高低位抽采巷对采空区自燃影响规律研究

王晓东

(华阳新材料科技集团有限公司 技术中心,山西 阳泉 045000)

据统计,国内229个重点矿井中,32.3%的矿井有瓦斯和遗煤自燃耦合灾害隐患[1]。矿井瓦斯与煤炭自燃灾害己逐渐成为我国矿井重特大事故发生的普遍模式[2]。阳煤五矿8406高瓦斯综放面在回采过程中布置高低位抽采巷进行采空区瓦斯抽采,导致采空区内流场复杂,且扩大了采空区内氧化升温带范围,易进一步引发采空区内遗煤发生自然发火。

目前已有学者对采空区瓦斯抽采与遗煤自燃的耦合关系进行研究,汪文革等[3]模拟了采空区瓦斯体积分数场、漏风场、氧气浓度场的变化情况;杨胜强等[4]对高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理进行了研究;杜海刚等[5]采用Fluent软件模拟了多变风量下风量对自燃“三带”的扰动关系;高建良等[6]利用Fluent软件对有、无高抽巷抽采瓦斯两种情况下的采空区漏风量和采空区内风速分布进行了数值模拟研究;刘振岭等[7]采用数值模拟和现场实测方法确定了工作面配风量、高抽巷位置以及推进度等主要关键参数。肖峻峰等[8]分析了高抽巷布置参数和抽采参数、工作面风量对高抽巷瓦斯抽采效果和采空区自燃带分布相互影响的规律;陈高峰等[9]综合分析了卸压瓦斯抽采和防止采空区遗煤自燃对高抽巷布置层位的要求;李争春等[10]研究了自燃煤层在瓦斯抽采过程中受到的影响,探讨了瓦斯抽采的最佳参数;赵奇等[11]通过研究得出了采用高抽巷抽采方式封堵回风巷、运输巷使工作面向采空区的漏风减少的结论;杜瀚林等[12]通过研究确定了最佳高抽负压范围;郭长恒等[13]以顶板长钻孔替代高抽巷,进行防火与控瓦斯耦合治理的研究;周西华等[14]研究了高瓦斯易自燃煤层不同供风量、高抽巷抽采流量、低抽巷抽采流量等3个因素对采空区自燃“三带”分布影响规律;梁成等[15]通过研究得知在增加高抽巷抽采混合量和层位高度后,其瓦斯的抽采纯量和体积分数均呈先增后减的趋势。

上述的研究对于高低位抽巷同时抽采联合采空区注CO2防灭火相结合的技术研究较少,通过确定高低位抽巷抽采条件下CO2防灭火技术参数,才能达到瓦斯治理与防灭火的最佳效果。无烟煤一般极不易自燃,然而阳煤五矿在开采过程中由于煤层顶板存在硫结核或局部煤层高含硫,需要进一步研究。本文通过对8406工作面所采煤样进行煤的自燃程序升温实验,为三维采空区自然发火模型提供基础参数,进而采用计算流体力学软件模拟三维采空区流场,观察采空区瓦斯治理对遗煤自然发火的影响,为确定合理防灭火技术参数提供可靠依据。

1 自燃指标试验研究

实验煤样选取自阳煤五矿8406工作面,煤样进行工业分析,结果见表1.

表1 煤样基础参数

阳煤五矿8406工作面煤质为无烟煤,采空区遗煤存在自燃危险性,自然发火期为53 d.减压阀低压出口设置为0.1 MPa,利用转子流量计调整供气流量为60 mL/min,打开干空气瓶阀门开始供气;打开双管电炉并设置升温速率为1 ℃/min;打开双回路温度显示器;打开双管电炉后关闭图1中的止水夹1和3,煤温达到20 ℃后开始采集气体,连接气体取样球胆,关闭止水夹2和4,打开止水卡1或3进行气体采样,气体采集完关闭止水夹1和3,打开止水夹2和4,每升高10 ℃重复采集1次气体,在煤温升温变快后可增加取样温度间隔;煤温达到300 ℃时结束实验,关闭干空气瓶和电源开关。煤程序升温实验装置见图1.试验结果见图2、图3.

