高低位抽采巷对采空区自燃影响规律研究.pdf

收稿日期:2023 03 18基金项目:辽宁省“兴辽英才计划”资助项目(XLYC2008021)作者简介:王晓东(1984-),男,山西阳泉人,高级工程师,从事矿井通风与安全及科技创新管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.003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)摘 要:为得到高低位抽采巷对采空区氧化带范围的影响,以阳煤五矿 8406 工作面为研究对象,在 8406 工作面结合瓦斯治理的同时对防灭火工作进行研究。将利用程序升温实验得到的耗氧速率与放热强度等参数应用到数值模拟当中,通过 Fluent 对不同供风量、低抽流量、高抽流量的改变进行研究。结果表明:供风量、低抽流量对氧化带最大宽度影响较小;氧化带宽度与高抽流量呈正相关关系,高抽流量过低易导致瓦斯超限,确定高抽流量最佳范围为 120200 m3/min.关键词:煤自燃;瓦斯抽采;CO2防灭火;数值模拟中图分类号:TD752.2 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)10 0008 06Study on the Influence of High and Low Level ExtractionRoadway on Spontaneous Combustion of GobWANG Xiaodong(Technology Center,Huayang New Material Technology Group Co.,LTD.,Yangquan 045000,China)Abstract:In order to get the influence of high and low level extraction lane on the oxidation zone of goaf,the 8406 working face of Yangmei No.5 Mine is taken as the research object,and the fire prevention work is studied in combination with gas control.The param-eters such as oxygen consumption rate and heat release intensity obtained by temperature programmed experiment should be transported to numerical simulation,and the changes of different air supply volume,low pumping flow rate and high pumping flow rate were studied by Fluent.The results show that the maximum width of oxidation zone is less affected by air supply and low pumping rate.The width of oxidation zone is positively correlated with the high pumping rate,and too low high pumping rate is easy to cause gas overflow.The best range of high pumping rate is 120200 m3min-1.Key words:coal spontaneous combustion;gas extraction;CO2 fire prevention;numerical simulation 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通过研究确定了试试验验研研究究 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月最佳高抽负压范围;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 煤样基础参数煤层煤种工业分析灰分/%水分/%挥发分/%其他参数真密度/(tm-3)硫分/%15 号无烟煤 12.080.748.610.513.321.51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.从图 2 中可知,在 20140 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。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CO 气体首次检测到的煤温为 70,其体积分数为 3.3210-6,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 408.4210-6,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9第 10 期 王晓东:高低位抽采巷对采空区自燃影响规律研究 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 1.5710-6、1.3710-6、1.1510-6,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 2060 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 2.06.0 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4.810-7 kg/(m3s)。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 6.01 第 32 卷图 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 100465 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)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11第 10 期 王晓东:高低位抽采巷对采空区自燃影响规律研究 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。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:CCH4=12.055 760.987 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21 第 32 卷分数超限,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120200 m3min-1.