阳煤五矿采空区注 CO2防灭火技术研究

李耀谦

(华阳新材料科技集团有限公司 技术中心,山西 阳泉 045000)

我国是以煤炭为主体能源的国家,据2021年统计,国内200多个重点矿井中56%的矿井存在遗煤自然发火危险性[1]。因此,煤炭自燃灾害仍是我国矿井重特大事故发生的主要原因之一[2]。采空区遗煤自燃不仅会破坏煤炭资源,产生有毒气体,甚至导致瓦斯爆炸等二次灾害发生,严重威胁井下安全生产工作,约束煤矿正常回采和经济发展[3-5]。CO2作为能源开发利用过程中的伴生气体,过量排放是地球变暖的主要因素,然而采空区注CO2技术作为现阶段煤矿采空区火灾防治的主要方法,如何变废为宝,合理运用CO2技术是当前的重中之重。

目前已有大量学者对采空区遗煤自燃以及防灭火技术进行研究,Liming Yuan[6]设计实验模型验证了采空区遗煤低温氧化数值模拟的可行性;Boleslav Tarba[7]采用CFD数值模拟软件进行了不同风量和不同推进速度下采空区自然发火模型的研究;Liming Yuan,等[8]利用Fluent软件对常用通风系统条件下采空区遗煤自燃进行了数值模拟。王德明等[9-10]为了研究煤中各种活性结构单元之间的内在联系,提出了煤氧化动力学理论,并将该理论成功地应用于鉴定煤自燃的倾向性和化学阻化技术的研究中。

据文献[11-14]可知,无烟煤着火温度一般为500 ℃以上,极不易自燃,然而阳煤五矿8406高瓦斯综放面由于煤层顶板存在硫结核或局部煤层高含硫,在回采过程中布置高低位抽巷进行采空区瓦斯抽采,导致采空区内流场复杂,扩大了采空区内氧化升温带范围,使得采空区内遗煤发生自然发火风险概率陡增。因此,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,并对采空区注CO2的位置、流量、温度进行研究,从而得到最佳注入方案,为现场实际工况的防灭火工作提供参考依据。

1 无烟煤自燃特性参数测定

煤氧复合理论认为煤表面的活性因子与氧气先后发生理化反应是煤自燃的实质。耗氧速率和放热强度随煤温的对应关系决定着煤自燃进程,煤的变质程度越高,耗氧速率和放热强度随煤温的变化速度较慢,遗煤自燃过程长。耗氧速率计算可根据公式(1)计算:

(1)

式中:C1为煤样入口处O2体积分数,C1=C2;C2为煤样出口处O2体积分数,%;L为装煤高度,cm.

将实验结果带入式(2)可得出15号煤耗氧速率,计算结果如表1所示。耗氧速率对应煤温变化趋势如图1所示。耗氧速率在氧化反应初期上升趋势缓慢,之后耗氧速率急剧增长。在30～140 ℃范围内,耗氧速率随着温度的升高小幅度增长,处于缓慢氧化阶段;在140～180 ℃范围内,煤的耗氧速率较前阶段增长速率变快;在180 ℃以后,耗氧速率随着温度升高几乎直线增长。煤的耗氧速率对采空区氧气体积分数有直接影响。

表1 耗氧速率计算

为了进一步探究15号无烟煤的耗氧规律,用函数对其随煤温变化的整个过程进行描述,拟合发现,耗氧速率随煤温的变化符合指数型函数,拟合曲线相关性系数R2=0.998 4,其表达式为:

(2)

采空区煤反应氧气体积分数与实验氧气体积分数不同,实验氧气体积分数始终保持21%,而采空区内氧气体积分数分布是不均匀的,应当考虑反应氧气体积分数对煤氧化反应的影响;且实验过程中煤粒径与采空区内有较大区别,同时遗煤厚度也有较大影响,对耗氧方程进行修正,如公式(3)所示:

(3)

式中:kb、kh为实验室测定得出,kb为粒径影响因数,取0.25;kh为煤厚影响因数,取0.31;C1为反应氧气体积分数,%;C0为标准氧气体积分数,取21%.

采空区遗煤在氧化过程中放热,热量的积蓄能加快耗氧,但其放热强度不是一成不变的,为了进一步探究15号煤氧化放热规律,用函数对放热强度随煤温变化的整个过程进行描述,拟合发现放热强度随煤温的变化符合指数型函数曲线如图2所示。拟合相关性系数R2=0.994 3,放热强度方程为:

q(T)=28.503 7·e0.017 84×T

(4)

式中:q(T)为煤在温度T℃时氧化反应放热强度,J·m-3·s-1.

考虑反应氧气体积分数的影响以及实验与采空区的差异,对放热强度方程进行修正,公式如下:

(5)

式中:kb为粒径影响因数,取0.25;kh为煤厚影响因数,取0.31;C1为反应氧气体积分数,%;C0为标准氧气体积分数,取21%.

