采空区两巷同注CO-sub-2-_sub- 防灭火效果考察分析_杜斌.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 采空区两巷同注 CO2防灭火效果考察分析 杜斌 1， 2， 3 （1.煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 借助数值模拟手段， 对采空区两巷同注 CO2气体时采空区自燃 “三带” 分布范围进行探 究， 并将数值模拟结果与现场实测结果进行对比， 发现采空区两巷同注 CO2气体可以大幅度减 小 “氧化带” 的范围， 极大地提高了采空区惰化效果。最后， 实测采空区两巷同注 CO2气体时回风 隅角处 CO2气体的浓度， 发现其与数值模拟结果相吻合， 并提出优化方法和安全防范措施。 关键词 采空区； CO2防灭火； 氧化带； 数值模拟； 效果考察 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 11-0185-04 Investigation and Analysis on Effect of CO2Injection Along Both Sides of Goaf DU Bin1,2,3 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.China Coal Technology 3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract With the assistance of numerical simulation software, the range of “three zones”about spontaneous combustion in the mined-out region that was injected by using CO2along both sides was studied. By contrast of the range of “three zones”which was measured on spot without CO2injection, it indicated that the range of oxidation zone could be decreased when the mined-out regions was injected by using CO2along both sides of it. It reveals that the injection by using CO2along both sides of the mined- out region can improve the inert range in mined-out region greatly. Then CO2concentration at outlet corner of working face was measured, which corresponded with the concentration of numerical simulation results. Finally, this paper highlighted optimization s and safe precautions. Key words goaf; fire prevention and extinguishment by CO2; oxidizing zone; numerical simulation; effect investigation CO2气体用于煤矿采空区防灭火具有诸多优点[1]。 在宏观层面， CO2气体密度比空气大， 当 CO2气体进 入采空区后可快速下沉，并在采空区底部空间快速 扩散，不易被风流吹散，稀释了采空区内的氧气浓 度。在微观层面， 煤体作为多孔介质材料， 在介质内 部的气-固交界面处进行的煤氧复合反应首先需要 借助于分子间的作用力（范德华力） 发生煤对氧的 物理吸附。而井下空气中高浓度的 CO2气体的存在 必然会降低 O2气体的浓度，因此在 CO2气体和 O2 气体发生竞争吸附的过程中， CO2气体就在煤体表 面占据了 O2的吸附位[2]， 使煤体不再发生对 O2的物 理吸附和化学吸附，从而在根源上阻断了煤氧复合 反应进程。吴兵[3]通过程序升温实验和燃烧实验对 比 N2和 CO2防治煤燃烧全过程的不同效果，发现 CO2的防灭火性能优于 N2。同时， CO2气体的这些优 良防灭火特性也注定了其在采空区内的对流扩散规 律和其他惰性气体不会完全相同。李宗翔[4]借助数 值模拟软件曾研究过在三维采空区进风侧埋管注 CO2气体后 O2、 CO2气体浓度在采空区中的三维分 布扩散情况，发现进风侧埋管注 CO2气体可以极大 地减小采空区内氧化带的宽度，并确定 CO2气体释 放口与工作面的最佳距离和最佳流量。景巨栋[5]通 过建立自定义函数研究了采空区内 O2浓度分布规 律和 CO2气体扩散规律，找到了进风侧埋管注 CO2 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.039 杜斌.