低变质煤种综放面采空区CO产生及运移规律研究

2023-11-13宋庆立师吉林

煤 2023年11期

宋庆立,师吉林

(1.国网能源哈密煤电有限公司,新疆哈密 839000;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁沈阳 110000)

低变质煤种资源储量占我国煤炭资源储量的40%以上[1],其主要分布在我国的华北和西北地区,全国97.5%的储量集中在内蒙、陕西、新疆、甘肃、山西、宁夏6个省(区)[2]。低变质煤种综放开采过程中,在现场一切正常的常温条件下,就可产生大量CO气体,往往导致回风隅角、回风巷等区域出现CO气体体积分数超过0.002 4%的问题[3-8],部分学者通过研究认为低变质煤种的CO气体来源于煤层破碎后的低温氧化[9-14],越来越多的证据支持这一观点。基于此,采取新疆大南湖一矿3号煤层煤样,利用实验室程序升温试验,测定煤自燃模拟过程中的CO产生速率,再利用FLUENT软件模拟综放开采条件下的CO产生及分布,从而分析开采低变质煤种综放面采空区的CO产生及运移规律。

1 煤层概况

新疆哈密大南湖一矿3号煤层厚度5.1～9.98 m,平均厚9.1 m,倾角7～10°,上距2号煤层平均36 m,下距5号煤层38 m,结构较复杂,含夹矸1～4层,煤质为褐煤,经鉴定为I类容易自燃煤层,煤尘具有强爆炸性,最短自然发火期为37 d.3号煤层综放面宽度240 m左右,全部垮落法管理顶板,机采高度3 m,放煤高度6.98 m,采放比约1∶2.3,机采回采率为97%,放煤回采率大于90%,工作面采取全风压通风方式,配风量1 200 m3/min以上,布置138架支架。

3号煤层综放面开采过程中回风隅角CO体积分数基本在0.017%左右,回风流内CO体积分数则基本在0.002 8%左右;经过对1301至1307综放面采空区实测结果分析,3号煤层综放面采空区自燃三带宽度进风侧散热带范围为0～30 m,氧化带范围为30～90 m,窒息带为超过90 m的采空区深部;回风侧散热带范围为0～10 m,氧化带范围为10～30 m,窒息带为超过30 m的采空区区域。

2 煤样的制备与煤自燃过程CO产生规律模拟实验

根据GB/T 482-2008《煤层煤样采取方法》的要求,在大南湖一矿1305、1307两个工作面采集两个煤样,按圆锥缩分法,缩分到1 kg密封后送至煤矿安全技术国家重点实验室,根据GB/T 474-2008《煤样的制备方法》的要求,将采集的块煤利用ZYQM-2全封闭式煤样粉碎测试装置充氮隔氧进行破碎,后过80～100目筛网后,取5 g作为煤样备用。

为模拟3号煤层煤自燃过程中的CO产生规律,在实验室利用煤自燃程序升温产气规律测试系统对3号煤层制备煤样进行实验,取1 g制备好的煤样,置入产气规律测试系统内的煤样罐内,实验条件供气流量为100 mL/min,升温速率设置:25～80 ℃阶段0.5 ℃/min,80～200 ℃阶段1.0 ℃/min,200～300 ℃阶段2.0 ℃/min.实验过程中,每20 min在测试系统出气口采集测试1次气样,分析的气体种类主要为O2、CO、C2H4、C2H2等,CO产生速率利用式(1)进行处理:

(1)

将实验数据代入式(1),得到CO产生速率随温度的变化曲线(如图1所示)。

图1 3号煤层煤样CO产生速率随温度变化曲线

根据实验结果与式(1)计算不同温度下CO产生速率,拟合为公式(2):

vCO(T)=1.114 786e0.044 59T-3.227 05

(2)

3 综放面CO运移规律模拟研究

3.1 建立采空区渗流场数学模型

采空区遗煤属于多孔介质的范畴,气体在多孔介质中流动遵守质量守恒、能量守恒及动量守恒定律,并且包含不同组分的混合、传质,其还必须遵守组分守恒定律,根据能、质守恒定律可以得到采空区CO气体运移规律的数学方程,结合具体的边界条件、初始条件,构成了采空区气体流动的数学模型。已有研究表明:煤自燃过程中CO的产生速率与破碎煤体粒径及其所处环境内的氧气体积分数有关,据此可建立采空区气体渗流场与气体组分场数学模型,如式(3):

