厚煤层采空区复合惰化压注参数优化数值模拟研究.pdf

厚煤层采空区复合惰化压注参数优化数值模拟研究上官昌培，李恩国，甘超业，董 彬，王旭升（中煤能源新疆天山煤电有限责任公司，新疆 昌吉 831100）摘要：为有效防治采空区内遗煤自燃，以新疆 106 煤矿 1703 厚煤层工作面采空区为例，采用FLUENT 数值模拟分析不同复合注惰流量及注惰口位置下采空区内氧浓度分布规律，得到复合惰气最佳压注参数。研究结果表明：工作面采空区进风侧和回风侧氧化带分别为 4486 m 和 1458 m，注入复合注惰气体后，采空区煤自燃散热带和氧化带均前移。当复合注惰流量为 1 200 m3/h 时，进风侧和回风侧氧化带宽度分别减少了 29 m 和 26 m；注惰口位置为距离工作面 60m 时，进风侧和回风侧氧化带宽度分别减少了 32 m 和 28 m，复合惰性气体注入流量为 1 200 m3/h 和注惰口位置为 60 m 对采空区的惰化效果最佳。研究成果对复合惰气抑制采空区内煤自燃具有一定的参考意义。关键词：煤自燃；数值模拟；复合注惰流量；注惰口位置中图分类号：TD752文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）06-0087-05Study on numerical simulation on optimization of composite inerting injectionparameters in thick-seam goafSHANGGUAN Changpei,LI Enguo,GAN Chaoye,DONG Bin,WANG Xusheng（831200,）Abstract:To effectively prevent and control the spontaneous combustion of residual coal in goaf,Taking the goaf of 1703 working face withthick coal seam of Xinjiang 106 Coal Mine as an example,the FLUENT numerical simulation was used to analyze the distribution of oxygenconcentration in goaf under different compound inert injection flow and inert injection position,the best injection parameters of composite inertgas were obtained.Results indicated that the oxidation zone at the air inlet side and air return side of the goaf in 1703 working face was44-86m and 14-58m,respectively.After injecting compound inert gas,the heat dissipation zone and oxidation zone of coal spontaneouscombustion in goaf moved forward.When the compound inert injection flow was 1200m3/h,the widths of oxidation zone on the air inlet sideand air return side were reduced by 29m and 26m,respectively.When the position of the inert injection position was 60m from the workingface,the widths of oxidation zone on the air inlet side and air return side were 32m and 28m,respectively.The inert effect of compound inertgas was the best when compound inert gas injection flow rate and inert injection position were 1200m3/h and 60m.The research results havecertain reference significance for compound inert gas to inhibit coal spontaneous combustion in goafKey words:coal spontaneous combustion;numerical simulation;compound inert injection flow;inert injection position0引言煤自燃火灾作为煤矿五大严重灾害之一，易引发大规模的次生灾害（瓦斯和煤尘爆炸）1。