邹庄煤矿采空区CO涌出量预测模拟研究

孟 刚

(安徽神源煤化工有限公司邹庄煤矿，安徽 淮北 235123)

煤自燃的实质就是一个相对复杂而且极其缓慢的氧化过程，在低温状态下的煤自燃容易导致热量聚集，使煤体温度上升，最终导致自燃[1]。工作面采空区的遗煤自燃过程中，由于煤的氧化作用，能产生大量CO气体，CO气体能引起人员中毒，遇到火源能引起爆炸。本研究将采用现场分析和数值模拟的方法，建立实验室CO模型和采空区CO涌出量模型，从而对采空区中CO涌出量进行预测。

1 采空区CO涌出预测数学模型

1.1 实验室CO理论模型

当煤样处于低温氧化当中时，煤体与氧气保持接触形成化学吸附、化学反应以及物理吸附，如果煤体和氧气接触的面积越大，那么所能够导致的化学反应的概率就越大[2]。将煤样的内比表面积当做是煤样的比表面积，通过推导可以得出，实验当中的煤体重量为G1的煤样和氧气保持接触的表面积S1。

式中：

G1-煤样重量，g；

Sn-煤样内表面积，m2；

d-平均当量粒径，m；

n-孔隙率；

ρ-密度, g/cm3。

CO的绝对量F1（m3/min）为：

式中：

CO1-实验室CO浓度，ppm；

Q1-实验空气通气量，m3/min。

1.2 采空区CO涌出数学模型

为建立采空区CO涌出数学模型，假设如下[3]：

（1）在现场工作面当中的通风形式为传统的U型通风结构；

（2）在煤体中同一区域的煤体温度和风流的温度保持一致；

（3）不考虑瓦斯等对工作面采空区的影响；

（4）采空区漏风是稳定的，漏风量不变。

基于假设条件，将采空区当中遗煤低温氧化过程近似的当做是在一个大的实验室基础上完成的煤样低温氧化过程。基于相似准则，即实验和现场相同的遗煤重量、表面积大小、漏风总量以及空隙率，以此推导出现场预测模型。

式中：

I-工作面倾斜长度，m；

H-采空区高度，m；

L-最大宽度，m；

γ-煤体容重，t/m3；

C-回采率，%；

α-煤粒比表面积，m2/g；

CO2-现场CO浓度，ppm；

Q2-采空区漏风量，m3/min。

2 现场应用

2.1 现场概况

淮北邹庄煤矿3103工作面煤层具有自燃性，粉尘具有爆炸危险性。该工作面采高H为3m，能够氧化放热的最大宽度L为80m，同时自燃带和不自燃带宽度之和为72m。工作面供风量1397m3/min，煤体容重γ为1.45t/m3，采空区回采率C为90%，孔隙率为0.1。

2.2 采空区漏风量的求解

为了有效分析3103综采面采空区漏风量，采用Fluent软件进行模拟，并对采空区中漏风平均风速进行估测[4]。

表1 模拟参数表

采用GAMBIT建立采空区物理模型，如图1所示，并对其进行网格划分，如图2所示。该模型将采空区简化为长方体，坐标原点取回风巷边界点，x轴取进风巷，y轴采空区深度方向，z轴取垂直于巷道底部方向，其参数设置如表1所示。

图1 计算模型

图2 网格划分

利用FLUENT进行模拟，本次模拟将采空区视为多孔介质，基于采空区当中实际取得的参数来对实际物理模型当中的多孔介质阻力系数以及边界条件采取精确呈现。通过FLUENT软件对已经构建的计算模型进行数值计算，得出该工作面的采空区漏风风速。为了能够实现对漏风风速的分析，可以对不同视角下的采空区漏风风速图进行选取。采用Iso-Surface方法，取z=0，得到3103综采面采空区风速矢量图，如图3所示。

图3 3103综采面采空区风速矢量图(z=0)

由模拟计算结果可以得出：该工作面采空区中最大漏风风速为4.35e-5m/s，而最小风速很小。所以得出采空区平均漏风风速为2.17e-5m/s。因为该工作面采空区最大氧化带宽度为46m，而采空区在顶板以上10m处，孔隙率为0.1，那么得出采空区的漏风截面积为46m2。根据得出的漏风截面积以及实际孔隙率，可以得出引起采空区遗煤自燃漏风量Q2=0.059892m3/min

2.3 CO预测指标范围的确定[5]

由淮北邹庄煤矿3103综采面采空区工程试验可得：

采空区遗煤体积：V2=L·I·H=23166m3；

采空区遗煤量G2为：G2=V2（1-C）γ=3359.1t；

比表面积α为1.43×10-6m2/g，可得：

采空区遗煤的理论表面积S2为：S2=α·G2=4803.5m2

由实验室Ⅱ863工作面煤样的氧化条件可知：

煤样重量G1=50g；密度ρ=1.40g/cm3；煤样粒径d=0.3mm；空气流量Q1=50m3/min，求出与氧接触表面积：

表2 3103综采面采空区数据对比（实验与预测）

将所得数据代入CO涌出预测的计算数学模型公式（3）可以推出煤低温氧化阶段，由实验室预测现场采空区CO浓度，如表2所示。

由分析可以得出：试验状况下，CO氧化速率的增长幅度小于0.2ppm/℃，表现为正常值；CO氧化速率增幅范围为0.24～0.7ppm/℃，属于预报值；CO氧化速率增幅＞0.7ppm/℃，需要采取措施。

现场状况下，CO氧化速率的增长幅度小于1.2ppm/℃，表现为正常值；CO氧化速率增幅范围为1.6～4.3ppm/℃，属于预报值；CO氧化速率增幅＞4.3ppm/℃，需要采取措施。

当CO浓度＜5ppm，属于正常值、安全值；当CO浓度=5～12ppm，且温度升高至40～50℃，属于加强观测值；当CO浓度=12～21ppm，且温度升高至50～60℃，属于自燃发火预报值；当CO浓度＞21ppm，煤炭氧化进入自热前期。

3 结论

（1）根据Fluent数值模拟，得出3103工作面采空区平均漏风风速为2.17e-5m/s，同时根据求解出来的漏风截面积和实际的孔隙率，能够得出采空区遗煤自燃漏风量Q2为0.059892m3/min。

（2）矿井煤样在常温30℃即可产生CO气体。若煤体温度在30～60℃时，CO释放量会伴随煤体的温度上升而有所下降；若煤体温度在60～80℃时，煤体的氧化急剧上升，CO释放的总量在不断上升，煤体的氧化速率出现急剧上升的状态；若煤体温度高于80℃，煤体氧化速率迅速增加，同时CO释放量也迅速上升，此时应发出防火预警信号防治煤体自燃。