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某煤矿综放采空区瓦斯与火治理技术

2022-09-14

现代矿业 2022年8期
关键词:综放遗留漏风

董 强

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司;2.煤矿安全技术国家重点实验室)

综放工作面采空区会遗留下大量浮煤,造成较高浓度的瓦斯涌向工作面。另一方面,综放工作面回采过程中需加大风量,会导致工作面向采空区内漏风风量较大,进而引起采空区浮煤的自然发火[1]。由此可见,综放采空区瓦斯与火治理技术尤为关键,合理的工作面回采技术参数,如风量、瓦斯抽采量、注氮量,会牵制综采工作面的安全生产[2-3]。

本研究选取某煤矿206 综放工作面,以4 号煤综放采空区为研究对象,通过FLUENT软件数值仿真手段,得出最优化的工作面瓦斯与火治理技术工艺参数,用以指导工作面安全生产。

1 工作面概况

206 综放工作面主采4 号煤层,厚度18.35 m,分层开采,煤层平均倾角为4°,东为205 综采工作面采空区,西、南、北侧均未开采,206 综放工作面本煤层采厚为6 m,工作面布置见图1。

206 综放工作面走向长2 246 m,切眼长180 m,最大风量为1 850 m³/min,工作面布置有206 运输巷道、206 回风巷道、206 灌浆巷道、206 顶板高抽巷,瓦斯 含 量 为 6.74~6.86 m3/t,瓦 斯 压 力 为 0.54~0.624 MPa,工作面回采率为90%,产量约为9 100 t/d。

2 自燃煤层综放采空区瓦斯与火灾害特性

放顶煤开采方式导致206 综放工作面在开采过程中会有大量的顶煤遗留到采空区中,遗留的煤炭会涌出大量瓦斯,需要进行瓦斯抽采防治,但是瓦斯抽采会导致采空区流场发生变化,另外工作面涌向采空区的空气也会由于瓦斯抽采的作用,改变采空区氧气流场。206综放工作面开采的4号煤层是二类自燃煤层,当采空区氧气流场改变时,会存在自燃危险,需要采取防治火灾的技术措施。

也就是说,治理瓦斯的同时会引起采空区自燃的危险性,采空区需要对有可能自燃的危险区域进行防治火灾发生的技术措施。采空区在抽采条件下,自燃危险区域的划分有以下影响因素。

(1)采空区遗煤厚度。根据现场实际情况,绘制了206 综放采空区最小遗煤分布,见图2。由图2 看出,采空区最小遗煤厚度为1.71~5.25 m,4 号煤的自燃临界温度为60~75 ℃,当遗煤厚度大于0.6 m时,就有自燃危险性[4]。可见,采空区漏风流场满足条件时,采空区全区域都有自燃的危险性。

(2)自燃“三带”耦合划分。采空区自燃“三带”采用耦合划分方式:①散热带,漏风风速≥0.04 m3/min;②氧化带,漏风风速≤0.04 m3/min,并且氧气浓度≥10%;③窒息带,氧气浓度≤10%。

(3)采空区自燃危险区域。因为采空区遗煤厚度均有自燃危险性,所以自燃“三带”的划分结果中,采空区遗留下的煤炭如果正好处在氧化带范围之内,也就是说煤炭所处环境的氧气和漏风都符合条件,则自燃危险区域很大。

3 采空区瓦斯与火多场耦合数值仿真

3.1 采空区瓦斯与火多场耦合方程

3.1.1 采空区孔隙率、渗透系数

206 综放采空区孔隙率取值按经验计算公式,选取同为4 号煤层放顶煤开采的彬长矿区下沟矿经验值[5],按式(1)、式(2)计算孔隙率和渗透系数:

式中,f为孔隙率,%;K 为渗透性系数,m2/(Pa·s);x为距离工作面的长度,m。

3.1.2 采空区遗煤耗氧方程

采空区内遗留的煤炭消耗氧气速度参考文献[6],按式(3)计算。

式中,v 为氧气的消耗,kg/(m3·s);ρy为采空区漏风风流的氧气密度,取1.429 g/L;λ 为氧气浓度衰减率,取5×10-5s-1;ct为遗留煤炭环境氧气浓度,%;cb为遗留煤炭氧化的最低氧浓度值,%。