(3)

在正常开采过程中,采空区煤体自燃的发展非常缓慢,可将工作面采空区的渗流速度场和CO体积分数场近似看成稳态。为了进一步了解采空区CO运移规律,可采用Gambit对工作面采空区三维物理模型建立几何结构并进行网格划分,然后利用Fluent的求解器对采空区内部渗流速度场及CO体积分数场进行计算,得出其运移规律。

3.2 建立采空区几何模型

3号煤层综放面倾向斜长约240 m,工作面两巷约5 m不放顶煤,煤层平均厚为9.8 m,采高为3 m,放煤为6.8 m.根据机采回采率为97%,放煤回采率大于90%可计算得到,采空区放煤区域破碎煤体厚度为0.79 m,不放煤区域破碎煤体厚度则为7 m,破碎煤体底部平均粒径为0.15 m.经现场实测,工作面支架后部刮板输送机区域存在与工作面等宽的呈条带分布的三角形堆煤,积煤底部宽度为1.53 m,高度为0.89 m,堆煤平均粒径为0.012 m.

发生渗流的区域主要在采空区进、回风巷道之间,煤层底板以上30 m高(冒落带高度取3倍采厚)的范围内。沿工作面走向上距工作面一定距离后,承受矿压相差不大,空隙率及渗流阻力等影响自燃的因素变化也不大,趋于一个定值,故在考虑数值计算强度的条件下,选取从工作面到采空区100 m深处的范围作为计算区域的长度。该工作面倾向斜长约240 m,两巷宽度各5 m,因此选取250 m的范围作为计算区域的宽度。采用非结构化网格,工作面采空区和两巷采空区内遗煤步长0.2 m,采空区顶部岩体步长1 m,工作面及两巷步长0.5 m,工作面采空区物理模型如图2所示。

图2 3号煤层综放面采空区物理模型

3.3 物性参数及边界条件

3.3.1 物性参数

为保证模拟结果的准确性,对现场破碎煤体分布区域的温度进行了实测,其中3号煤层工作面采空区(1301面至1307面)散热带区域破碎煤岩体温度范围在24～28 ℃之间,均值26 ℃;氧化带区域内的破碎煤岩体的温度范围为26～29 ℃,均值27.5 ℃;工作面风温在20 ℃左右;后部刮板输送机机尾电机及减速机对应区域(对应支架136号～138号支架)堆积碎煤温度最高,在27～63 ℃之间,平均45 ℃,除该区域外的其他工作面后部刮板输送机附近集聚的破碎煤体温度范围为25～27 ℃,平均26 ℃.因此,计算区域基本物性参数取值为:除后部刮板输送机机尾电机及减速机区域设置温度为45 ℃外,模型其余区域温度为定值27 ℃,松散煤体空隙率k=0.2～0.3,松散煤体的平均粒径取20 mm.松散煤体、岩石、空气的基本物性参数如表1所示。

表1 基本物性参数取值

采空区不同深度的渗透系数为:

3.3.2 边界条件

建立的工作面采空区渗流模型的边界条件包括工作面风流的压力及CO体积分数和其余表面,在模型中可将其余表面近似看成壁面,气体不能通过它进行渗透,则工作面采空区渗流、扩散模型的边界条件如下:

壁面上:体积流量Q=0;暴露面:工作面是暴露面,其断面面积基本上保持不变。风流在边界层外为紊流状态,由于流体层间的摩擦和流体与煤壁之间的摩擦形成摩擦阻力,造成流体压能损失ΔP.设工作面摩擦风阻为R,巷道通风流量为Q,则存在以下关系:

ΔP=RQ2

假定工作面基本水平、各处断面面积基本相等、工作面比较光滑,故可认为工作面摩擦风阻R与长度成正比。通过测定工作面各点风量及工作面两端压差,代入上式即可计算出工作面压力分布。工作面在进风巷口设置为速度入口,风量设置为1 600 m3/min,回风巷口设置为自由流。工作面初始CO体积分数为0%.

