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第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 易自燃煤层采空区 N2与 CO2惰性耦合气体 运移规律 柳东明 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了有效控制与防治煤炭自燃， 保证煤矿安全开采， 针对大兴矿开采易自燃煤层， 且地 质构造复杂， 火成岩侵入灾害严重的问题， 提出了 N2与 CO2惰性耦合气体防灭火思路， 并采用 数值模拟的方法， 对耦合气体在采空区运移规律进行了研究。 研究结果表明 当注入耦合气体 N2 与 CO2的比例为 3∶1 时， 采空区惰化效果最佳； 当耦合气体注入点位置位于运输巷侧采空区距工 作面 45 m 时， 该位置注入的惰性耦合气体对采空区的惰化效果最佳。 关键词 煤炭自燃； 采空区； 惰性耦合气体； 数值模拟； 运移规律 中图分类号 TD752.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0227-05 Study on Migration Law of Inert Coupling Gas of Nitrogen and Carbon Dioxide in Goaf of Spontaneous Combustible Coal Seam LIU Dongming1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to effectively control and prevent coal spontaneous combustion, to ensure safe mining of coal mines, aiming at the problems of mining spontaneous combustion coal seam in Daxing Coal Mine, complicated geological structure and serious igneous rock intrusion disaster, the idea of nitrogen and carbon dioxide inert coupling gas fire prevention and extinguishing is proposed, and the law of coupled gas migration in goaf is studied by numerical simulation. The results are as follows when the ratio of nitrogen to carbon dioxide is 3∶1, the inerting effect of goaf is the best; when the injection point of coupling gas is located 45 m away from side goaf of transport roadway, the inert coupling gas injected at this location has the best inerting effect on goaf. Key words coal spontaneous combustion; goaf; inert coupled gas; numerical simulation; migration law 煤矿火灾是煤矿安全生产面临的主要灾害之 一[1]， 是一种较难控制且十分复杂的灾害。煤矿火灾 严重威胁井下人员的生命安全、设备或工程设施的 财产安全， 极易造成煤炭资源损失、 地表环境破坏、 影响正常生产，造成经济损失，而且火灾还会造成 通风系统紊乱，使正常风流发生逆转，更严重的会 引燃瓦斯、 煤尘爆炸[2]。为了克服传统单一惰性气体 （N2或 CO2） 防灭火技术缺点， 研究 N2与 CO2惰性耦 合气体防灭火技术，并采用数值模拟的方法，对耦 合气体在采空区运移规律进行了研究，以致更有效 地抑制采空区煤层自燃。 1惰性耦合气体防灭火机理 N2与CO2惰性耦合气体是将 N2与 CO2按照一 定比例，经特定耦合气体制备装置制成。N2与 CO2 惰性耦合气体对煤炭自燃抑制作用主要体现在以下 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.048 柳东明.易自燃煤层采空区 N2与 CO2惰性耦合气体运移规律 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 227-231. LIU Dongming. Study on Migration Law of Inert Coupling Gas of Nitrogen and Carbon Dioxide in Goaf of Spontaneous Combustible Coal Seam［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 227-231.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0805206） ； 辽宁 省 科 学 技 术 计 划社 发 攻 关 及 产 业 化 指 导 计 划 资 助 项 目 （2019JH8/10300099） ；中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业 资金专项项目 - 青年资助项目 （2018- 2- QN012） 227 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 2耦合气体防灭火技术工艺流程 Fig.2Process flow of coupled gas fire prevention and extinguishing technology 几个方面[3-4] ①惰化； ②抑制爆炸； ③吸附阻化； ④ 吸热降温； ⑤正压驱氧； ⑥包围隔氧[5-6]。 