我国西部地区较低变质程度的烟煤占比超过 90%，易蓄热升温导致煤自燃，而采空区内遗煤自燃火灾严重威胁井下煤炭安全开采和工人的生命安全 2-3。采空区防灭火技术主要包括：注惰、灌浆和阻化剂等 4，其中注 N2和 CO2防灭火技术是预防采空区自燃的有效方法之一 5-6。目前国内外研究学者针对 N2和 CO2惰化特性在煤矿中的应用开展了相关研究，邢旭东等 7 数值模拟不同注氮流量和位置对不规则采空区氧浓度的影响，发现注入流量为 1 500 m3/h 阻化效果最佳；王国芝等 8 模拟采空区内压注 CO2后的流场分布规律，验证 CO2防灭火技术对采空区遗煤自燃具有灭火速度快的优势；牛振磊 9 模拟 CO2压注位置及压注流量对采空区自燃“三带”的影响，发现压注口位置为距离工作面 60 m、压注流量 750 m3/h 时惰化效果最佳；柳东明 10 模拟 N2和 CO2耦合气体对大兴矿采空区煤自燃的影响，发现 N2CO2=31 时惰化效果最佳；叶庆树11实验分析 CO2气体对煤放热量、特征温度、表观活化能的影响，揭示出 CO2对于抑制煤自燃的高效性。综上所述，现有文献主要探究单一复合惰气对采空区煤自燃的惰化效果，但针对采空区内遗煤氧化自燃的 N2和 CO2复合惰化研究较少。因此，采用数值模拟探究复合惰性气体不同注入流量和不同注入口位置下对采空区煤自燃的惰化效果，为矿井惰气防灭火技术应用提供参考。1矿井概况106 煤矿位于白杨河矿区，主要可采煤层赋存2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷87较为稳定，现主采 7 号煤层，距离地表约 150 m，采煤方法为综采放顶煤。依据鉴定报告结果，矿井相对瓦斯涌出量 0.83 m3/t，属于低瓦斯矿井，7 号煤层最短发火期为 38 d，属于容易自燃煤层，且煤尘爆炸指数为 27.26%27.80%。1703 工作面作为 7 号煤层的首采工作面，距离上部 6 号煤层采空区平均约 18.82 m，有效推进长度为 716 m，其中溜子道（进风巷）725 m，材料道（回风巷）694 m，工作面斜长为 209 m，煤层厚度平均为8.82 m，煤层倾角平均为 15o，采用综采放顶煤采煤工艺，机采高度 3.0 m，放煤高度为 6.0 m，回采率约为 87%。该工作面采用上行通风方式，风量约为1 052 m3/h。2复合惰性气体防灭火压注工艺N2和 CO2对煤自燃具有一定的抑制作用，已成为矿井常备的防灭火手段和措施。当 N2和 CO2气体以一定的比例形成复合惰气注入采空区时，可正压驱氧，降低氧气浓度，同时，煤体易吸附复合惰气中的 CO2气体，可使 CO2气体覆盖于煤体表面，隔绝煤与氧气接触 12-14。此外，复合气体还可吸收采空区内积聚的热量，经风流方向流动将热量带出采空区。复合惰气压注工艺如图 1 所示。制氮机吸入周围空气制备出 N2气体，二氧化碳槽车内储存的液态CO2经由汽化器汽化成 CO2气体，将一定比例的 N2气体和 CO2气体在惰气混合室中混合后，由于 1703工作面倾角较大，即进风巷地势低，复合惰气经井下管路108 mm 输送至进风侧采空区。图 1复合惰气压注工艺因 N2相对空气较轻，主要聚存于采空区上部，CO2相对空气较重，主要聚存于采空区下部。考虑到1703 工作面实际，为了更好的配合工作面材料道的注浆工作，设定复合惰气 N2和 CO2体积比为 51。3耦合惰性气体压注参数优选数值模拟3.1采空区模型构建采用 Design Modeler 软件构建采空区物理模型，主要包括溜子道、材料道、注惰管路及采空区，其中溜子道（长宽高）为 30 m 5.2 m 3.5 m，材料道（长宽高）为 30 m 4.6 m 3.5 m，采空区（长深）为 209 m 150 m。煤层倾角平均为 15，材料道高，溜子道低，注惰气管路埋设于溜子道，管径为 0.114 m。建立三维 CFD 模型并运用 Mesh 进行网格划分，网格数质量大于 0.98，足以满足模拟所需精度，如图 2 所示。运用 Fluent 进行求解，采用压力求解器，稳态求解。溜子道截面设为“inlet”，速度型压力入口，速度为 0.963 m/s，组分为氧气，质量分数为 0.226 7。回风巷截面的出口设为“outlet”，自然流出型出口，其余默认为“wall”。