综采工作面采空区注氮防灭火技术模拟研究.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０４􀆽 ０２ 作者简介马建鹏１９８２ － ꎬ男ꎬ山西孝义人ꎬ工程师ꎬ从事矿井“一通三防”技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ００３ 综采工作面采空区注氮防灭火技术模拟研究 马建鹏 汾西矿业集团公司 曙光煤矿ꎬ山西 孝义 ０３２３００ 摘 要为使综采工作面采空区注氮技术在曙光煤矿取得良好的防灭火效果ꎬ以 １２２６ 工作面为背景ꎬ根据 采空区自燃“三带”的分布规律确定注氮孔的合理位置ꎬ利用 ＦＬＵＥＮＴ 软件模拟采空区氧浓度分布规律ꎬ分 析不同注氮量对于采空区自燃“三带”的影响ꎬ确定 １２２６ 工作面最佳注氮量为 ２０ ｍ３/ ｍｉｎꎮ 研究成果对于 指导采空区自然发火的防治具有重要意义ꎮ 关键词采空区ꎻ注氮ꎻ数值模拟ꎻ自燃三带 中图分类号ＴＤ７５２. ２ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ０００８􀆽 ０３ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｆｉｒｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｇｏａｆ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｆａｃｅ ＭＡ Ｊｉａｎ􀆽 ｐｅｎｇ Ｓｈｕｇｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｆｅｎｘｉ Ｍｉｎｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＸｉａｏｙｉ ０３２３００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｇｏａｆ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｂｔａｉｎ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｘ￣ ｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ ｆｉｒｅ ｉｎ Ｓｈｕｇｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬｔａｋｉｎｇ １２２６ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄꎬｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｈｏｌｅ ｉｓ ｄｅ￣ ｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ “ｔｈｒｅｅ ｚｏｎｅｓ“ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ｇｏａｆꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎ￣ ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｇｏａｆ ｂｙ ｆｌｕｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｏｎ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ “ ｔｈｒｅｅ ｚｏｎｅｓ“ ｉｎ ｇｏａｆ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎ １２２６ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ２０ ｍ３/ ｍｉｎ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ｇｏａｆ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｇｏａｆꎻｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｔｈｒｅｅ ｚｏｎｅｓ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ １ 工程概况 汾西矿业集团曙光煤矿主采 ２ 号、３ 号煤层ꎬ生 产规模 ９０ 万 ｔ/ ａꎮ 根据矿井采掘衔接部署ꎬ２０２０ 年 进行１２２６ 工作面的回采ꎬ１２２６ 工作面采用切顶卸压 沿空成巷无煤柱开采方式ꎬ开采山西组 ２ 号煤层ꎬ煤 层平均厚度 ２. ８５ ｍꎬ经山西省煤炭工业厅综合测试 中心鉴定ꎬ２ 号煤层吸氧量为 ０. ５７ ０. ７０ ｃｍ３/ ｇꎮ 自燃倾向性等级为Ⅱ类ꎬ属自燃煤层ꎬ最短自然发火 期天数为 ８６ ｄꎮ 根据瓦斯等级鉴定结果ꎬ矿井绝对 瓦斯涌出量为 １４. ５９ ｍ３/ ｍｉｎꎬ为预防 １２２６ 综采工作 面生产期间采空区自燃ꎬ需加强 １２２６ 内因及外因火 灾预防ꎮ 根据曙光煤矿的现状ꎬ综采工作面防灭火 手段为利用束管监测系统监测、人工检测、采空区 注氮系统为主ꎬ喷洒阻化剂及黄泥灌浆为辅的防灭 火措施ꎮ 为使采空区注氮取得更好的防灭火效果ꎬ 对采空区注氮相关参数进行研究ꎬ以期为采空区遗 煤自燃发火的防治措施提供可靠依据ꎮ ２ 建立数值模拟模型 采用 Ｆｌｕｅｎｔ 软件进行采空区注氮模拟分析ꎬ模 型尺寸根据曙光煤矿 １２２６ 工作面的实际情况建立ꎬ 模型 Ｙ 轴方向为工作面长度方向ꎬ１２２６ 工作面走向 长度为 １７６ ｍꎬ设计模型 Ｙ 轴方向长度为 ２００ ｍꎬ工 作面推进方向为 Ｘ 轴方向ꎬ模型总长度为 ３０５ ｍꎬ其 中工作面宽度为 ５. ０ ｍꎬ采空区长度为 ３００ ｍꎬ模型 高度为煤层厚度、冒落带和裂隙带的厚度之和ꎬ冒落 带计算公式[１ －２] ｈｍ＝ ｈ/ Ｋｐ－１ｃｏｓα１ 式中ｈｍ为冒落带高度ꎬｍꎻｈ 为工作面采高ꎬｍꎻ Ｋｐ为顶板岩层碎胀系数ꎻα 为煤层倾角ꎬꎮ 裂隙带高度计算公式 ８ 试试验验研研究究 总第 ２５２ 期 ｈｌ＝１００ｈ/ ａｈ ＋ ｂ ｃ２ 式中ｈｌ为裂隙带高度ꎬｍꎻａ、ｂ、ｃ 为相关参数分 别为 ３. １、５. ０、４. ０ꎮ １２２６ 工作面采高 ２. ８５ ｍꎬ顶板岩层碎胀系数为 １.２５ꎬ煤层倾角为 ２ꎬ由式１、２计算可得冒落带 高度为 １１. ４ ｍꎬ裂隙带高度为 １６. ８３ ２４. ８３ ｍꎬ由 此可知裂隙带最大高度为 ２５ ｍꎬ最终确定模型高度 为２８ ｍꎮ 模型坐标原点选在工作面、采空区及进风 巷的交点处ꎬ进风巷设置为速度入口ꎬ总进风量为 ２ ４００ ｍ３/ ｍｉｎꎬ注氮口为速度入口ꎬ采空区为多孔介 质ꎬ孔隙率和粘性阻力系数通过 ＵＤＦ 函数导入ꎬ三 维数值模型如图 １ 所示ꎮ 图 １ 三维数值模型示意 ３ 最佳注氮量模拟研究 进行注氮量模拟分析时需首先确定注氮孔的位 置ꎮ 注氮孔的位置对于防灭火的效果非常关键ꎬ主 要需要确定注氮孔与工作面的垂直距离ꎬ注氮孔距 离工作面过近时ꎬ将导致大量氮气扩散至工作面ꎬ随 着工作面风流排出ꎬ无法起到稀释采空区氧气浓度 的作用ꎬ造成资源大量浪费ꎻ注氮孔深入采空区过深 时ꎬ氮气大多注入窒息带ꎬ同样造成资源浪费ꎮ 根据 １２２６ 工作面现场实测数据得到采空区三带范围为 回风巷侧散热带０ ２５ ｍꎬ氧化带２５ ４５ ｍꎬ窒息 带４５ ｍ 以上ꎻ进风巷侧散热带 ０ ５５ ｍꎬ氧化带 ５５ ９０ ｍꎬ窒息带９０ ｍ 以上ꎬ结合采空区注氮防灭 火的原理ꎬ设计注氮孔位于进风巷一侧ꎬ深入采空区 ７０ ｍꎬ与进风巷水平距离为 ２０ ｍꎬ注氮孔距底板 ２ ｍꎬ模型网格划分如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 模型网格划分及注氮孔位置示意 注氮量是最重要的注氮参数ꎬ直接决定着注氮 效果ꎮ 注氮量太小因达不到惰化采空区气体的目的 而起不到防火的作用ꎬ注氮量太大造成经济上的浪 费ꎮ 注氮量主要取决于被注地点的氧化空间大小、 裂隙情况、漏风量大小以及气体组分等[３ －４]ꎮ 按采空 区氧化带氧含量计算ꎬ实质是将采空区氧化带内的原 始氧含量降到防火惰化指标以下ꎬ计算公式为[３] ＱＮ＝６０ ＱＶ ｋ[Ｃ１－ Ｃ２] / ＣＮ２＋ Ｃ２－１３ 式中ＱＮ为注氮流量ꎬｍ３/ ｈꎻｋ 为备用系数ꎬ取 １. １ꎻＱＶ为采空区氧化带的漏风量ꎬ根据经验氧化带 漏风量取 ８ ｍ３/ ｍｉｎꎻＣ１为采空区氧化带内原始氧含 量ꎬ选 １５％ꎻＣ２为注氮防火惰化指标ꎬ取 ７％ꎻＣＮ２为 注入氮气中的氮气纯度ꎬ取 ９７％ꎮ 通过 式 ３ 计 算 可 得ꎬ ＱＮ＝ １ ０５６ ｍ３/ ｈ ＝ １７. ６ ｍ３/ ｍｉｎꎬ为进一步确定 １２２６ 工作面采空区最 佳注氮量ꎬ结合理论计算结果ꎬ对注氮量分别为 １０ ｍ３/ ｍｉｎ、１５ ｍ３/ ｍｉｎ、２０ ｍ３/ ｍｉｎ、２５ ｍ３/ ｍｉｎ 条件 下的注氮效果进行模拟分析ꎬ注氮口坐标为ＸꎬＹꎬ Ｚ ＝ ７０ꎬ２０ꎬ２ꎬ得到不同注氮量条件下采空区氧 气浓度分布ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 图 ３ 不同注氮量条件下采空区氧气浓度变化云图Ｚ ＝２ 根据图 ３ 所示的模拟结果ꎬ参考相关的研究成 果[４ －５]ꎬ将采空区氧气浓度低于 ５％的区域划分为窒 息带ꎬ氧气浓度为 ５％ １８％ 的区域为氧化带ꎬ氧气 浓度 １８％ 以上为散热带ꎬ依据“三带”划分情况ꎬ分 别统计采空区靠近进风侧、中部、靠近回风侧散热带 和氧化带的宽度ꎬ整理得到三带宽度随着注氮量的 变化规律如图 ４ 所示ꎮ ９ ２０２０ 年 ８ 月 马建鹏综采工作面采空区注氮防灭火技术模拟研究 第 ２９ 卷第 ８ 期 图 ４ 采空区散热带和氧化带宽度与注氮量的变化关系 由图３、图４ 可以看出ꎬ随着注氮量的增加ꎬ采空 区内氧气浓度明显减小ꎬ窒息带的覆盖范围逐渐增 大ꎬ散热带的覆盖范围逐渐减小ꎬ进风侧氧化带的宽 度明显减小ꎬ工作面中部和回风侧氧化带的宽度出 现小幅度的增大ꎮ 注氮量由 １０ ｍ３/ ｍｉｎ 增大至 ２０ ｍ３/ ｍｉｎ期间ꎬ注氮孔附近氧气浓度显著降低ꎬ散 热带范围明显减小ꎬ进风侧氧化带宽度明显减小ꎬ采 空区发生自燃发火的概率降低ꎻ注氮量由２０ ｍ３/ ｍｉｎ 增大至２５ ｍ３/ ｍｉｎꎬ采空区氧气浓度分布云图无明显 变化ꎬ且散热带宽度明显增大ꎬ回风侧和工作面中部 氧化带宽度出现轻微增大ꎬ且进风侧氧化带宽度的 减小幅度明显减小ꎬ注氮效果比注氮量为２０ ｍ３/ ｍｉｎ 条件下差ꎮ 综上可知ꎬ１２２６ 工作面采空区最佳注氮 量为 ２０ ｍ３/ ｍｉｎꎮ ４ 结 语 根据曙光煤矿 １２２６ 工作面具体的地质条件ꎬ理 论分析确定采空区注氮孔的合理位置ꎬ设计注氮孔 位于进风巷一侧ꎬ深入采空区 ７０ ｍꎬ与进风巷水平 距离为 ２０ ｍꎬ注氮孔距底板 ２ ｍꎻ理论计算了采空区 合理注氮量为１７. ６ ｍ３/ ｍｉｎꎬ采用 Ｆｌｕｅｎｔ 软件建立三 维模型ꎬ分析不同注氮量条件下采空区散热带和氧 化带的变化规律ꎬ综合考虑经济效益和惰化效率后 得出最佳的注氮量为 ２０ ｍ３/ ｍｉｎꎮ 研究结果为 １２２６ 工作面采空区注氮防灭火防治措施的制定提供可靠 依据ꎮ 参考文献 [１] 师吉林ꎬ赵 凯ꎬ赵 斌ꎬ等. 近直立煤层短壁综放工作 面采空区注氮流量与自燃“三带”分布关系[Ｊ]. 煤矿 安全ꎬ２０１９ꎬ５０３１９６ －１９９. 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