采空区两巷同注 CO2防灭火效果考察分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 185-188， 194. DU Bin. Investigation and Analysis on Effect of CO2Injection Along Both Sides of Goaf ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 185-188, 194. 移动扫码阅读 185 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 气体的最佳注入强度。郝朝瑜[6]研究了不同流量、 不 同位置对采空区氧化带内最高温度点的影响。 但目前为止，尚未有人对工作面风机两巷同时 向采空区埋管注 CO2气体时采空区内气体的分布规 律开展过研究。因此， 以西部地区某矿 130204 综采 工作面为例， 在风、 机两巷同时埋管注 CO2气体， 研 究在两巷同时注 CO2气体条件下 130204 采空区内 的气体运移情况， 同时将采空区内自燃 “三带” 中氧 化升温带范围的变化情况作为考察指标，分析注 CO2防灭火技术的使用效果。 1CO2气体运移规律多物理场耦合模型 1 ） 对流。工作面开采后， 上覆顶板岩石和顶部 遗煤会在矿山压力的作用下垮落堆积，在采空区内 形成松散颗粒体。松散颗粒间存在着形状不规则、 大小不一的空隙，采空区内的漏风流就在漏风压差 的作用下沿这些空隙流动。因此可以将采空区内的 松散颗粒体理想化为多孔介质，将漏风在采空区内 的流动看成是在多孔介质中渗流。而采空区内漏风 的流速要小于巷道及工作面中的自由流动，又大于 Darcy 定律所描述的渗流，因此描述采空区漏风流 场的控制方程常采用 Brinkman 方程[7] （μ/k） u▽ ［－pI＋ （1/εP） μ （▽u＋ （▽u） T） ］ ＋F （1） 式中 μ 为气体动力黏度系数，Pa s； k 为渗透 率，m2； u 为流速，m/s； p 为采空区内气体的压强， Pa； I 为单位对角矩阵； εP为空隙率，单位为 1； F 为 影响流体的体积力， N；▽u 为采空区气体流速梯度 矩阵。 2） 紊流。在工作面和进回风巷道中的风流， 由于 流动空间较大，可将其假想为管道流，其流动时雷 诺数 Re 大于 2 300， 可以认定为紊流， 控制方程为 ρu▽u＝▽ ［－pI＋ （▽u＋ （▽u） T） ］ ＋F （2） 式中 ρ 为采空区内气体的密度，kg/m3； p 为采 空区内气体的压强，Pa， 且 p＝p0（工作面回风边界） ； p0为工作面回风巷气体出口边界压力， Pa； u 为漏风 风速，m/s， 且 u＝u0（工作面进风边界） ； u0为工作面 进风巷气体入口处流速， m/s。 3） 扩散。采空区中的 CO2气体除了会随漏风流 场同步运移外，还会发生因浓度梯度引发的菲克扩 散运动， 其控制方程[8-9]为 ▽ （－D▽C） ＋u▽C＝R′（3） 式中 D 为 CO2扩散系数，m2/s； C 为 CO2浓度， mol/m3； u 为漏风风速，m/s； R′为化学反应速率， mol/ （m3 s） ; ▽C 为 CO2浓度梯度矩阵。 因 CO2气体在采空区中不发生化学反应，所以 R′＝0。 2数值模拟 2.1工作面概况及几何模型 130204 综采工作面采空区采用全部垮落法处 理。 工作面走向长度为 1 860 m， 倾斜长度为 290 m。 煤层倾角为 7～12，平均为 9，煤层厚 7.54～8.45 m， 平均煤厚 8.2 m， 采高 5.6 m， 工作面沿底板回采。 工作面现已累计推进 1 460 m， 剩余 400 m。 借助 COMSOL Multiphysics 多物理场耦合数值 模拟软件对工作面建立几何模型，工作面的走向长 度和倾斜长度远远大于采高，考虑到空间尺度因 素， 二维模型对三维模型具有很好的近似性， 130204 工作面几何模型及网格剖分图如图 1。 2.2初始条件与边界条件 130204 工作面采用后退式开采， 通风方式为全 风压“U”型通风， 130204 机巷进风，风量为 1 308 m3/min； 130204 风巷回风， 风量为 1 325 m3/min。工 作面回采期间瓦斯绝对涌出量 0.59 m3/min； 相对涌 出量 0.07 m3/t。气体扩散系数为 2.8810-2m2/s。 风机两巷埋设的 CO2管口与工作面距离为 40 m， 管径 15 mm， 释放流量分别为 600 m3/h。采空区 环境温度为 30 ℃。 受上覆岩层压力影响，采空区内遗煤和矸石的 堆积状态大致分为松散堆积区、 载荷影响区、 压实 稳定区， 采用 “分块赋值孔隙率” 的方法[10-12]， 松散 堆积区、 载荷影响区、 压实稳定区的空隙率分别为 0.33、 0.24、 0.10，渗透率分别为 5.510-6、 2.610-6、 图 1130204 工作面几何模型及网格剖分图 Fig.1Geometric model and gridding map of 130204 face 186 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 1采空区自燃 “三带” 分布范围测定结果 Table 1Distribution range of spontaneous combustion “three zones”in goaf 位置散热带/m氧化带/m窒息带/m 进风侧 回风侧 0～42 0～25 42～145 25～105 ＞145 ＞105 图 2采空区气体运移速度场 Fig.2Velocity field of gas migration in goaf 图 4采空区内 CO2浓度分布云图 Fig.4Cloud chart of CO2concentration distribution in goaf 1.310-6m2。 