图 12 不同高抽流量对低位抽巷瓦斯体积分数的影响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 2040 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 76710-6下降至 1210-6.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 120200 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 76710-6降低至1210-6,防灭火效果显著。参考文献:1 樊世星.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与遗煤自燃共生灾害研究D.合肥:安徽建筑大学,2016.2 李舒伶,王树刚,刘剑.采场均压防灭火模型试验研究J.煤炭学报,1999(2):41-44.3汪文革,袁奎.注氮条件下瓦斯抽采对采空区自燃“三带”的影响J.煤炭科学技术,2014,42(12):75-78,83.4 杨胜强,秦 毅,孙家伟,等.高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理研究J.煤炭学报,2014,39(6):1 094-1 101.5 杜海刚,褚廷湘,冯姗.瓦斯抽采与煤自燃防治条件下工作面合理风量研究J.煤炭工程,2015,47(11):70-73.6 高建良,刘明信,徐文.高抽巷抽采对采空区漏风规律的影响研究J.河南理工大学学报:自然科学版,2015,34(2):141-145.7 刘振岭,文 虎,刘 洁,等.采空区瓦斯与煤自燃协同防控关键参数研究J.西安科技大学学报,2016,36(4):457-462.8 肖峻峰,樊世星,卢 平,等.高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究J.中国安全生产科学技术,2016,12(2):20-26.9 陈高峰,李树刚,丁 洋,等.特厚易自燃煤层高抽巷合理布置层位参数分析J.煤炭技术,2017,36(2):56-59.10 李争春,赵磐.马兰煤矿高瓦斯自燃煤层瓦斯抽采关键参数与防火措施研究J.中国煤炭,2017,43(7):134-138.11 赵 奇,王雪峰,黄戈,等.采空区瓦斯抽采技术与浮煤自燃耦合治理研究J.煤炭科学技术,2017,45(10):111-116.12 杜瀚林,于贵生.高瓦斯易自燃煤层高抽巷瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究J.煤矿安全,2019,50(12):163-169.(下转第 38 页)31第 10 期 王晓东:高低位抽采巷对采空区自燃影响规律研究 经优化后,目前各回风井配置的通风动力配置如表4 所示。表 2 常村煤矿各风井工况点数据回风立井风量 Q/(m3s-1)工作风压 HS/Pa最大风压 HS max/Pa效率/%最大效率 max/%匹配度中央风井429.892 6433 51259.027079西坡风井319.812 9283 49653.096464王村风井450.122 4903 93552.847570花垴风井255.141 2501 95427.217835表 3 2021 年各回风井主通风机参数通风机风量/(m3s-1)负压/Pa输出功率/kW输入功率/kW效率/%电流/A中央主通风机435.172 5901 127.09 1 954.01 57.68229西坡主通风机358.543 2091 150.55 2 173.65 52.93249王村主通风机465.572 5501 187.20 2 276.88 52.14260花垴主通风机235.011 560366.62 1 347.95 27.20160表 4 2022 年各回风井主通风机参数通风机风量/(m3s-1)负压/Pa输出功率/kW输入功率/kW效率/%电流/A中央主通风机429.892 6431 136.201 924.9959.02227西坡主通风机319.812 928936.401 763.6653.09203王村主通风机450.122 4901120.802 121.2852.84243花垴主通风机255.141 250318.931 172.2527.21141 花垴风井在改造前后风机效率均较低。2021年风 机 效 率 为 27.20%,2022 年 风 机 效 率 为27.21%.这是因为花垴风井刚投运不久,25 采区、27 采区采面还没有形成,大多巷道均处于掘进过程当中,风机克服阻力较小。之后 25 采区、27 采区系统逐渐复杂后,效率才会提高。现阶段,为了避免“大马拉小车”现象,可以考虑在风道、弯头增加导叶,减小气流损失,达到节能的目的。通过分析,2021 年中央主通风机和王村主通风机的输入功率分别为1 954.01 kW 和2 276.88 kW,而 2022 年中央主通风机和王村主通风机的输入功率分别为 1 924.99 kW 和 2 121.28 kW.可以看出,功率变化较小,中央主通风机和王村主通风机运行稳定。西坡主通风机的负压由 2021 年的 3 209 Pa下降到 2022 年的 2 928 Pa,效率提高 0.31%,实现了降阻增效,电流由 249 A 下调到 203 A,功率降低409.99 kW,经济效益明显。花垴主通风机 2021 年的风量、负压分别为 14 101 m3/min 和 1 560 Pa,2022 年通 过 调 节 通 风 设 施,风 量 负 压 分 别 为15 308 m3/min 和 1 250 Pa,功率由 1 347.95 kW 下降到 1 172.25 kW,实现了降阻增效,功率明显下降,经济效益明显。2021 年常村煤矿 4 个主通风机的总功率为7 752.50 kW,2022 年总功率为 6 982.17 kW,减少了770.32 kW.主通风机用电按照 0.637 6 元/kWh计算,每年通风可节约电费 430.25 万元。参考文献:1 刘 军.王庄煤矿+540 m 水平北栗回风井投运方案分析J.现代矿业,2019,35(5):116-119.2 曹学军.新投运主扇与矿井原役主扇间的适应性研究J.山西煤炭,2013,33(6):37-40.3 熊喆.在煤矿矿井通风机中变频调速的运用探讨J.现代工业经济和信息化,2021(8):170-171.4 马 恒,倪景峰,刘 剑.矿井通风管理信息系统开发及其应用J.华北科技学院学报,2014,11(8):67-71.5 邵良杉,张兴国,翁旭泽,等.塔山煤矿通风系统阻力测定与分析J.同煤科技,2018,(2):1-6.责任编辑:常丽芳(上接第 13 页)13 郭长恒,邢玉忠.顶板长钻孔替代高抽巷抽采控瓦斯与采空区注氮防火耦合治理研究J.中国矿业,2020,29(4):97-103.14 周西华,曾晓坤,白刚,等.基于响应曲面法的遗煤自燃分析与研究J.中国安全生产科学技术,2020,16(10):34-39.15 梁 成,任 浩,王伟峰.高抽巷布设参数对采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的影响J.煤炭技术,2021,40(10):87-92.责任编辑:常丽芳83 第 32 卷