惰化降温耦合作用下的采空区低温CO2注入流量与温度研究

郝朝瑜，黄 戈，王继仁，贺 飞

(辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，阜新，123000)



惰化降温耦合作用下的采空区低温CO2注入流量与温度研究

郝朝瑜*，黄 戈，王继仁，贺 飞

(辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，阜新，123000)

为了更好地使用LCO2预防采空区煤自燃安全事故，结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件，利用FLUENT数值模拟的方法，分别研究了低温CO2的不同注入流量与温度对采空区氧化带内最高点温度、氧化带宽度和最大高温区域温度的影响。发现随着注入流量的增大，氧化带宽度与温度先逐渐下降后趋于平缓，注入温度的下降对回风侧高温点影响不大，而能将入风侧采空区最大高温区域温度降低。研究表明，注入流量增大到一定程度后对缩小采空区氧化带宽度的作用变小，而注入温度的下降对回风侧存在高温发火危险的采空区降温效果不佳。

采空区；煤自燃；LCO2；流量；温度

0 引言

向采空区注入惰性气体是预防采空区遗煤自燃的主要方法[1]。CO2是常用的防灭火惰性气体，它注入采空区后可降低氧含量，使采空区惰化抑爆，而LCO2更是具有冷却降温作用。惰化与降温的效果分别与LCO2的注入温度和注入流量直接相关。LCO2的注入温度和注入流量的变化会造成采空区气体流场、浓度场与温度场的叠加变化，对采空区自燃三带的分布产生复杂的影响。对该问题进行深入研究，能够使我们更加清楚地认识采空区的这种变化规律，为制定更加合理的LCO2预防煤自燃的参数奠定基础。

目前对惰性气体注入参数的常用研究方法是数值模拟或现场试验。李等[2]利用数值模拟的方法，研究了采空区注氮参数和开区注氮条件下采空区遗煤自燃规律；张等[3]利用FLUENT软件对注氮防治综放遗煤自燃进行了三维数值模拟研究，得出注氮量与氧化带宽度、影响高度的关系；郝等[4]通过现场实测的方法得到了注氮条件下采空区自燃三带的分布范围；尹等[5]利用热电偶和束管对采空区内一定范围内气体和温度进行实测，利用温度、CO和CO2划分出采空区动态注氮作用下“三带”的分布范围，确定停采后注氮口和灌浆口的合理位置；王等[6]采用数值模拟的方法，研究了注常温CO2出口不同位置、不同流量时综放采空区自燃“三带”的分布规律；马等[7]利用模拟计算的方法对LCO2防治采空区自燃应用工艺流程模拟进行计算，得出了能够满足直接安全输送LCO2防灭火系统管路的输送工艺参数；宋[8]在采空区注N2量计算式的基础上推导了火区防火时注入LCO2量的计算式，并类推了注入口位置等参数。以上研究结果多数或是针对采空区注N2技术开展的，或只研究常温CO2气体惰化效果，不研究降温作用，从而没能很好地反应出LCO2防治采空区煤自燃时的优势。因此，有必要在综合考虑注入低温CO2对采空区惰化降温耦合作用基础上，研究注入温度与注入流量对采空区遗煤自燃的预防效果。

结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件，构建LCO2注入采空区惰化降温耦合作用规律的数值计算模型，应用数值模拟的方法分析LCO2的不同注入温度与注入流量对采空区温度场和气体浓度场的影响，分析其对采空区遗煤自燃的防治效果。

1 采空区流场基本控制方程

主要模拟 CO2，O2等气体在采空区中的扩散传播规律。数值模拟用到的基本方程[9,10]如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程;

(2)

组分运输方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

2 数值计算模型的建立

2.1 几何模型建立[11]

模型根据宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209综采工作面的实际条件建立。Ⅲ3煤层平均厚度为3.8 m，平均倾角5度，为近水平煤层，工作面长度156 m。通风方式为“U”型，供风量为2070 m3/min，进回风巷道断面14 m2。在回风巷侧顶板向上5 m～10 m，内错4 m布置低位瓦斯抽采巷，抽采量为180 m3/min。煤的自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤，最短发火期为48天。垮落带高度一般为采高的3～4倍，加上开采层厚度共为采高的4～5倍，取平均值为17.1 m，采空区遗煤厚度0.5 m。