图 2采空区物理模型网格划分图3.2复合惰气模拟参数设定基于 106 煤矿实际监测数据，1703 工作面溜子道风量为 1 052 m3/h，材料道风量为 1 083 m3/min。复 合 注 惰 流 量 分 别 设 定 为 800、1 000、1 200、1 400、1 600 m3/h，另外，在最佳复合注惰流量下注惰口分别设定为 30、40、50、60、70、80、90 m，且开展未注入复合惰气下的采空区“三带”分布，作为对照，见表 1 和表 2。表 1不同复合注惰流量模拟参数2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷序号复合注惰流量/m3 h-1注惰释放口位置10/2800距离工作面约 60 m31 000距离工作面约 60 m41 200距离工作面约 60 m51 400距离工作面约 60 m61 600距离工作面约 60 m88表 2不同注惰口位置模拟参数3.3复合注惰流量惰化效果分析未注惰及不同复合注惰流量下采空区氧浓度场分布如图 3 所示。未注惰及不同复合注惰流量下采空区流速场分布如图 4 所示。为了得到不同复合注惰流量对采空区自燃“三带”的影响，以氧浓度为划分依据 15-16，8%18%为氧化带，进而得到不同复合注惰流量下采空区自燃“三带”分布。（a）未注惰（b）800 m3/h（c）1000 m3/h（d）1200 m3/h（E）1400 m3/h（F）1600 m3/h图 3未注惰及不同复合注惰流量下采空区氧浓度场分布（a）未注惰（b）800 m3/h（c）1000 m3/h（d）1200 m3/h（E）1400 m3/h（F）1600 m3/h图 4未注惰及不同复合注惰流量下采空区流速场分布从图 3 和图 4 可知，注惰释放口附近的氧浓度明显降低。当复合注惰流量从 800 m3/h 增大至 1 400m3/h 时，氧浓度高于 18%的散热带和氧浓度位于8%18%的氧化带均朝工作面前移，氧浓度低于8%的窒息带宽度逐渐增大，惰化效果较好；当复合注惰流量继续增大至 1 600 m3/h 时，与复合注惰流量 1 400 m3/h 相比，散热带和氧化带后移，这可能是由于复合惰气流速较大，采空区内部流场紊乱，导致氧气更多的聚集在采空区中部靠近回风侧的位置。为了更好的获取不同复合注惰流量对采空区氧浓度分布的影响，不同复合注惰流量下采空区氧浓度变化规律如图 5 所示。(a)进风侧(b)回风侧图 5不同复合注惰流量下采空区氧浓度变化规律未注惰性气体时，采空区自燃“三带”中进风侧氧化带为 4486 m，氧化带宽度为 42 m，回风侧氧化带为 1458 m，氧化带宽度为 44 m。复合注惰流量为 800、1 000、1 200、1 400、1 600 m3/h 的进风侧氧化带分别为 2036、1229、1326、623、1632 m，氧化带宽度分别为 16、17、13、17、16 m，氧化带宽度分别减少了 26、25、29、25、26 m，回风2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷序号复合注惰流量/m3 h-1注惰释放口位置1最佳流量距离工作面约 30 m2最佳流量距离工作面约 40 m3最佳流量距离工作面约 50 m4最佳流量距离工作面约 60 m5最佳流量距离工作面约 70 m6最佳流量距离工作面约 80 m7最佳流量距离工作面约 90 m89侧氧化带分别为 1230、124、119、119、119m，氧化带宽度分别为 18、23、18、18、18 m，分别减少了 26、21、26、26、26 m，但当复合注惰流量超过1 000 m3/h 时，氧化带前移明显。随着复合注惰流量增大，散热带和氧化带明显前移，但当复合注惰流量增大至 1 400 m3/h 和 1 600 m3/h 时，与 1 200 m3/h 的氧化带宽度相比，进风侧氧化带宽度增大。综上，1703 工作面的最佳复合注惰流量选为 1 200 m3/h。3.4注惰口位置惰化效果分析在复合注惰流量为 1 200 m3/h 时，不同注惰口位置下采空区氧浓度场分布如图 6 所示。（a）30 m（b）40 m（c）50 m（d）60 m（e）70 m（f）80 m（g）90 m图 6不同注惰口位置下采空区氧浓度场分布由图 6 可知，当注惰口距工作面 3050 m 内时，进风侧的氧气浓度显著降低，但对采空区内部及回风侧的影响较小。当注惰口位置距工作面 60 m 和 70 m时，此时的注惰口位置在氧化带的中后部，其对采空区氧浓度场的影响较大。当注惰口位置距离工作面进一步增加至 80 m 和 90 m，注惰口位于氧化带尾部靠近窒息带的区域，对三带的影响效果较差。不同注惰口位置下采空区氧浓度变化规律如图 7 所示。从图 7 中可发现，在采空区进风侧不同位置注入复合惰性气体，采空区自燃散热带和氧化带均前移。