3.3.3 边界设定

数学模型建立后,对边界条件的设置均采用Fluent中的用户自定义函数(UDF)进行设定,包括工作面采空区渗透系数倒数、空隙率、计算区域内氧气的消耗速率和CO气体的产生速率及它们的质量浓度的设定,对于其他的表面均设定为壁面。

3.4 采空区CO运移规律数值模拟

采用Fluent流体软件对1307工作面采空区的CO分布模型进行数值求解,计算过程中主要以常温条件下27 ℃时采空区CO分布为模拟对象,经过500多次迭代,迭代残差的数量级均达到10-4,且迭代残差趋于稳定,可认为求解结果已经收敛。

根据计算结果,为了掌握正常开采期间采空区内CO的立体分布规律,分别在距离底板0.5 m、1.5 m高的位置截取了2张CO分布平面刨面图,并截取1.5 m高处O2体积分数平面剖面图,分别如图3～图5所示。

图3 采空区Z=0.5 m高度处CO体积分数分布

图4 采空区Z=1.5 m高度处CO体积分数分布

图5 采空区Z=1.5 m高度处O2体积分数分布

通过对各图进行综合分析可以得到以下结论:

1) 模拟结果表明,在距离底板1.5 m高的采空区回风侧O2体积分数<15%的位置距工作面约9 m,O2体积分数<5%时距工作面约27 m,进风侧对应位置分别为32 m和86 m,中部采空区则为0 m和10 m.一般散热带为O2体积分数>15%区域,窒息带为O2体积分数<5%区域,两者间为氧化带,则根据模拟结果可得3号煤层综放面采空区自燃三带范围,见表1,表1表明模拟结果与矿井实测的结果基本符合。

表1 采空区自燃三带区域划分

2) 从图3和图4可以看出,采空区CO体积分数随进入采空区距离呈现先增加后降低的变化规律,其中整个工作面的进风侧(包括采空区)CO体积分数远低于回风侧,CO体积分数最大区域靠近采空区回风侧,与后部刮板输送机对应区域基本平行,距离工作面17～21 m,最高浓度接近0.09%;采空区中部CO体积分数最高区域与工作面距离约7 m,最高浓度达0.06%以上;采空区进风侧CO体积分数最高浓度在0.005 3%左右,最高浓度位置与工作面距离约30 m.进入窒息带后,采空区CO体积分数迅速降低至不足0.004%.

3) 从模拟结果看,回风隅角区域内CO体积分数达0.017%左右,工作面后部刮板输送机区域CO体积分数亦较高。沿工作面倾向,工作面后部刮板输送机区域CO体积分数自进风侧至回风侧从0逐步升高,距进风巷90 m左右开始,CO体积分数达0.002 4%以上,与回风隅角紧挨的后部刮板输送机电机及减速机区域CO体积分数最高。模拟结果表明,该区域内的CO最大体积分数0.036%以上,远高于回风隅角内CO体积分数;回风流内CO体积分数在0.002 8%左右。

4) 从模拟结果看,工作面回风隅角内CO体积分数最高值远低于回风侧采空区内的CO气体体积分数值最高。为进一步分析模拟结果,在工作面回风隅角进行风量实测,结果表明回风隅角过风量均值在251.31 m3/min.已有研究表明,采空区氧化带漏风强度为0.1～0.24,考虑垮冒带高度作为断面高度,则氧化带平均过风量为28.85 m3/min,氧化带CO最大体积分数接近0.09%,最小体积分数0.004%,取平均值0.047%,则模拟所得的回风隅角CO气体来源于采空区CO气体的浓度采用公式(4)计算:

(4)

将上述数据代入式(4),可计算得到回风隅角内来源于采空区CO气体的体积分数为0.005 4%,故可得回风隅角内CO体积分数的32%来源于采空区,剩余的68%则来源于后部刮板输送机破碎煤体的氧化。这一结论与传统认识差别较大,这也提示在后续治理低变质煤种开采过程中出现CO超限问题时,不仅要治理采空区,还必须将重心放在治理支架后部刮板输送机区域堆煤氧化产生CO上。

5) 将模拟结果与3号煤层综放面正常回采时期进行对比验证,采空区自燃三带范围、回风隅角内CO体积分数均与实测结果较为符合,因此,模拟结果具备参考价值。