牛 闊,杜文州,2，王厚旺,張延松,2

(1.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

我國是受礦井火災(zāi)危害最嚴重的國家之一，國有重點煤礦中存在自然發(fā)火危險的礦井約占51.3%，而由于煤自燃引起的火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的90%以上[1]。在高瓦斯礦井中，采空區(qū)火災(zāi)還會引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等耦合災(zāi)害[2-3]，導(dǎo)致重特大惡性事故的發(fā)生。

遺煤自燃大部分都是由于采空區(qū)漏風(fēng)引起的，因此，通過研究采空區(qū)流場來判定遺煤自燃危險區(qū)域是可行的[4-5]。程衛(wèi)民等[3]利用三維場重建程序結(jié)合空間插值技術(shù)，重建出耦合災(zāi)害危險區(qū)域空間立體分布情況，并提取了災(zāi)害空間參數(shù)；鄭忠亞等[6]采用相似模擬實驗、SF6氣體檢測、預(yù)埋束管監(jiān)測，以及數(shù)值模擬等方法，綜合分析采空區(qū)自燃危險區(qū)域，最終判定了危險區(qū)域范圍；鄧軍[7]、文虎等[8-10]考慮了浮煤厚度及漏風(fēng)強度等因素對采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域的影響，并推導(dǎo)出注N2位置與N2影響范圍的線性關(guān)系式；在采空區(qū)防滅火方面，李宗翔等[11]研究得出進風(fēng)側(cè)注CO2的流量與氧化帶寬度呈負指數(shù)關(guān)系，并最終確定了最佳注惰(惰性氣體)位置；曹凱[12]、司衛(wèi)彬[13]等提出了上隅角預(yù)埋管灌注三相泡沫與下隅角預(yù)埋管注氮氣交替實施的防滅火工藝，取得了良好的防滅火效果。目前，對于采空區(qū)注惰防滅火的研究大多采用單一惰化氣體，對于復(fù)合惰化氣體的研究較少。

筆者通過研究采空區(qū)流場來判定采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域，分析采空區(qū)內(nèi)遺煤空間分布，利用N2和CO2的不同惰化特性，制訂惰化方案，探究綜放工作面采空區(qū)復(fù)合惰化技術(shù)的防滅火效果。

1 構(gòu)建采空區(qū)數(shù)學(xué)物理模型

采空區(qū)內(nèi)部可被視為多孔介質(zhì)，并將采空區(qū)內(nèi)氣體視為理想氣體，滿足氣體狀態(tài)方程。采空區(qū)內(nèi)氣體流動遵循質(zhì)量、動量及能量守恒定律[14-15]；考慮組分輸運問題，還必須遵守組分守恒定律。采空區(qū)流場控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的矢量分量；ρ為密度；σ為垂直于計算單元體面的正應(yīng)力;τ為由于分子黏性作用產(chǎn)生的切向應(yīng)力；U為速度矢量；Fx、Fy、Fz為作用于整個單元體的體積應(yīng)力分量,取Fx=0,Fy=-ρgcos 24°,Fz=ρgsin 24°；T為熱力學(xué)溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項；cs為組分s的質(zhì)量分數(shù)；Ds為組分的擴散系數(shù)；Ss為系統(tǒng)以外某組分加入到系統(tǒng)內(nèi)的生產(chǎn)率。

根據(jù)工作面的實際情況，構(gòu)建如圖1所示的采空區(qū)三維模型。

圖1 采空區(qū)三維模型

工作面長98.98 m，寬8.0 m，高3.0 m；進風(fēng)巷寬4.5 m，高3.0 m；回風(fēng)巷寬4.3 m，高3.0 m；采空區(qū)走向長度取200 m，傾向長度取98.98 m，采空區(qū)高度取 30 m。煤層傾角24°，進風(fēng)風(fēng)量設(shè)置為1 131 m3/min，回風(fēng)口設(shè)置為自由出口。

2 采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域判定

將模型導(dǎo)入Fluent進行模擬，采空區(qū)O2體積分數(shù)分布模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 采空區(qū)O2體積分數(shù)立體分布模擬云圖