注惰口位置为 30、40、50 m 时，进风侧氧化带位于 919、1123、1126 m，氧化带宽度分别为10、12、15 m，与未注入复合惰气相比，进风侧氧化带宽度分别减少了 32、30、27 m；回风侧氧化带分别位于 1230、1128、224 m，氧化带宽度分别为18、17、22 m，与未注入复合惰气相比，回风侧氧化带宽度分别减少了 26、27、22 m，即注惰口位置在50 m 以内，对进风侧氧浓度影响较大，但对回风侧的影响较小；当注惰口距工作面 60、70、80、90 m时，进风侧氧化带位于 1222、422、733、1941 m，氧化带宽度分别为 10、18、26、22 m，与未注入复合惰气相比，进风侧氧化带宽度分别减少了 32、24、16、20 m；回风侧氧化带分别位于 117、016、224、1132 m，氧化带宽度分别为 16、16、22、21 m，与未注入复合惰气相比，进风侧氧化带宽度分别减少了 28、28、22、23 m，综合分析可得注惰口距工作面 60 m 时，复合惰化效果较好。因此，1703 工作面的最佳注惰口位置为距工作面 60 m。（a）进风侧（b）回风侧图 7不同注惰口位置下采空区氧浓度变化规律4结论1）依据采空区内氧浓度分布，模拟得出 1703 工作面采空区自燃“三带”中进风侧氧化带为 4486m，氧化带宽度为 42 m，回风侧氧化带为 1458 m，2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷90（上接第 86 页）全固化，固结体抗风化、耐水泡、耐酸碱腐蚀，根据顶板钻孔和底板钻孔对浆液凝结时间要求，设计了0.81 和 0.61 两种水灰比及封孔实施工艺。3）现场实施表明，1 个半班完成了 10 个探水钻孔的封孔作业，实际消耗封孔材料 3 025 kg，封孔过程中浆液凝固情况良好，劳动强度较小，与黄泥卷封孔和聚氨酯封孔相比，技术优势明显。巷道在继续掘进过程中和后续使用的 8 个月内，顶板钻孔和底板钻孔未有明显异常变化。参考文献：1 弓金保.古交矿区奥灰封堵不良钻孔突水防治方法J.煤，2020，29（9）：127-129，132.2 张纪堂，宋阳，左世晓.会宝岭铁矿不良钻孔封堵技术研究J.山东煤炭科技，2020，No.239（7）：150-152，155.作者简介：李志辉（1990-），男，山西省临汾市隰县人，2011 年毕业于阳泉职业技术学院，专科，助理工程师。现在西山煤电山西晋煤太钢能源有限责任公司通风管理部从事通风抽放技术工作，主要从事抽放打钻、系统运行及通风系统调整工作。（收稿日期：2023-3-13）氧化带宽度为 44 m。2）当复合注惰流量逐渐增大时，采空区煤自燃散热带和氧化带均前移，其中当注惰流量为 1 200m3/h 时，进风侧、回风侧氧化带宽度分别减少了 29m 和 26m，抑制煤自燃的效果最佳。3）注惰口距工作面 3050 m 时，复合惰气对进风侧氧浓度影响较大，但对回风侧的影响较小，当注惰口距工作面 7090 m 时，氧化带宽度增加，当注惰口距工作面 60 m 时，进风侧、回风侧氧化带宽度分别减少了 32 m 和 28 m，对采空区煤自燃惰化效果最佳。参考文献：1 赵婧昱，宋佳佳，郭涛，等.基于煤火发展演化的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征 J.煤炭学报，2021，46（6）：1759-1767.2 易欣，张敏，邓军.煤自燃指标体系分析与优选实验研究J.煤矿安全，2023，54（1）：85-93.3 郭军，刘华，金彦，等.地下煤自燃隐蔽火源探测方法综述及新技术展望 J.中国安全科学学报，2022，32（8）：111-119.4 邓军，杨囡囡，王彩萍，等.采空区煤自燃“防-抑-灭”协同防灭火关键技术J.煤矿安全，2022，53（9）：1，8.5 刘少南.CO2浓度对煤低温氧化影响的试验研究 J.煤炭科学技术，2014，42（S1）：149-151.6 李晓雨.注氮抑爆技术处理爆炸火区J.煤炭技术，2009，28（4）：117-119.7 邢旭东，庞奇，张宏斌，等.不规则采空区防火注氮位置数值模拟研究J.煤炭技术，2021，40（8）：143-146.8 王国芝，姜奎，王怡，等.二氧化碳防灭火技术在采空区发 火 治理 中 的 应 用 研 究 J.金 属 矿 山，2021（10）：214-220.9 牛振磊，程根银，司俊鸿，等.综放采空区注二氧化碳工艺优化数值模拟研究 J.华北科技学院学报，2018，15（1）：36-40.10 柳东明.易自燃煤层采空区 N2 与 CO2 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