注氮对相邻采空区自燃“三带”影响模拟研究

杨 黎，郑万成，赵 波，陈朋磊

(1.云南省煤炭产业集团有限公司，云南 昆明 650000; 2.四川省煤炭设计研究院，四川 成都 610031;3.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

煤炭开采过程中，会面临着各种灾害，其中煤炭自燃是最主要的灾害之一[1-3]。目前，许多矿井为了提高工作面回采率，采用了小煤柱护巷技术[4-5]，由于巷道反复受压变形，使得煤柱孔隙发育，形成漏风通道，且相邻工作面开采增大了采空区冒落空间，此采空区与相邻采空区连成一片，形成了复杂的多源多汇漏风通道，加大了漏风量，增大了煤炭自燃的风险，给防火工作带来了较大难度[6-8]。因此，研究相邻采空区氧气浓度场分布规律对指导煤矿建立自然发火治理体系具有重要意义。

近年来，国内外学者对注氮防灭火技术进了深入研究。注氮防灭火是通过定向定量方法向采空区内注入大量氮气，达到惰化火区、抑制煤自燃的效果[9-14]。通过数值模拟研究发现注入惰性气体后，采空区氧化带面积显著减少[15-19]。Yuan Liming等[16-18]通过CFD模型研究了单一工作面O2浓度对煤自燃危险区的影响，以确定最佳注氮位置和注入量。以往的研究主要针对本工作面采空区，而对于相邻工作面开采条件下的采空区自燃隐患研究较少，然而采空区漏风情况复杂，遗留的大量破碎的浮煤在适合的氧环境中容易氧化，存在较大风险。因此，本文利用Fluent软件，研究相邻采空区自燃危险区域分布规律。对比不同注氮方案下相邻采空区氧气浓度场分布规律，分析相邻工作面开采最佳注氮参数。为后续防灭火工作提供依据，保证工作面安全回采。

1 现场观测

1.1 工作面概况

本文以贵州某矿4244工作面为背景，结合现场实测，利用数值模拟的研究方法[20-21]，在注重注氮成果以及考虑实际情况如注氮能力，注氮成本等因素的条件下，得出合理注氮参数，为采空区防灭火工作提供理论指导。4244工作面南部为四采区运输下山、四采区回风下山，开采24号煤层，24号煤层属Ⅱ级容易自燃煤层，煤层埋藏深度323～401 m，含夹矸2～3层，煤厚1.8～3.0 m，平均2.4 m；煤层倾角10°～14°，平均12°，赋存较稳定。工作面采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法控制顶板，综合机械化采煤工艺。工作面走向长度为781 m，倾向长度为79 m，采用U型通风方式，设计配风量800 m3/min左右，进回风巷断面为半圆拱形，采用锚网索支护，巷道设计下宽5 m、中高3 m，断面12.3 m2；采煤工作面切眼巷道断面为矩形断面，巷道净宽5.2 m，净高2.5 m，断面积13 m2，巷道采用锚网索支护。相邻为4242采空区，回风巷距采空区的小煤柱仅为宽5 m。

1.2 自燃“三带”划分依据与测试方案

本文在进行自燃“三带”划分时，以采空区氧气浓度为划分依据：散热带为氧气体积分数大于18%的区域,自燃氧化带为氧气体积分数为10%～18%的区域,窒息带为氧气体积分数小于10%的区域[10,21-22]。采空区预埋束管监测系统如图1所示，共4个测点，编号为1号—4号，采空区束管设计测量范围为150 m。测点探头垂直高度0.3 m，为防止采空区渗水影响，现场布置时，利用矸石铺底将束管抬高0.2 m，即测点探头距离煤层底板0.5 m。根据工作面推进情况，工作面每推进10 m进行1次气体取样，利用气相色谱仪进行气体组分和浓度分析，得出采空区氧气浓度随推进距离的变化规律。

图1 采空区测点布置平面Fig.1 Layout plan of measuring points in goaf

1.3 测试数据分析

4424工作面进风巷和回风巷侧各个测点氧气浓度随采空区测点距工作面距离增加的变化曲线如图2所示。由图2可知，随着工作面的不断推进，采空区内的氧气浓度随采空区距工作面的距离增加整体上一直处于下降状态，这是由于采空区瓦斯浓度增大以及遗煤耗氧共同造成的。由3号和4号测点数据趋势图可知，进风巷侧采空区氧气浓度在0～30 m范围内趋近于大气氧浓度，降低速度缓慢，而当深度>30 m时，进风巷侧采空区氧气浓度下降速度加快，这是由于采空区深部漏风强度小，无法及时稀释掉遗煤及煤壁所解吸的瓦斯，且遗煤自燃氧化耗氧量快速增加，使得氧气浓度快速下降。由1号和2号测点数据可知，回风巷侧采空区氧气浓度快速下降，这主要是由于在回风巷侧采空区瓦斯浓度上升速度加快，相对应的导致氧气浓度下降速度加快，且随着采空区深度增加，采空区温度增加，加快了采空区遗煤自燃氧化速率，氧气消耗量增加，使得氧气浓度下降速度越来越快。