3.2 采空区数值仿真几何模型建立

使用FLUENT 软件对206 综放采空区进行数值仿真[7],采空区边界条件设置见表1,建立的模型见图3。

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3.3 采空区瓦斯与火数值仿真结果

使用 FLUENT 软件[8],风量取1 200 m3/min,未采取注氮防灭火措施时,数值仿真的瓦斯浓度分布见图4。由图4可知,采空区深部瓦斯浓度较高,最大值3.5%。根据图2,采空区遗留的煤炭平均值为1.62 m,所以选择206 综放采空区2 m 高的平面,作为自燃“三带”划分的基准面[9],此高度平面风速和氧气浓度分布见图5。

根据氧化带耦合划分的原则,当漏风风速≤0.04 m3/s,并且氧气浓度≥10%,则认为采空区的遗留煤炭处于氧化带范围之内,煤炭具有自燃危险,由图5 可知,0.004 m/s 风速曲线位置在距离工作面切顶线31 m 位置处,10%氧气浓度曲线位置在距离工作面切顶线124 m 处,宽度为93 m,在运输顺槽一侧,在没有采取瓦斯抽采技术措施时,工作面进风巷道一侧距离工作面切顶线31~124 m 位置采空区内遗煤具有很大的自燃危险。

4 采空区瓦斯与火协同治理及自燃危险区数值仿真

4.1 瓦斯与火协同治理技术

4.1.1 采空区瓦斯治理

采空区瓦斯治理采取的是高抽巷抽采采空区瓦斯,高抽巷层位布置影响着采空区瓦斯抽采的效果,206高抽巷剖面如图6所示。其中:

式中,H 为垂距,m;h1为冒落带高度,m;Δh 为距冒落带高度,m。

式中,S 为水平距,m;α 为顶板岩石断裂角,(°);Δs 为距裂隙圈水平距离,m。

按式(4)计算H取21~40 m,按式(5)计算S取15~36 m。

4.1.2 采空区防灭火治理

206 综放工作面防灭火采取的是井下移动注氮泵,通过采空区支架后方的软筛管注入采空区内,注氮量为1 000~1 200 m3/h,注氮布局30 m,注氮管路进入采空区10 m后开始注氮,如图7所示。

4.2 采空区自燃危险区数值仿真

在206 工作面风量为1 200 m3/min、抽采量为140 m3/min 条件下,注氮量分别为 600,800,1 000,1 200 m3/h 时,采空区2 m 高的平面漏风风速和氧气浓度分布见图8。

如图8 所示,当注氮量不同时,0.004 m/s 上限漏风风速在回风巷道一侧,位置分别在50,51,52,52 m,对应图8(a)、(c)、(e)、(g)。10%氧气浓度在回风巷道一侧,位置分别在130,110,100,100 m,对应图8(b)、(d)、(f)、(h)。氧化带耦合划分是以0.004 m/s漏风风速曲线开始,至10%下限氧气浓度位置,经计算后的氧化带宽度如表2所示。

由表2 看出,随着注氮量的增加,氧化带最大宽带范围为80~48 m,当注氮量为1 200 m3/h 时,氧化带最大宽度为采空区52~100 m,宽度为48m。则工作面采空区遗煤的最短自然发火期。工作面每日最小推进速度≥2.05 m/d,则采空区遗留的煤炭没有自燃危险,否则采空区遗留煤炭有自燃的危险。

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4.3 工作面瓦斯与火共治效果

206综放工作面在2个月内的瓦斯与火治理技术下的推进速度、抽采量、风排瓦斯量、上隅角CO 浓度见图9所示。

由图9看出,工作面日推进速度为5~6 m,高抽巷抽采量(混合量)在140 m³/min左右,浓度在11%左右,纯量在15 m³/min左右,工作面风排瓦斯量在4 m³/min左右。束管埋设在20~60 m,采空区深部CO 最大值在 23 ppm 左右,最小值在 2 ppm 左右,206 综放工作面很好地兼顾了瓦斯抽采和防灭火。

5 结 论

(1)采用FLUENT 数值仿真软件对206 综放采空区进行建模,模拟了在没有抽采瓦斯时采空区流场。

(2)得出206 综放工作面在风量1 200 m³/min,抽采量 140 m³/min,注氮量 1 000 m³/h,推进速度大于2.05 m/d 时,就可以很好地兼顾采空区瓦斯抽采和防灭火。

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