图1 数值计算的几何模型Fig.1 Geometric model of numerical calculation

模型设计按照以上参数，工作面长度设计为150 m，采空区深度设为300 m能够包含最大窒息带范围，高度为17.5 m采空区松散堆积煤岩的厚度。低位抽采巷垂高Z=12.5 m，水平位置Y=141 m。注CO2气体出口根据研究结果取位置为X=20 m，30 m两种情况，距底板高度均为Z=0.5 m，如图1所示。

采空区冒落情况按照上覆岩层O-X型破裂理论，冒落碎胀系数分布按式(5)进行描述，较为松散的取最大值1.6，较为紧密取1.1：

(5)

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m1=0.0368，m0= 0.268；d0，d1分别为点(x，y) 与固壁和工作面边界的距离；φ=d0/30为近煤壁调整系数；ξ为控制模型分布形态的调整数，具体可通过试算确定，取ξ= 0.233。

遗煤耗氧与放热强度按照公式(6)确定：

(6)

式中：kb粒径影响系数，取0.25；kh煤厚影响系数，取0.4；T温度，K；c反应时实际氧气浓度；c0大气中氧气浓度，取20.96%。

放热强度q0(T)按照公式(7)确定

(7)

式中：kb粒径影响系数，取0.25；kh煤厚影响系数，取0.4；T温度，K；ω工作面推进速度影响系数，正常推进时取1；c反应时实际氧气浓度，%；c0标准大气下氧气浓度，取20.96%。

2.2 边界条件

采空区的边界条件为：进风顺槽为速度入口流速2.464 m/s，回风顺槽和高抽巷均为充分射流出口(outflow)，其流率权值按实际抽放量进行换算。采空区的固壁认为是不漏风的，绝热的。进风巷的氧气浓度为标准空气的氧气浓度20.96%，二氧化碳浓度0.04%，瓦斯浓度为0，采空区瓦斯涌出量为30 m3/min。LCO2在注入前进行气化，在流出出口时为气态，浓度99%，温度最低为CO2在储罐内的储存温度-20℃。

2.3 自燃三带的分布范围

采空区自燃“三带”的划分可采用氧气浓度来进行。散热带与氧化自燃带的划分以氧浓度18%为界限；氧化自燃带与窒息带的划分以氧气浓度7%为界限。数值模拟的采空区氧浓度场与温度场结果如图2所示。

图2 数值模拟采空区氧浓度场与温度场Fig.2 Numerical simulation of oxygen concentration field and temperature field in the goaf

由图2(a)氧浓度场可知，按照氧气浓度对采空区自然三带进行划分，在进风侧漏入的新鲜风流使得该侧氧化自燃带宽度较大，氧化自燃带的范围已经深入采空区距离支架尾部近150 m，在回风侧则宽度较小，距离支架尾部最小距离为20 m。散热带的宽度也具有类似的分布规律，在入风侧达到54 m，回风侧为10 m左右。图2(b)显示了采空区温度场，在氧化自燃带内出现了煤氧化升温的现象，其温度高于其它分带。在回风侧采空区出现了最高温度点，而入风侧采空区则出现了高温区域的最宽范围。

3 CO2的不同注入量对采空区的影响

CO2注入量作为影响采空区防灭火效果的重要参数之一，直接影响对采空区漏风中氧气的稀释和对采空区遗煤的冷却，进而影响采空区遗煤氧化带的宽度和温度。注入量过小，无法达到惰化采空区的目的；注入量过大，造成不必要的资源浪费，还可能造成工作面局部和回风流中CO2浓度超限。因此，选择一个合理的注入量，对于保障采空区防灭火效果和经济合理性尤为重要。

