.4 注氮气防灭火原理及制取设备

3.4.1 技术原理

通过对采空区注入高浓度的氮气来充满需要惰化的采空区冒落空间，由于氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，从而使采空区深部及其顶板高冒处因氧气含量不足而使遗煤不能氧化自燃。

3.4.2 氮气制取设备

目前磁窑沟煤业采用型号为DT-600/8碳分子筛制氮机制取氮气，变压吸附制氮是以空气为原料，用碳分子筛作吸附剂，利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性，运用变压吸附原理（加压吸附，减压解吸并使分子筛再生）且在常温下使氧和氮分离制取氮气。变压吸附制氮与深冷空分制氮相比，具有明显的优点，吸附分离是在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，开停方便，启动迅速，产气快（一般在30 min左右），能耗小，产品氮纯度可在一定范围内调节，产氮量≤2 000 m3/h。主要缺点是碳分子筛在气流冲击下，极易粉化和饱和，运转和维护费用高。通常设置在地面或井下固定地点。

3.4.3 注氮气量

根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》，向采空区注氮气的目的，就是要用高浓度的氮气来充满需要惰化的采空区冒落空间，因此，注氮气量与采空区每日冒落空间大小、工作面推进速度等有关。

（1）按产量计算。

在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，其经验计算公式为：

式中：QN为注氮流量，m3/min；A为年产量，取2 400 000 t；t为年工作日，取330 d；ρ为煤的容重，取1.4 t/m3；n1为管路输氮效率，取90%；n2为采空区注氮效率，取80%；C1为空气中的氧浓度，取20.8%；C2为采空区防火惰化指标，取7.0%。

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

（2）按采空区氧化带氧浓度计算。

将采空区氧化带内的原始氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，见式（3）。

式中：QN为工作面注氮流量，m3/h；Q0为采空区氧化带漏风量，5～20 m3/min，C1为采空区氧化带内初始平均氧浓度，13%；C2为采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，7%；CN为注入氮气的氮气浓度，97%；K为备用系数，取1.2～1.5。

10-2号煤层工作面采用一次采全高采煤方法，采空区漏风较小，采空区氧化带总漏风量按5 m3/min计算，氧化带内平均初始氧浓度为13%，K取1.2，注氮系统注入气体中氮气浓度为97%，煤自燃临界氧浓度为7%，则：

根据2种方式计算结果，10-2号煤层回采时工作面注氮气的最大值为593 m3/h。结合国内采用注氮防灭火矿井的设计生产情况，则矿井应选择注氮量为600 m3/h的制氮机。

3.4.4 注氮管路布置及管路选择

磁窑沟煤业10-2号煤层采空区为自燃发火最危险的区域，注氮管理布置方式为二盘区胶辅运5号联巷注氮硐室—二盘区辅运大巷—回采工作面回风顺槽，线路总长度约1 300 m，管路选用DN100×6无缝钢管。

3.5 效果分析

工作面采取灌浆措施后，采用传感器对采空区CO浓度进行在线监测，各测点CO浓度随时间变化趋势如图3所示。

图3 各个测点CO浓度变化趋势Fig.3 Variation trend of COconcentration at each measuring point

由图3可知，根据近一个月采空区各测点CO浓度监测值发现，采空区存在残存CO，其最大值为8 PPm，随着工作面推进CO浓度继续降低，表现为不规则的上下波动，表明采空区不存在遗煤氧化自燃问题，灌浆方法可以有效保障工作安全生产。

4 结 论

采用Fluent模拟软件对矿井10-2煤层采空区“三带”范围分布规律进行了模拟研究，并采用采空区灌浆法及采空区注氮气对遗煤自然发火问题进行了治理，得出如下结论。

（1）矿井10-2煤层回采工作面采空区中部自燃氧化带的范围为14.8～92.0 m，进风侧采空区老巷自燃氧化带的范围为44.0～110m，回风侧采空区老巷自燃氧化带的范围为17.0～92 m，回采工作采空区自燃氧化带的宽度为77.2 m。

（2）工作面采空区采用灌浆法后，采空区监测的CO浓度最大值为8 PPm，且随着工作面推进CO浓度继续降低，灌浆法及注氮气可有效防治矿井采空区遗煤自燃。