由圖2可知：沿走向方向，隨著采空區(qū)深度的增加，漏風(fēng)風(fēng)流很難進入采空區(qū)深部，采空區(qū)內(nèi)O2體積分數(shù)不斷降低，瓦斯?jié)舛葎t不斷升高；沿傾向方向，多孔介質(zhì)中流向回風(fēng)巷的空氣動量不斷損失，使得采空區(qū)內(nèi)進風(fēng)側(cè)空氣擴散深度高于回風(fēng)側(cè)，呈現(xiàn)出不斷遞減的情況。在不同水平高度上，越靠近采空區(qū)頂部，空氣擴散范圍越大，O2體積分數(shù)越高。

提取進風(fēng)巷道附近、采空區(qū)中部區(qū)域和回風(fēng)巷道附近O2體積分數(shù)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)O2體積分數(shù)分布

根據(jù)O2體積分數(shù)數(shù)據(jù)，以O(shè)2體積分數(shù)7%～18%為氧化帶劃分標準[16-17]，得到(9-15)06工作面采空區(qū)氧化帶分布范圍：進風(fēng)巷側(cè)為18～112 m，臨進風(fēng)巷為16～107 m，臨回風(fēng)巷為12～78 m，回風(fēng)巷側(cè)為6～34 m。

3 綜放工作面采空區(qū)復(fù)合惰化技術(shù)

3.1 綜放工作面采空區(qū)遺煤空間分布

對于傾斜綜放工作面而言，遺煤的空間分布具有特殊性。受工作面傾角的影響，上傾角處遺留頂煤沿下傾角方向垮落、堆積，主要分布在采空區(qū)中部區(qū)域，而下傾角處遺留頂煤堆積在底部。因此，遺煤主要分布在采空區(qū)底部和中部，底部遺煤量較多，頂部遺煤量較少。此外，由于受到煤壁支撐作用的影響，以及放頂煤開采工藝的影響，靠近兩側(cè)煤壁的遺留頂煤相對較多，該處的遺煤厚度約為采空區(qū)中部的2～3倍[18]。

3.2 共注N2和CO2復(fù)合惰化技術(shù)優(yōu)勢

N2和CO2復(fù)合惰化技術(shù)對煤自燃的惰化作用與單一氣體不同，其惰化效果也不是兩種氣體的簡單疊加。不同氣體在采空區(qū)滲流及分布特點不同，對煤自燃惰化特性也不相同。N2密度小于空氣，而CO2密度大于空氣，因此提出了高位壓注CO2和低位壓注N2技術(shù)。受到重力場和氣體密度影響，低位的N2逐漸向采空區(qū)上部擴散，而高位的CO2逐漸向采空區(qū)下部滲透，從而實現(xiàn)對采空區(qū)空間全惰氣覆蓋，提高惰化效果。此外，煤對不同物質(zhì)的吸附能力存在著差異[19-20]，其吸附能力從大到小的排序為 CO2>N2，但是在采空區(qū)內(nèi)注入大量的CO2會導(dǎo)致工作面及回風(fēng)巷CO2濃度超限。因此，應(yīng)用復(fù)合惰化技術(shù)可在不降低注惰防滅火效果的同時，需要有效避免CO2濃度超限，實現(xiàn)2種惰化氣體的功能互補，充分發(fā)揮N2和CO2在防滅火方面的優(yōu)勢及特點。

3.3 復(fù)合惰化技術(shù)模擬研究

根據(jù)遺煤的空間分布規(guī)律，考慮惰化氣體特性及煤自燃危險區(qū)域，在其進風(fēng)隅角處布置N2注惰口，在下風(fēng)側(cè)距離回風(fēng)巷巷幫40 m處布置CO2注惰口，進而形成高位壓注CO2和低位壓注N2的復(fù)合惰化技術(shù)，采用等比例的方式壓注2種惰氣。在進回風(fēng)巷及臨近進回風(fēng)巷33 m處布置4條測線，用于監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)O2體積分數(shù)變化情況，結(jié)果如圖4所示。