根据研究结果[11]，209综采工作面较为理想的注CO2气体出口位置为距离支架后方20 m～30 m，因此分别模拟了CO2气体出口位置距离支架后方20 m和30 m两种情况下，注入温度为-20℃，注入流量分别为360 m3/h、540 m3/h、720 m3/h和900 m3/h时，采空区氧浓度场与温度场的分布情况。以上几种注入流量相比较工作面的供风量都不会引起回风流CO2浓度超限。图3为CO2气体出口位置距离支架后方20 m和30 m时，不同注入流量情况下采空区氧浓度分布。图4为CO2气体出口位置距离支架后方20 m和30 m时，不同注入流量情况下采空区温度场分布。

图3 不同注入量时采空区氧浓度场分布Fig.3 Oxygen concentration field distribution with different injection flow rates

图4 不同注入量时采空区温度场分布Fig.4 Temperature field distribution of the goaf with different injection flow rates

由图3可以看出，CO2注入量的变化主要影响采空区进风侧至中部氧化带宽度，尤其入风侧氧化带宽度随CO2注入量的增加下降尤为明显。采空区中部和回风侧的氧化带宽度表现出的规律是：从入风侧至回风侧采空区氧化带宽度减小程度由大到小。但这种趋势在CO2注入量达到一定程度时开始变慢，继续增大注入流量对缩小采空区氧化带宽度起到的作用变得微小，氧化带宽度和注入流量之间大致符合负指数函数关系。CO2出口位置的不同所表现出的规律是类似的，这也能够说明依靠增加注惰气的流量来消除采空区自燃“三带”是不能实现的。

采空区温度场的分布如图4所示，增加注入量使CO2冷却范围扩大，低温区域向采空区深部扩张，整体降低了采空区温度。温度场的分布显示注入低温CO2情况下，在采空区靠近回风侧易出现高温区域。相比较X=20的出口位置，X=30时此高温区域在范围和程度上更为明显。通过整理，将不同注入量下采空区氧化带最大宽度Wmax和氧化带最高温度点温度Tmax值进行汇总，不同注入量时其变化情况如图5所示。

图5 采空区氧化带最大宽度和最高温度随注入流量变化曲线Fig.5 Change curve of maximum width and maximum temperature of oxidation zone with different injection flow rate

由图5可知，对于X=20位置注入，随注入量增加，氧化带最大宽度Wmax先缓慢增加然后急剧减小的最终归于平稳，这是由于在注入量较小时，采空区深部氧气浓度7%边界线向浅部移动较小，而浅部18%氧浓度边界线却更加靠近工作面，使得氧化带宽度有较小程度的增大；X=30位置注入，采空区高温区域最高温度随注入量增加缓慢降低；在注入量Q注=540 m3/h时，若在X=20位置注入，氧化带最大宽度64 m，在X=30位置注入，采空区最高温度为311.27 K，都有了较为明显的降低，继续增大注入量到 720 m3/h或更大时，煤自燃防治的效果增幅十分有限，而注入成本却增加较大，在经济上不够合理。可见注入流量不是越大越好，需要与工作面的实际条件相适应。

4 CO2的不同注入温度对采空区的影响

采空区LCO2防灭火相对于N2的优势之一就是注入温度可控性强，其管路出口温度实测可低至零下40度，而通过在管路前段增设加热装置也可将注入温度控制在零度以上。但具体注入温度对于采空区防灭火效果会产生怎样的影响，需要针对具体工作面进行具体分析。因此，选取X=30位置，注入量Q注=540 m3/h为基本条件，分别考察注入温度在253 K、263 K、268 K、273 K、278 K和283 K时采空区Z=0.4水平面氧气浓度场和温度场分布情况。

图6 不同注入温度时采空区氧浓度场分布Fig.6 Oxygen concentration field distribution with different injection temperatures

根据数值计算结果发现，按氧气浓度划分氧化带的变化在相邻两个温度差之间差别很小，选取253 K和293 K两组中Z=0.4平面氧浓度场进行对比分析，如图6。结果表明：随着注入CO2温度的升高，LCO2的降温效果下降，采空区温度升高，导致遗煤的耗氧速率增大，直观显示氧化带在采空区深部边界向工作面方向移动，采空区氧化带宽度逐渐变窄。

由于变化规律类似，这里列举了注入温度为253 K、263 K、273 K和283 K四种注入温度情况下采空区温度场分布，如图7所示。通过观察图7可以发现，随着注入CO2温度的升高，采空区回风侧最高点温度Tmax以及采空区入风侧深部温度T均有所升高，且T的升高速度大于Tmax的升高速度，高温区的面积也逐渐增加。