图2 15号煤放热强度变化规律

2 8406工作面采空区注CO2防灭火数值模拟

2.1 工作面概况及模型构建

阳煤五矿8406工作面属于15号煤层,平均煤厚为6.6 m,煤层瓦斯含量为2.0～6.0 m3/t.水平方向上高抽巷距回风巷为57 m,垂直方向上距煤层底板为60 m;低抽巷距回风巷水平距离为30 m,垂直方向上距煤层底板为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。风侧布置CO2注入口简化为1 m×1 m的矩形入口,注入位置设置在采空区进风侧壁面上,分别距工作面10 m、20 m、30 m、40 m和50 m.8406工作面采空区几何模型参数见表2.构建的采空区几何模型如图3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-1).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,高抽流量为465 m3/min,低抽流量为370 m3/min.注入CO2可以大幅度地降低氧化带范围,特别是进风侧的氧化带范围,基本保持在2 m左右,因此只考虑中部和回风侧氧化带宽度和采空区最高温分析其防灭火效果。

图3 数值模拟几何模型

表2 模型几何参数

2.2 不同位置下注CO2方案数值模拟研究

在采空区进风侧距工作面不同位置注入CO2,CO2注入流量设置为720 m3/h,CO2温度为298 K,进行数值模拟,模拟结果如图4所示。为了直观反映不同注CO2位置对采空区的影响,绘制不同注CO2位置对应采空区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5所示。

图4 不同位置下注CO2时O2体积分数场和温度场(z=0.5 m)

图5 不同位置对应氧化带最大宽度和最高温度的变化曲线

由图5可知,CO2注入位置在进风侧距工作面10～30 m时,中部氧化带宽度稳定在20 m,在30～50 m,氧化带宽度有递增趋势,增加至23 m;CO2注入位置在10～50 m,回风侧氧化带宽度先递减在递增,在30 m时取得最小值25 m;CO2注入位置从10～50 m,采空区最高温先递减在递增,在30 m时采空区最高温度最低,为310.73 K,在50 m时最大,为312.03 K.综上所述,CO2最佳注入位置位采空区进风侧30 m,注入CO2范围可设置为20～40 m.

2.3 不同注CO2流量数值模拟研究

供风量和高低位抽采流量保持不变,在采空区进风侧距工作面30 m布置CO2注入口,CO2注入流量设置为360 m3/h、540 m3/h、720 m3/h、900 m3/h、1 080 m3/h和1 360 m3/h,进行数值模拟结果如图6所示。

图6 不同注入CO2流量时O2体积分数场和温度场(z=0.5 m)

为了直观反映不同注CO2流量对采空区的影响,绘制不同注CO2流量对应采空区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 不同注入流量对应氧化带最大宽度和最高温度的变化曲线

CO2流量从360 m3/h增加至1 360 m3/h,采空区中部氧化带宽度与CO2流量呈负相关关系;CO2流量从360 m3/h增加至900 m3/h,回风侧氧化带宽度缩小速度缓慢,继续增大流量,注入CO2流量大于900 m3/h,回风侧氧化带宽度缩小速度加快;注入CO2流量从360 m3/h增加至1 360 m3/h,采空区高温点温度不断下降,从311.99 K下降至307.86 K,下降了4.13 K.结合图6可知,当注入CO2流量达到900 m3/h,对采空区氧化带范围整体控制效果较好。综上所述,CO2注入流量越大,对采空区防灭火工作越有利,但在考虑现场经济效益的前提下,现场注入CO2流量设置为900 m3/h,在高位抽巷内监测到标志性气体时,可以加大注入CO2流量,缩小采空区氧化带范围,起到防灭火作用。

2.4 不同温度CO2数值模拟研究

供风量保持不变,在进风侧距工作面30 m布置CO2注入口,CO2注入流量设置为720 m3/h,将CO2注入温度设为278 K、283 K、288 K、293 K和298 K,进行注入不同温度CO2数值模拟,模拟结果如图8所示。

图8 不同注入温度时O2体积分数场和温度场(z=0.5 m)

为直观反映注不同温度CO2对采空区的影响,绘制不同温度CO2对应采空区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9所示。

图9 不同注入温度对应氧化带宽度和温度的变化曲线

注CO2温度从278 K升高至298 K,采空区中部氧化带宽度从13 m增加到20 m,增加了7 m;采空区回风侧氧化带从21 m增加至25 m,增加4 m;采空区最高温从307.75 K升高至310.73 K,升高2.98 K.注入CO2气体温度越低,密度越大,不易被漏风风流吹至采空区深处,能够更多地覆盖在氧化带范围内,且能够对采空区有一定的降温效果,整体上注入CO2气体温度越低,采空区防灭火效果越好。

综上所述,降低注入CO2气体温度,能够缩小采空区氧化带范围和高温区域,并使采空区整体温度有所下降。注入CO2温度越低,预防采空区遗煤自燃效果越好,8406工作面CO2防灭火系统未使用保温管路,不能实现注入CO2气体为低温气体,可在阳煤五矿类似工作面布置CO2防灭火系统时使用保温管路,实现注入采空区的CO2为低温气体。

3 现场CO2防灭火效果分析

为了解决8406工作面回采过程中CO体积分数持续升高的问题,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、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,注CO2后的CO体积分数对比效果如图10所示。

4 结 语

1) 阳煤五矿15号无烟煤的耗氧速率和放热强度随煤温的变化均符合高斯型函数,且随煤温的升高呈指数型增长趋势。

2) 阳煤五矿8406工作面最佳注入位置为采空区进风侧距工作面30 m,注入范围设置为采空区进风侧距工作面20～40 m;随着注入CO2流量不断增加,采空区“S”型氧化带范围不断减小,最佳注入流量设置为900 m3/min;随着注入CO2气体温度不断升高,采空区“S”型氧化升温带范围不断增加。

3) 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。

图10 注入CO2前后高位抽巷内CO体积分数的变化曲线