图2 采空区不同深度氧气浓度变化曲线Fig.2 Variation curve of oxygen concentration at different depths in goaf

采空区自燃“三带”实测范围见表1。

表1 采空区自燃 “三带”划分Tab.1 Division of "Three Zones" of spontaneous combustion in goaf

2 数值模型的建立

2.1 几何模型的建立

结合4244工作面实际布置条件，简化模型，确定几何尺寸参数，几何参数见表2，建立的采空区几何模型如图3所示。

图3 采空区几何模型Fig.3 Geometric model of goaf

表2 几何参数Tab.2 Geometric parameters m×m×m

利用ANSYS Fluent Meshing对所建立的几何模型进行非结构网格划分，体网格选用正六面体核心型(Poly-Hexcore)网格，该模型划分体网格单元数为622 669个，最小正交质量等于0.5，最大纵横比等于7，最大扭斜度小于0.3，网格质量较高有利于计算结果的快速收敛。网格划分如图4所示。

图4 采空区网格划分Fig.4 Grid division of goaf

2.2 模拟参数确定

(1)孔隙率。孔隙率是颗粒间空隙体积与自然状态下的散粒状介质总体积的百分比，采空区空间任意一点的孔隙率ε(x,y,z)可以由该点的碎胀系数Kp(x,y,z)按以下公式计算得出。

(1)

(2)渗透率k。渗透率是表征土或岩石本身传导流体能力的参数，受孔隙率和平均粒径的影响，根据Catman公式，采空区渗透率与孔隙率和平均粒径之间的关系：

(2)

(3)平均粒径分布Dp。认为采空区顶板垮落后平均粒径在水平方向上不发生变化；在高度方向上，平均粒径随高度的变化服从抛物线型分布规律，按下式进行计算。

Dp=-0.000 008(z-h)2+0.06

(3)

(4)黏性阻力系数C1和惯性阻力系数C2。在Fluent中多孔介质模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中多孔性材料对流体的流动阻力。该源项由2部分组成，即Darcy黏性阻力项和惯性损失项，在Fluent中所对应的为黏性阻力系数和惯性阻力系数2个参数：

(4)

(5)

(5)氧气消耗源项O。考虑遗煤自燃氧化耗氧，耗氧项可用下式表示：

(6)

式中，A为指前因子；CO2为采空区氧气浓度；E为活化能；n为表观反应级数；R为气体常数；T为绝对温度。

2.3 边界条件的设定

采空区多孔介质参数及源项设置均通过UDF接口导入，调用DEFINE_PROFILE宏函数设置孔隙率、黏性阻力系数和惯性阻力系数，使用DEFINE_SOURCE宏函数设置源项，将工作面进风巷设置为速度入口(Velocity-inlet)，回风巷和埋管出口设置为自由出流(outflow)，基本模拟参数见表3。

表3 模拟基本参数Tab.3 Simulation basic parameters

3 模拟结果与分析

采用注氮防灭火，注氮工艺的差异使得防灭火效果也不相同。结合当前先进的数值模拟技术，根据矿井工作面的具体开采方式，建立数学模型，根据数值模拟结果和理论分析，得出最佳注氮参数，为采空区防灭火工作提供参考。

3.1 不同注氮位置模拟结果分析

注氮口位置是采空区遗煤自燃防治注氮方案设计中的重要参数之一，为寻求最佳的注氮位置，在进风侧分别设置3个不同的注氮口距离，即X=50 m、X=75 m、X=100 m，X值代表注氮口距离工作面的距离，注氮量设为50 m3/h。通过调取z=1 m、Line1、Line2上的数值模拟结果(图5、图6)，分析不同注氮位置条件下采空区的氧气浓度场变化规律。根据图5(a)氧气分布云图以及图6进回风侧氧浓度的变化曲线可以得出，在未注氮的条件下，进风侧氧化带范围为52～129 m，回风侧氧化范围为23～73 m。与表1数据比较可知，现场实测结果与模拟结果基本一致，这在一定程度上验证了数值模拟结果的可靠性和合理性。