2惰性耦合气体防灭火技术 按照灌注耦合气体环境的不同，耦合气体灌注 工艺分为 2 种，即开放式灌注耦合气体和封闭式灌 注耦合气体。开放式灌注耦合气体是指在工作面正 常开采的情况下，将耦合气体注入工作面后部采空 区内；封闭式灌注耦合气体则是指封闭工作面或其 它区域内灌注耦合气体，由于目标区域相对封闭， 耦 合气体长时间滞留， 起到更为显著的防灭火效果。 2.1惰性耦合气体防灭火装备系统 惰性耦合气体防灭火装备系统由地面液态 CO2 槽车、 制氮机、 输气管、 惰气耦合高强度防灭火装置 构成[7]， 惰性耦合气体防灭火装备系统如图 1。 2.2惰性耦合气体灌注方式和防灭火工艺 N2与 CO2惰性耦合气体灌注方式通常采取在 地面先将液态 CO2汽化成气态， 再与气态 N2经耦合 形成耦合气体后， 通过管路灌注到工作面采空区。 目前，惰性耦合气体在大兴煤矿防灭火应用过 程中，常用的注入工艺为首先在地面利用装置内 的煤、 电水浴式汽化器将液态 CO2汽化， 然后与 N2 按照一定比例同时注入装置平衡罐，经耦合后形成 N2与 CO2惰性耦合气体， 通过输气管路注入井下易 自燃煤层工作面采空区。耦合气体防灭火技术工艺 具体如下 1 ） 将装置安置于矿井制氮机附近， 通过管路将 制氮机出口与平衡罐进口相连。 2） 使用液态 CO2槽车将液态 CO2拉到煤矿地面 制氮机附近，利用专业的不锈钢软管连接装置的进 液管。 3） 装置平衡罐的出气口连接井下 φ200 mm 输 惰性耦合气体管路，井下耦合气体管路连接采空区 φ108 mm 注耦合气体 2 趟埋管。 4） 启动制氮机， 将 N2输送到装置平衡罐， 与此 同时， 将液态 CO2槽车中的液态 CO2输入装置煤、 电 水浴式汽化器中， 汽化成 CO2， 然后再输入装置平衡 罐与 N2耦合形成惰性耦合气体， 平衡罐出口的耦合 气体输入井下采空区防火。 耦合气体防灭火技术工艺流程如图 2。 3惰性耦合气体在采空区运移规律数值模拟 用数值模拟的方法分析注耦合气体参数及各种 因素的变化对注耦合气体惰化效果的影响，确定合 理的注耦合气体参数和灌注耦合气体位置能使耦 合气流覆盖整个目标区域，以有效降低区域氧气浓 度[8-13]， 找到经济合理的注耦合气体方案。 3.1模型建立 根据大兴煤矿南二 905 综采工作面采空区气体 数据， 运用 Fluent 软件包建立简化后的物理模型， 南 二 905 工作面采空区模型如图 3。 图 3南二 905 工作面采空区模型 Fig.3Goaf model of southern No.2 905 working face 图 1惰性耦合气体防灭火装备系统 Fig.1Inert coupled gas fire fighting equipment system 228 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 该模型以工作面和采空区底面交点为原点， 水 平向右为 x 轴， 水平向上为 y 轴， 竖直向上为 z 轴， 建立参考坐标系，工作面尺寸为 152 m（长） 8 m （宽） 5 m （高） ， 采空区尺寸为 400 m152 m50 m， 运输巷尺寸为 20 m5 m5 m， 回风巷尺寸为 20 m 5 m5 m，“U” 型通风方式， 风量为 1 200 m3/min， 注 耦合口 φ100 mm。 3.2不同组份配比条件下采空区氧气浓度场 在惰性气体防灭火技术中， N2与 CO2可认为是 吸附质， 而煤就是吸附剂。在防治煤矿火灾时， N2的 吸热指标较 CO2略强，但其吸热量不大。因此两者 必须形成最佳配比，才能达到最佳的防灭火效果。 工作面注惰性耦合气体， 耦合气体 N2与 CO2不同组 分配比条件下采空区氧浓度分布云图如图 4。 当注耦合惰气口位置位于运输巷侧采空区距工 作面 45 m，注耦合惰气中 N2与 CO2的比例分别为 4∶1、 3∶1、 2∶1、 1∶1 时， 经考察， 在 N2与 CO2比例在 3∶1 时，采空区进风侧高浓度氧气范围明显缩小，氧化 带宽度变窄，提前进入窒息带。同时，在倾向方向 上，采空区中部及采空区回风侧的氧化带由于扩散 N2的原因也不同程度的变窄。这是因为该比例耦合 气体注入后， 一方面 CO2由于比空气重停留在底部， 而 N2则由 CO2为载体迅速扩散， 减小了采空区进风 侧漏风，使采空区进风侧氧化带范围减小，另一方 面该比例的耦合气体浓度在惰化空间方面上全面覆 盖，在沿程上稀释减小了氧气浓度，惰化采空区的 作用更加明显。 不同注耦合惰气量条件下采空区氧气浓度分布 曲线如图 5。 由图 5 可知，当注耦合惰气口位置位于运输巷 侧采空区距工作面 45 m，注耦合惰气中 N2与 CO2 混合比例分别为 4∶1、 3∶1、 2∶1、 1∶1 时， 采空区氧化带 范围 （氧浓度 10～18） 在运输巷一侧分别为 42～ 76、 5～8、 4～8、 3～7 m，在回风巷一侧分别为 14～26、 12～22、 12～22、 11～19 m。由此可得， 当注耦合惰气口 位置距工作面 45 m，注耦合惰气 N2与 CO2比例分 别为 4∶1、 3∶1、 2∶1、 1∶1 时， 采空区进风侧的氧化带明 显变窄变浅，但这 4 种注耦合惰气量下， N2与 CO2 混合比例在 3∶1 时采空区氧化带最大程度的缩小， 防治遗煤自燃防治效果最佳。 