2.3模拟结果 1） 采空区内气体运移速度。采空区气体运移速 度场如图 2。 图 2 中的箭头表示风流的方向， 等值线 表示风速梯度。风速等值线越密集表示风速梯度越 大，从图 2 可以发现，在 CO2气体释放口和回风口 处，是采空区内风速变化较大处。在距离进风口约 20 m 的工作面处， 有采空区内气体涌入工作面的迹 象。另外， 回风侧风流方向表明， 回风侧注入的 CO2 气体大部分积聚在回风口并随漏风流出采空区， 没 有流向采空区深部。 2） 采空区内气压分布。采空区内部气体压力分 布云图如图 3。采空区内的气体压力分布情况表明 除了 CO2气体释放口处压力较高外，采空区内气体 压力分布的总体情况是进风侧气压较大，回风侧气 压较小。 3） 采空区内 CO2气体分布。采空区内 CO2气体 浓度分布云图如图 4。从图 4 可以看出，采空区注 CO2气体的防灭火效果十分显著，大部分空间被高 浓度的 CO2气体惰化。惰化范围最窄处与工作面距 离约为 5 m，惰化范围最宽处与工作面距离小于 1 m。 这与李宗翔[4]曾经使用 Fluent 数值模拟软件得到 的三维采空区内 CO2气体浓度分布情况具有很好的 一致性，说明可以将 COMSOL Multiphysics 基于对 流-扩散方程建立的模型作为研究采空区对流传质 的有力工具。 4） 防灭火效果考察。 采空区内 O2气体浓度分布 云图如图 5。以 O2体积分数 5～15作为采空区内 “氧化自燃带” 的划分标准， 采空区自燃 “三带” 分布 范围测定结果见表 1。 图 3采空区内部气体压力分布云图 Fig.3Cloud chart of gas pressure distribution in goaf 图 5采空区内 O2气体浓度分布云图 Fig.5Cloud chart of O2concentration distribution in goaf 187 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6上隅角 CO2气体浓度变化曲线图 Fig.6Curves of CO2concentration change in the upper corner 本次模拟结果同样以 O2体积分数 5～15 （即 2.23～6.69 mol/m3） 作为划分采空区内 “氧化自燃带” 的标准，从图 5 可以发现，在进风侧氧化带范围为 2～3 m， 随着向回风侧移动， 氧化带的范围也会向工 作面侧靠拢， 约为 0.5～1 m， 宽度也逐渐变窄。 通过将数值模拟结果和之前现场实测结果进行 对比可以发现向采空区灌注 CO2气体后氧化带宽 度从 80～103 m 减小到 0.5～1 m。说明注 CO2防灭火 技术可以大幅度缩小氧化带的宽度，为采空区取得 良好的惰化效果。 3现场束管监测数据 矿方在 2017 年 11 月开展过 130204 工作面两 巷埋管注 CO2气体试验，当气体释放口与工作面之 间的距离为 40 m 时开始注 CO2气体，气体释放流 量均为 600 m3/h。利用安设在工作面上隅角处安全 监测监控系统的 CO2气体浓度传感器，实时在线监 测工作面上隅角处 CO2气体涌出量的变化情况， 每 隔 15 min 记录 1 次， 同时工作面和架间的 CO2体积 分数监测由人工取样负责。上隅角 CO2体积分数变 化曲线图如图 6。 在灌注试验过程中，人工监测发现第 14架间 CO2体积分数偏高， 这与图 2 模拟结果相吻合。 说明 此处受采空区气体流场影响存在采空区气体涌出量 大的特点。 此外， 从图 6 可以看出， 在灌注 CO2气体初期， CO2体积分数逐步上升；约 1 h 后， CO2体积分数上 升速率较之前 60 min 有所提升， 说明 CO2气体在采 空区内的运移进入到 1 个新的阶段。经分析，认为 这一现象的产生可能是 CO2气体从在松散堆积区内 运移扩散阶段逐步转入到在载荷影响区内运移扩散 阶段。由于载荷影响区内的岩石垮落较致密，空隙 率变小， 气体流动阻力变大， 所以上隅角涌出的 CO2 体积分数也随之升高。 另外还可以发现， 在 3 h 左右 时， CO2体积分数极速增大， 最终在 195 min 时达到 峰值。 经计算， CO2气体流量与峰值体积分数之比约 等于采空区漏风量，说明此时的采空区已经被 CO2 气体完全充满。 之后矿方停止灌注 CO2气体， CO2气 体的体积分数也逐步下降。 4结语 1） 采取两巷同注 CO2气体时， 工作面距离进风 巷一定距离处架间会发生气体涌出。现场人工监测 时也发现了架间存在 CO2超限的现象。因此今后在 采取采空区注 CO2气体时，应划定警戒范围并制定 相关的安全应急防护措施。 2） 采空区两巷同注 CO2气体可以大幅度减小采 空区中 “氧化带” 的宽度并大面积惰化采空区， 极大 地降低采空区自然发火的可能性。但是回风巷侧注 入的 CO2气体最终会流出采空区，不会进入采空区 深部，因此建议今后只在进风巷留设灌注 CO2气体 的管路即可。 参考文献 ［1］ Biao Kong, Zenghua Li, Yongliang Yang, et al. 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