图5 不同注氮位置条件下z=1 m截面氧气分布云图Fig.5 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection positions

图6 不同注氮位置条件下Line1与Line2氧气浓度变化曲线Fig.6 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection positions

由图5和图6可以看出，注氮能够明显缩小采空区氧化带范围，但不同注氮位置影响幅度有所区别，注氮位置对采空区氧气浓度的影响主要集中在采空区靠近进风巷侧的区域。可以明显看出，注氮位置附近氧气浓度急速降低。根据模拟导出的结果，计算获得不同注氮位置条件下氧化带宽度，同时按照模型比例，利用AutoCAD的aa命令测量氧化带面积，结果如图7所示。由图7可知，注氮对本采空区氧化带宽度影响显著，当注氮位置为50 m时，采空区进风巷、回风巷侧氧化带宽度均达到最小值，分别为7 m和40 m；同时，注氮可以减小本采空区与相邻采空氧化带面积，但对本采空区的效果明显优于对相邻采空区的影响。与未注氮相比，注氮位置为50、75、100 m条件下的氧化带总面积分别减小了6 694、6 384、5 817 m2。相比而言，选择注氮口位置深度为50 m能较大程度地稀释工作面采空区进风巷侧氧气，从而能减小采空区氧化带区域面积。

图7 不同注氮位置条件下氧化带宽度与面积Fig.7 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection positions

3.2 不同注氮流量模拟结果分析

注氮量同样是采空区遗煤自燃防治注氮方案设计中相当重要的参数之一，一般是指每小时注入采空区的氮气量。根据上文选取注氮位置为X=50 m，选取4个不同的注氮量，即Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h，模拟分析不同注氮量对采空区氧气分布的影响，模拟结果如图8和图9所示。由图8和图9可知，不同的注氮流量同样会影响氧化带的范围，随着注氮流量变大，注氮对采空区氧气浓度分布的影响范围就越大，总体来看，采空区氧化带的范围随着注氮流量的增大而减小。不同的注氮流量条件下，采空区进风巷侧氧气浓度开始快速降低的位置有所不同，注氮流量越大，采空区进风巷侧氧气浓度开始降低位置越靠近工作面，这说明随着注氮流量的增大，会导致采空区氧化带前移，即采空区氧化带起始会离工作面越来越近，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h条件下，氧化带起始位置与工作面的距离分别为21、18、14、12 m，氧化带的前移会威胁工作面的安全生产。

图8 不同注氮流量下z=1 m截面氧气分布云图Fig.8 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection flow rates

图9 不同注氮流量下Line1与Line2氧气浓度变化曲线Fig.9 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection flow rates

不同注氮流量下氧化带宽度与面积变化如图10所示。由图10可知，随着注氮流量的增加，进风巷侧氧化带宽度基本保持不变，回风巷侧氧化带宽度逐渐减小，当注氮流量为200 m3/h时，达到最小值为33 m；本采空区氧化带面积随注氮流量的增加逐渐减小，与未注氮相比，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h条件下，本采空区氧化带面积分别减少了50.6%、62.1%、66.9%、69.8%，但相邻采空区氧化带面积却随着注氮流量的增加呈现波动变化。当注氮流量超过100 m3/h时，氧化带面积减小趋势变缓，且注氮流量越大，氧化带越靠近工作面，严重威胁工作面安全生产，同时考虑到经济效益，注氮流量设置为100 m3/h最为适宜。

图10 不同注氮流量下氧化带宽度与面积Fig.10 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection flow rates

4 结论

(1)4244工作面采空区氧化带范围：现场实测进风侧51～120 m，回风侧20～71 m，模拟结果进风侧52～129 m，回风侧23～73 m，验证了通过该模型对采空区氧气分布及煤自燃危险区域进行模拟研究的可靠性。

(2)通过对工作面不同注氮条件下数值模拟研究，可以得出注氮能够明显改变采空区气体分布状况，降低氧浓度；当注氮位置为X=50 m时，采空区进、回风巷侧氧化带宽度最小分别为7 m和40 m，且此采空区氧化带面积减少了6 694 m2；注氮流量的增大，在降低本采空区氧化带面积的同时，会导致采空区氧化带前移，严重威胁工作面安全生产。综合考虑，注氮流量设置为100 m3/h最为适宜。

(3)此工作面进风侧注氮对相邻采空区氧化带影响范围较小，要求在回采过程中需要对煤柱进行加固，降低孔隙率，控制漏风，减少氧气进入相邻采空区。