图1 实验原理图

图2 O2、CO、CO2体积分数与煤温关系

图3 烷烃体积分数与煤温关系

从图2中可知,在20～140 ℃范围内,O2的体积分数变化较小,煤温达到140 ℃之后,管式炉出口处的O2体积分数开始明显下降,并且随着温度升高,管式炉内O2体积分数下降速度明显加快,此阶段主要耗氧为煤的化学反应,煤的燃烧过程进入自热阶段,特别在煤温达到180 ℃之后,反应炉内O2体积分数下降速率升高,在煤温达到302 ℃时,管式炉内O2体积下降程度显著,降至10.45%,在此阶段煤达到燃点,具体可结合其他检测气体数据进行判断。

CO气体首次检测到的煤温为70 ℃,其体积分数为3.32×10-6,可以认为五矿15号煤层煤样的CO出现的临界温度为70 ℃左右,煤温升高到140 ℃之后,CO体积分数有了大幅提升,容易检测,对15号煤的自燃判断较为灵敏。煤在氧化反应初期就能检测到CO2,CO2体积分数已经达到408.42×10-6,在操作过程煤可能接触到并吸附空气中存在的少量CO2,以及煤本身吸附的CO2在高温真空阶段未完全解析,煤氧化反应放热会促进CO2的解吸。煤温在140 ℃之前,CO2生成量都很小且升高缓慢,在140 ℃后CO2体积分数开始大幅度上升,体积分数较大。

在煤样的整个氧化过程中,烷烃的生成表现规律性较好,随着温度的升高,气体体积分数持续增加,气体的初现温度相同但气体体积分数的增长速度有所不同。CH4、C2H6、C3H8三种烷烃气体随着温度的升高,其气体体积分数持续增高,但气体分子结构越复杂,体积分数增长速度越慢。CH4、C2H6和C3H8的临界温度都为70 ℃,首次检出的体积分数分别为1.57×10-6、1.37×10-6、1.15×10-6,造成此现象的原因是无烟煤中含有CH4、C2H6、C3H8等气体,但是真空烘干设定的温度为60 ℃的恒温状态下,因此在真空烘干过程中CH4、C2H6、C3H8并没有完全解吸,当程序升温实验达到70 ℃时煤中CH4、C2H6、C3H8气体继续解吸。虽然在20～60 ℃的升温过程中,未检测到CH4、C2H6、C3H8这三种气体,但是初现温度低,考虑可能原因是在真空烘干后煤中仍存在少量CH4、C2H6、C3H8等气体,并不完全是煤升温过程中氧化反应的产物,可能部分属于煤本身所吸附的气体。

2 模型构建及参数设置

2.1 8406工作面概况及模型设置

阳煤五矿8406工作面属于15号煤层,平均煤厚6.6 m,煤层瓦斯含量为2.0～6.0 m3/t.回采期间,落煤瓦斯涌出量约为8.50 m3/min,邻近层瓦斯涌出量为112 m3/min.进风巷风量为1 784 m3/min;回风风量为1 069 m3/min.工作面巷道布置如图4所示。

图4 8406工作面巷道布置

以阳煤五矿8406工作面采空区为原型,水平方向上高抽巷距回风巷57 m,垂直方向上距煤层底板60 m;低抽巷距回风巷水平距离30 m,垂直方向上距煤层底板6.6 m,采空区模型深度为200 m,根据上覆岩层垮落情况分析冒落带及裂隙带高度确定采空区模型高度为75 m.以工作面推进方向为X轴、工作面布置方向为Y轴、高度为Z轴构建的采空区几何模型如图5所示,采用结构化网格共划分263 287个网格单元。根据实测采空区内绝对瓦斯涌出量为120.5 m3/min,设置采空区瓦斯源相为4.8×10-7kg/(m3·s)。进风入口设置为速度入口,根据供风量换算风速,供风量为1 784 m3/min,则进风风速为1.86 m/s,设置为回风巷为自由出口。根据现场抽采流量换算流速,高低位抽巷设置为速度入口,高抽流量465 m3/min,低抽流量370 m3/min.