(a)注惰前期

(b)注惰后期

由圖4可見，在復(fù)合注惰的前期，受注惰壓力及稀釋效應(yīng)的影響，進風(fēng)巷側(cè)氧化帶起止深度為17～24 m，進風(fēng)巷側(cè)氧化帶長度為7 m；由于此期間惰氣還未充分擴散，以及注惰使得臨進風(fēng)巷側(cè)漏風(fēng)量增加，該處氧化帶起止深度為19～82 m，臨回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為9～18 m，回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為5～43 m。隨著惰氣擴散范圍的不斷增大及注惰口的深入，臨進風(fēng)巷側(cè)區(qū)域漏風(fēng)強度減弱，臨回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍變?yōu)?4～73 m。其他各區(qū)域氧化帶范圍變化趨于平穩(wěn)。

為了驗證復(fù)合惰化技術(shù)和單一氣體惰化技術(shù)防滅火效果的優(yōu)劣，采用單一注N2的方式進行對比實驗。注N2位置布置與復(fù)合惰化相同。單一注N2后采空區(qū)內(nèi)O2體積分數(shù)變化情況如圖5所示。

(a)單一注惰前期

(b) 單一注惰后期

通過對比圖4、圖5可知，在單一注惰前期，臨進風(fēng)巷附近O2體積分數(shù)偏高，氧化帶范圍較大，回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍較小。這是由于在回風(fēng)巷處注入的N2受密度和漏風(fēng)影響[21]，向采空區(qū)回風(fēng)隅角處擴散所致。隨著注惰氣的延續(xù)，其單一注惰效果與復(fù)合注惰相比逐漸變差，臨進風(fēng)巷氧化帶范圍明顯變大。雖然單一壓注N2使得回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍變小，但采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域集中在進風(fēng)巷側(cè)區(qū)域。因此復(fù)合惰化技術(shù)在防止遺煤自燃，提高惰化效果方面更有優(yōu)勢。

4 工程應(yīng)用

采用復(fù)合注惰方案進行工程試驗，其惰化管路布置與數(shù)值模擬中注惰位置一致。同時在進回風(fēng)隅角、工作面及回風(fēng)巷道共設(shè)置6個測點，用于監(jiān)測風(fēng)流中CO及烷烴類氣體濃度。惰化管路及測點布置見圖6，復(fù)合注惰期間采空區(qū)遺煤防火效果如圖7 所示。

圖6 復(fù)合惰化管路及測點布置示意圖

圖7 復(fù)合惰化技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果圖

由圖7可見，隨著復(fù)合注惰的進行，工作面內(nèi)CO體積分數(shù)開始快速降低，在注惰工作開始第3天時，各測點位置CO體積分數(shù)都降到2.4×10-5以下。在整個注惰期間CO體積分數(shù)均在安全范圍以內(nèi)，且整個注惰期間未出現(xiàn)C2H4、C2H6氣體析出。同時由于復(fù)合惰化技術(shù)的優(yōu)勢，整個注惰過程未出現(xiàn)CO2濃度超限的現(xiàn)象。由此可見，復(fù)合惰化技術(shù)具有較好的防滅火效果。

5 結(jié)論

1)利用Fluent模擬得到(9-15)06綜放工作面采空區(qū)流場三維立體圖，并以O(shè)2體積分數(shù)7%～18%為標準，劃分了采空區(qū)氧化帶范圍，判定了遺煤自燃危險區(qū)域。

2)通過對上覆巖層及遺留頂煤的研究，分析了上覆巖層及頂煤垮落規(guī)律，以及遺煤在采空區(qū)內(nèi)的空間分布規(guī)律，在采空區(qū)中遺煤厚度從下到上逐漸減小。

3)分析了N2和CO2的惰化特性，結(jié)合傾斜工作面特點提出了復(fù)合惰化技術(shù)，同時進行了對比模擬實驗分析，探究了單一注惰和復(fù)合注惰的效果差異，并進行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，傾斜工作面綜放采空區(qū)復(fù)合惰化技術(shù)有著良好的防滅火效果。