综采工作面采空区注氮防灭火技术模拟研究

马建鹏

(汾西矿业集团公司 曙光煤矿，山西 孝义 032300)

1 工程概况

汾西矿业集团曙光煤矿主采2号、3号煤层，生产规模90万t/a。根据矿井采掘衔接部署，2020年进行1226工作面的回采，1226工作面采用切顶卸压沿空成巷无煤柱开采方式，开采山西组2号煤层，煤层平均厚度2.85 m，经山西省煤炭工业厅综合测试中心鉴定，2号煤层吸氧量为0.57～0.70 cm3/g。自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层，最短自然发火期天数为86 d。根据瓦斯等级鉴定结果，矿井绝对瓦斯涌出量为14.59 m3/min，为预防1226综采工作面生产期间采空区自燃，需加强1226内因及外因火灾预防。根据曙光煤矿的现状，综采工作面防灭火手段为：利用束管监测系统监测、人工检测、采空区注氮系统为主，喷洒阻化剂及黄泥灌浆为辅的防灭火措施。为使采空区注氮取得更好的防灭火效果，对采空区注氮相关参数进行研究，以期为采空区遗煤自燃发火的防治措施提供可靠依据。

2 建立数值模拟模型

采用Fluent软件进行采空区注氮模拟分析，模型尺寸根据曙光煤矿1226工作面的实际情况建立，模型Y轴方向为工作面长度方向，1226工作面走向长度为176 m，设计模型Y轴方向长度为200 m，工作面推进方向为X轴方向，模型总长度为305 m，其中工作面宽度为5.0 m，采空区长度为300 m，模型高度为煤层厚度、冒落带和裂隙带的厚度之和，冒落带计算公式[1-2]：

hm=h/(Kp-1)cosα

(1)

式中：hm为冒落带高度，m；h为工作面采高，m；Kp为顶板岩层碎胀系数；α为煤层倾角，(°)。

裂隙带高度计算公式：

hl=100h/(ah+b)±c

(2)

式中：hl为裂隙带高度，m；a、b、c为相关参数分别为3.1、5.0、4.0。

1226工作面采高2.85 m，顶板岩层碎胀系数为1.25，煤层倾角为2°，由式(1)、(2)计算可得冒落带高度为11.4 m，裂隙带高度为16.83～24.83 m，由此可知裂隙带最大高度为25 m，最终确定模型高度为28 m。模型坐标原点选在工作面、采空区及进风巷的交点处，进风巷设置为速度入口，总进风量为2 400 m3/min，注氮口为速度入口，采空区为多孔介质，孔隙率和粘性阻力系数通过UDF函数导入，三维数值模型如图1所示。

图1 三维数值模型示意

3 最佳注氮量模拟研究

进行注氮量模拟分析时需首先确定注氮孔的位置。注氮孔的位置对于防灭火的效果非常关键，主要需要确定注氮孔与工作面的垂直距离，注氮孔距离工作面过近时，将导致大量氮气扩散至工作面，随着工作面风流排出，无法起到稀释采空区氧气浓度的作用，造成资源大量浪费；注氮孔深入采空区过深时，氮气大多注入窒息带，同样造成资源浪费。根据1226工作面现场实测数据得到采空区三带范围为：回风巷侧散热带：0～25 m，氧化带：25～45 m，窒息带：45 m以上；进风巷侧散热带0～55 m，氧化带：55～90 m，窒息带：90 m以上，结合采空区注氮防灭火的原理，设计注氮孔位于进风巷一侧，深入采空区70 m，与进风巷水平距离为20 m，注氮孔距底板2 m，模型网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分及注氮孔位置示意

注氮量是最重要的注氮参数，直接决定着注氮效果。注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的而起不到防火的作用，注氮量太大造成经济上的浪费。注氮量主要取决于被注地点的氧化空间大小、裂隙情况、漏风量大小以及气体组分等[3-4]。按采空区氧化带氧含量计算，实质是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，计算公式为[3]：

QN=60×QV×k[(C1-C2)]/(CN2+C2-1)

(3)

式中：QN为注氮流量，m3/h；k为备用系数，取1.1；QV为采空区氧化带的漏风量，根据经验氧化带漏风量取8 m3/min；C1为采空区氧化带内原始氧含量，选15%；C2为注氮防火惰化指标，取7%；CN2为注入氮气中的氮气纯度，取97%。

通过式(3)计算可得，QN=1 056 m3/h=17.6 m3/min，为进一步确定1226工作面采空区最佳注氮量，结合理论计算结果，对注氮量分别为10 m3/min、15 m3/min、20 m3/min、25 m3/min条件下的注氮效果进行模拟分析，注氮口坐标为(X，Y，Z)=(70，20，2)，得到不同注氮量条件下采空区氧气浓度分布，如图3所示。

图3 不同注氮量条件下采空区氧气浓度变化云图(Z=2)

根据图3所示的模拟结果，参考相关的研究成果[4-5]，将采空区氧气浓度低于5%的区域划分为窒息带，氧气浓度为5%～18%的区域为氧化带，氧气浓度18%以上为散热带，依据“三带”划分情况，分别统计采空区靠近进风侧、中部、靠近回风侧散热带和氧化带的宽度，整理得到三带宽度随着注氮量的变化规律如图4所示。

图4 采空区散热带和氧化带宽度与注氮量的变化关系

由图3、图4可以看出，随着注氮量的增加，采空区内氧气浓度明显减小，窒息带的覆盖范围逐渐增大，散热带的覆盖范围逐渐减小，进风侧氧化带的宽度明显减小，工作面中部和回风侧氧化带的宽度出现小幅度的增大。注氮量由10 m3/min增大至20 m3/min期间，注氮孔附近氧气浓度显著降低，散热带范围明显减小，进风侧氧化带宽度明显减小，采空区发生自燃发火的概率降低；注氮量由20 m3/min增大至25 m3/min，采空区氧气浓度分布云图无明显变化，且散热带宽度明显增大，回风侧和工作面中部氧化带宽度出现轻微增大，且进风侧氧化带宽度的减小幅度明显减小，注氮效果比注氮量为20 m3/min条件下差。综上可知，1226工作面采空区最佳注氮量为20 m3/min。

4 结 语

根据曙光煤矿1226工作面具体的地质条件，理论分析确定采空区注氮孔的合理位置，设计注氮孔位于进风巷一侧，深入采空区70 m，与进风巷水平距离为20 m，注氮孔距底板2 m；理论计算了采空区合理注氮量为17.6 m3/min，采用Fluent软件建立三维模型，分析不同注氮量条件下采空区散热带和氧化带的变化规律，综合考虑经济效益和惰化效率后得出最佳的注氮量为20 m3/min。研究结果为1226工作面采空区注氮防灭火防治措施的制定提供可靠依据。