图5 几何模型及网格划分

2.2 不同低抽巷抽采流量对遗煤自然发火的影响

为了掌握不同低抽流量对瓦斯治理和浮煤自燃的耦合作用,设置低位抽巷抽采流量为370 m3/min、450 m3/min、550 m3/min、650 m3/min,高位抽巷抽采流量及供风量等条件保持不变,模拟结果见图6.

图6 不同低抽流量条件下氧浓度场分布(z=0.5 m)

为了研究不同低位抽巷抽采流量对采空区的影响,绘制不同低抽流量对应采空区进回风侧及中部氧化带宽度和最高温点温度的变化曲线,如图7所示。

图7 不同低抽流量下对应采空区内氧化带宽度和最高温度关系曲线

低位抽巷抽采流量从370 m3/min增加至650 m3/min,整体上对进风侧氧化带和中部氧化带分布几乎无影响;对回风侧氧化带范围有较小影响,主要表现为对氧化带上限位置的影响,氧气体积分数上限位置向采空区深处移动6 m,氧气体积分数下限位置向采空区深处仅移动3 m,氧化带宽度缩小3 m;采空区最高温度略有下降,从312.25 K降至312.06 K,仅下降0.19 K.由此可知,在高位抽巷抽采流量和工作面供风量不变的情况下,增加低位抽巷抽采流量对采空区整体影响较小,仅回风侧氧化带上限向采空区深处小幅度移动,缩小了回风侧氧化带宽度。因此可以增加低位抽巷瓦斯抽采流量增加采空区瓦斯抽采能力。

2.3 不同高位抽巷抽采流量下数值模拟研究

2.3.1 高位抽巷抽采流量改变对遗煤自燃的影响

为了掌握不同高抽流量对瓦斯治理和浮煤自燃的耦合作用,设置高抽流量为100～465 m3/min,低抽流量及供风量等条件保持不变,模拟结果见图8.为了直观反映不同高位抽巷抽采流量对采空区的影响,绘制不同高抽流量对应采空区进回风侧及中部氧化带宽度和最高温点温度的变化曲线见图9.

图8 不同高抽流量条件下氧浓度场分布(z=0.5 m)

图9 不同高抽流量下对应采空区内氧化带宽度和最高温度关系曲线

高位抽巷抽采流量从100 m3/min增加至465 m3/min,采空区进风侧氧化带宽度小幅度增长,氧化带上限向采空区深处移动4 m,氧化带下限位置向采空区深处移动8 m,氧化带宽度增加4 m;采空区中部氧化带上限向采空区深处移动12 m,氧化带下限向采空区深处移动12 m,氧化带宽度无改变;采空区回风侧氧化带宽度明显增加,氧化带上限向采空区深处移动26 m,氧化带下限向采空区深处移动40 m,氧化带宽度增加14 m;采空区最高温度小幅度增加,从311.09 K增长至312.25 K,增加了1.16 K.由此可知,高位抽巷抽采流量越小,采空区整体的氧化带范围和高温区域就越小,因此,现场可根据现场情况适当降低高位抽巷抽采流量,减小工作面漏风量,降低采空区遗煤自然发火的危险性。