各组模拟中氧化带在采空区进风侧、中部、回风侧的宽度和氧化带最大宽度变化，以及采空区最高温度Tmax和采空区入风侧深部温度T的模拟结果列举在表1中。

图7 不同注入温度时采空区温度场分布Fig.7 Temperature field distribution with different injection temperatures

表1 不同注入温度时模拟结果

为清楚注入温度对采空区的影响，利用表1所得数据绘制随注入温度增加采空区氧化带最大宽度和温度变化曲线图曲线，如图8。

图8 采空区氧化带最大宽度和最高温度随注入温度变化曲线Fig.8 Change curve of maximum width and maximum temperature of oxidation zone with different injection temperatures

从图8可知，降低CO2注入温度主要是影响采空区入风流的冷却效果，降低浮煤耗氧速度和产热强度。虽然可能导致氧化带宽度的增加，但程度有限；从温度变化趋势来看，注入CO2温度对采空区回风侧高温点的温度影响较小，但对于采空区入风侧大范围高温区温度影响较大，后期注入温度过高，超过283 K时，入风侧深部温度T将超过回风侧最高温度点温度Tmax。相反，当注入温度逐渐降低，则对采空区入风侧的降温效果要好于回风侧的降温效果。由此可知，在一些回风侧存在高温发火危险的采空区，使用注惰气降低该位置的温度效果不佳。

5 结论

通过以上分析，可得到以下主要结论：

1)209工作面低温CO2注入采空区防火时，以注入口位置距离工作面20 m为例，增加注入流量，采空区氧化带宽度由64 m以负指数关系逐渐变小，最高温度点的温度由311 K以负指数关系持续下降。说明依靠增加注入流量来“消除”氧化带不能实现，从经济性和有效性方面注入流量应保持在一个合理的范围。

2)随着低温CO2注入温度由253 K增加至283 K，位于回风侧采空区的最高温度点温度在313 K基本保持不变，由于煤耗氧量的增加氧化带宽度由38 m稍有降低至31 m，而入风侧采空区深部温度明显增大约15 K。因此，注入温度的降低对入风侧采空区煤自燃的防治效果较好，回风侧采空区则一般。

3)低温CO2注入采空区与注入N2相比较能够实现惰化降温双重作用。注入流量的大小与注入温度的高低作用具有特定的规律，需要根据现场实际情况作出分析判断，使二者都能发挥最佳的作用，从而做到最大程度的保证注入效果，达到确保安全生产的目的。

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Study on CO2injection effect on flow rate and temperature based on coupling effect of inerting and cooling

HAO Chaoyu, HUANG Ge, WANG Jiren, HE Fei

(College of Safety Science & Engineering Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)

This paper studies the use of LCO2in the prevention of gob coal spontaneous combustion accidents, for the 209 working face of coal seam III3 in the Xuandong No.2 Coal Mine. Numerical simulation by FLUENT is used to study the influence of low temperature CO2injection volume and temperature in goaf on the highest temperature in oxidation zone, the oxidation zone width and maximum temperature in the high temperature region. It is found that with the increase of the injection flow rate, oxidation zone width and temperature first decrease and then tend to be almost constant. The injection temperature drop has little effect on the hot spots of the return air side, while the maximum temperature zone temperature can be reduced in inlet side of goaf. Research shows that when the injection rate increases to a certain extent, the effect of reducing the goaf oxidation zone width becomes small while the injection temperature drop has minor effect on the cooling of high-temperature combustion dangerous region.

Goaf；Coal spontaneous combustion；LCO2；Flow rate；Temperature

2016-04-05；修改日期：2016-05-25

国家十二五科技支撑计划子课题(2013BAK06B07)；国家自然科学基金(51404127)；高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题(20132121120001)。

郝朝瑜(1982-)，男，博士，副教授，主要研究方向为矿井火灾防治。

郝朝瑜，E-mail:hcy821022@163.com

1004-5309(2016)-00107-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.08

X936;X932

A