3.3不同出口位置条件下采空区氧气浓度场 不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分 布云图如图 6。 当注耦合惰气量为 1 400 m3/h，注耦合气体口 位置分别位于运输巷侧采空区距工作面 15、 45、 90 m 时， 采空区进风侧的氧化带明显变窄变浅。 但是在 倾向方向，采空区中部及回风侧的氧化带却呈现了 图 5不同注耦合惰气量条件下采空区氧气浓度分布曲线 Fig.5Oxygen concentration distribution curves of goaf under different injection coupled inert gas volume conditions 图 4耦合气体 N2与 CO2不同组分配比条件下采空区氧 浓度分布云图 Fig.4Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different injection coupled inert gas volume conditions 229 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 不同的变化。随着注惰性耦合气体口向采空区深部 迁移，采空区氧化带在浅部采空区的中部及采空区 回风侧 2 个区域逐渐减小。这是因为注耦合气体口 离工作面越近，受漏风风流的影响越大， N2在进风 侧封堵漏风过程中， N2也随漏风风流运动并且在浅 部采空区的中部和靠近回风侧区域扩散；当注耦合 气体口位置较深时， N2的扩散等运动受漏风风流影 响较小， 同时由于压差的作用， 注入采空区的 N2向 回风巷方向运动， 因此 N2能够在采空区 3 个区域都 拥有较好的惰化作用。 不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分 布曲线如图 7。 由图 7 可知， 当不注惰性耦合气体和 注惰性耦合气体量为 1 400 m3/h，注耦合气体口位 置分别位于运输巷侧采空区距工作面 15、 45、 90 m 时， 采空区氧化带范围 （氧浓度 10～18） 在运输巷 一侧分别为 42～76、 5～8、 13～17、 16～20 m， 在回风巷 一侧分别为 14～26、 12～22、 10～18、 11～15 m。随着注 惰性耦合气体口位置向采空区深处迁移，虽然采空 区进风侧的氧化带也向深处迁移，但总体仍然靠近 工作面，同时氧化带明显变窄。采空区回风侧氧化 带变化不大， 3 种条件下的氧化带范围变窄且位置 变浅。 3.4特定条件下惰性耦合气体运移规律 选择 N2与 CO23∶1 的比例进行混合， 当注 N2与 CO2耦合气体流量为 1 200 m3/h 时，注入耦合气体 后采空区 N2与 CO2分布云图如图 8。 由图 8 可知， 惰性耦合气体开始注入后， 不断掺 混采空区内气体层， CO2密度比空气大， 再加之注入 的 CO2温度很低，相对于采空区内的空气的密度就 更大， 注入的 CO2将会有明显的沉降， 而且会迅速在 底分层扩散到采空区内的各个区域，随着混合距离 的增长， CO2动能不断减小， 当 CO2不足以提供反抗 区内气体层成层的能量，前锋和气体层达到相对平 衡状态， CO2出现停滞现象， 因此可知 CO2在靠近工 作面的附近浓度较大， 在采空区的深部浓度较小； N2 由于和空气比重相当， 因此混合气体总的 N2由于气 体层不断上升， CO2会推动 N2气体层下部气体向上 部运移， 由 CO2做为载体， 将推动 N2向采空区深部 流动， 这时就会出现采空区的同一断面上、 下部气体 流动方向相反的现象。随着采空区内部气体混合均 匀， 则耦合气体会迅速充满采空区绝大部分空间， 达 到较好的惰化效果。 4结论 1） 在回采工作面预防自然发火时注入耦合气体 N2与 CO2的比例在 3∶1 时， 惰化效果最佳， 能使耦合 气流覆盖整个火灾区域或防火区域，以降低氧气浓 度， 找到了经济合理的注耦合气体方案。 图 7不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布曲线 Fig.7Oxygen concentration distribution curves in goaf under different gas injection coupling positions 图 6不同注耦合气体位置条件下采空区氧气浓度分布云图 Fig.6Cloud map of oxygen concentration distribution in goaf under different gas injection coupling positions 230 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 2 ） 在运输巷侧采空区距离工作面 45 m 注入惰 性耦合气体对采空区的惰化效果最佳，能够减少漏 风量、稀释氧气并且能使耦合气体有效充填采空区 空间。 3） CO2在靠近工作面的附近浓度较大，在采空 区的深部浓度较小； N2由 CO2做为载体，耦合气体 混合后向采空区深部流动，随着采空区内部气体混 合均匀，则耦合气体会迅速充满采空区绝大部分空 间， 达到较好的惰化效果。 参考文献 ［1］ 钱鸣高， 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助理研究员， 硕士， 主要从事矿井通风与防灭火等科研工作。 （收稿日期 2019-10-12； 责任编辑 陈洋） 231 ChaoXing
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