2.3.2 高抽流量改变对低位抽巷瓦斯体积分数的影响

高位抽巷不同抽采流量对应采空区CH4浓度场如图10所示。随着高位抽巷抽采流量的不断降低,采空区内瓦斯不断向工作面方向和低位抽巷运移,且采空区上方瓦斯大量聚集,高位抽巷内瓦斯体积分数不断升高,同时降低高位抽巷抽采流量可能导致瓦斯向下运移,导致低位抽巷内瓦斯体积分数增加,低位抽巷内瓦斯体积分数可能会超限。为了进一步研究高抽流量的下限值,绘制图11.高位抽巷抽采流量从100 m3/min增加至465 m3/min,高抽巷瓦斯体积分数从90.60%下降至24.22%,下降了76.38%,采空区总瓦斯抽采纯量从102.96 m3/min增加至113.30 m3/min,增加了10.34 m3/min,仅增加了10%,而抽采流量增加了365%,因此,盲目增大高抽流量并不能较大程度提高采空区整体瓦斯抽采效果;且高抽流量高于200 m3/min后,采空区整体抽采纯量增长幅度小,因此,建议高抽流量不高于200 m3/min.

图10 高抽巷不同抽放流量下采空区CH4浓度场

图11 高抽巷不同抽放流量下对应高抽巷瓦斯体积分数和瓦斯纯量的关系曲线

由图12所示,随着高位抽巷抽采流量的增加,低位抽巷内瓦斯体积分数呈负指数函数下降。低位抽巷瓦斯体积分数CCH4与高位抽巷抽采流量Qgc的关系可拟合为:

图12 不同高抽流量对低位抽巷瓦斯体积分数的影响

CCH4=12.055 76×0.987 1Qgc

(1)

《煤矿安全规程》规定瓦斯尾巷作为瓦斯抽巷时,巷道内瓦斯体积分数不能超过2.5%,因此,在供风量和低抽巷抽采流量不变的情况下,高抽巷抽采流量不应该低于120 m3/min.

综上所述,提高高抽流量并不能较大程度上提升采空区整体抽采效果,而且会增加采空区氧化带范围,但是抽采流量过低,又会造成低抽巷瓦斯体积分数超限,因此,在工作面供风量和低位抽巷抽采流量保持不变的情况下,建议高抽流量调整范围为120～200 m3·min-1.

3 现场防灭火

为了解决8406工作面回采过程中高抽巷CO体积分数持续升高、异常的问题,在8406工作面调整高低位抽采流量,高位抽巷抽采流量调整至180 m3/min左右,低位抽巷抽采流量增加至500 m3/min左右,并在8406工作面进行CO2防灭火工作。设置注入流量为900 m3/min,注入位置为采空区进风侧距工作面20～40 m,在注入CO2期间,8406工作面工作面、回风巷未出现CO2体积分数超限情况,高位抽巷内CO体积分数大幅度下降,从注入CO2前的767×10-6下降至12×10-6.由于注入CO2后遗煤能够尽早进入窒息带,即使在推进过程中遇到煤层顶板存在硫结核的情况,也能够使硫结核尽早进入窒息带,避免进一步诱发遗煤自燃的情况发生,高位抽巷内CO体积分数见图13.

图13 注入CO2前后高位抽巷内CO体积分数的变化曲线

4 结 语

1) 供风量、低抽巷抽采流量对氧化带宽度影响较小;随着高位抽巷抽采流量的不断增加,采空区氧化带范围不断向采空区深处移动,当高抽流量超过200 m3/min后,采空区瓦斯抽采纯量增长趋势减缓,当高抽流量低于120 m3/min后,低位抽巷瓦斯体积分数超限,因此在工作面供风量和低位抽巷抽采流量保持不变的情况下高位抽巷抽采流量调整范围为120～200 m3/min.

2) 在高位抽巷抽采流量和供风量保持不变时,随着低位抽巷抽采流量的不断增加,采空区进风侧和中部氧化带范围几乎无变化;回风侧氧化带上限位置向采空区深处移动,氧气体积分数下限位置几乎无变化,回风侧氧化带宽度有缩小趋势。

3) 抽采巷配合CO2防灭火技术在8406工作面采空区现场应用效果显著。在CO2注入期间,高抽巷内CO体积分数持续降低,从767×10-6降低至12×10-6,防灭火效果显著。