劉常玉

(西山煤電集團公司 職工教育培訓中心， 山西 太原 030053)

作為早期廣泛采用的自然發(fā)火防治措施，黃泥灌漿[1]是利用一定濃度的黃泥將采空區(qū)遺煤包裹起來，與氧氣隔絕，避免煤氧接觸反應，達到預防采空區(qū)遺煤自燃的目的。該措施持續(xù)防火時間較長，但制漿需要大量的黃泥且地面灌漿站的建設費用也很高，最重要的是該措施不適用于開采近水平煤層，因為漿體的流動性差，不能大面積覆蓋采空區(qū)遺煤。采空區(qū)注氮成為現(xiàn)階段被廣泛使用的防滅火措施。氮氣是惰性氣體，不可燃也不助燃，密度比空氣略小，開區(qū)注氮時需要持續(xù)地注入一定高濃度的氮氣才能預防采空區(qū)自燃。與灌漿措施相比，采空區(qū)注氮能減小漏入采空區(qū)的風量、降低氧化帶內(nèi)的氧濃度，從而惰化采空區(qū)、抑制遺煤氧化放熱反應。本文用數(shù)值模擬的方法定量地研究注氮對采空區(qū)自然發(fā)火的影響[2-4]，通過分析不同注氮深度下的注氮效果來確定合理的注氮點深度。

1 采空區(qū)自然發(fā)火模型及求解

采空區(qū)自然發(fā)火是采空區(qū)內(nèi)的氣體滲流、氧氣濃度、冒落煤巖中的氣體以及固體溫度等多場相互耦合[5]作用的結果。氣體的流動影響氧氣及氣體溫度的遷移與擴散，氧氣濃度影響遺煤氧化反應的放熱量從而對氣體溫度和冒落煤巖固體溫度產(chǎn)生作用，氣體與固體表面進行對流換熱而互相影響，氣體溫度導致空氣密度變化又返回來影響流場。因此，須將這4個場的數(shù)學方程聯(lián)合起來，建立多場耦合的采空區(qū)自然發(fā)火模型。

1.1 移動坐標系

井下正常生產(chǎn)時，回采工作面不斷向前推進，采空區(qū)內(nèi)各點相對于工作面向后移動。若以固定點為原點來確立采空區(qū)靜坐標系，所建立的采空區(qū)自然發(fā)火模型將是一個邊界不斷移動的非穩(wěn)態(tài)的偏微分方程組，數(shù)據(jù)處理復雜、計算量較大。通過引入移動坐標系[6]可以使原來靜坐標下的非穩(wěn)態(tài)方程組轉化為穩(wěn)態(tài)方程組，簡化了方程組的求解。以采煤工作面進風口為原點，沿工作面切頂線方向為y軸，向采空區(qū)縱深方向為x軸，這樣就建立了采空區(qū)移動坐標，它隨著采煤工作面的推進而移動,見圖1.采空區(qū)深部的窒息帶內(nèi)漏風速度幾乎為零，氧濃度很低，遺煤基本不再氧化放熱，溫度緩慢降低，可取距工作面后方一定深度為邊界，使采空區(qū)的解算區(qū)域大小固定。因此，在模型方程建立過程中，將采空區(qū)看成二維空間，從而使問題得到簡化。

圖1 采空區(qū)自然發(fā)火邊界條件圖

1.2 數(shù)學模型

設場中某一點M，任意取包含M的封閉曲線，其所圍面積為F，邊界為Γ. 在平面閉區(qū)域F上任取面積微元△S，根據(jù)質(zhì)量守恒及能量守恒原理來建立流場、氧濃度場及氣體和固體溫度場的積分方程。

1) 采空區(qū)漏風流場方程。

非注氮點處：

(1)

注氮點處：

(2)

式中：

vx、vy—沿x、y軸方向的氣體滲流速度，m/s；

ρg、ρN—分別為空氣與氮氣的密度，kg/m3；

qN—注氮量，m3/s；

p—壓力，Pa；

α—煤層的傾角，(°)；

K—滲透系數(shù)，m/s.

邊界條件：a)Γ1邊界上給定風壓值。b)Γ2、Γ3和Γ4邊界上漏風量為0. c) 注氮點處給定注氮流量。

2) 氧濃度場方程。

(3)

式中：

cO2—空氣中的氧氣摩爾濃度，mol/m3；

dO2—氧氣在空氣中的擴散系數(shù)，m2/s；

u(t)—不同溫度下煤樣的耗氧速率[6,7]，mol/(s·m3).

邊界條件：a)Γ1邊界給定氧濃度值。b)Γ2、Γ3和Γ4邊界上的氧氣擴散通量為0. c) 注氮點處的氧濃度值根據(jù)注氮濃度來確定，一般為2%～3%.

3) 冒落煤巖固體溫度場方程。

(4)

式中：

λs—冒落煤巖固體部分的導熱系數(shù)，J/(m·s·K)；

ts—固體部分的溫度，K；

tg—空氣溫度，K；

q(t)—不同溫度下煤樣的放熱量，J/(mol·s)；

Ke—固體部分與空氣的對流換熱系數(shù)，J/(m2·s·K)；

Sn—控制單元體的比表面積，m2/kg；

ρs—固體的密度，kg/m3；

Cs—固體部分的比熱，J/(kg·K)；

v0—工作面的平均推進速度，m/s.

邊界條件：a)Γ1邊界給定溫度值，等于原始巖溫。b)Γ4、Γ5、Γ6、Γ7、Γ8、Γ9以及Γ10為絕熱邊界。

4) 氣體溫度方程。

(5)

式中：

λg—冒落煤巖中氣體部分的導熱系數(shù)，J/(m·s·K)；

Cg—氣體部分的比熱，J/(kg·K).

邊界條件：a)Γ1邊界給定溫度值，等于工作面風溫。b)Γ2、Γ3和Γ4為絕熱邊界。c) 注氮點溫度等于進風風溫。

1.3 網(wǎng)格劃分及程序設計

利用三角形單元對解算區(qū)域按等比數(shù)列進行網(wǎng)格劃分，由于采空區(qū)內(nèi)靠采煤工作面、進回風巷煤柱附近的壓力、氧濃度以及溫度的變化較大，故劃分網(wǎng)格時對這些區(qū)域進行加密處理。為實現(xiàn)采空區(qū)的多場耦合解算，利用有限體積法離散方程組[8]，編制了解算程序，結構流程見圖2.

2 解算結果及分析

某礦采用綜合機械化放頂煤開采工藝，采空區(qū)遺煤較多，且工作面配風量較大?，F(xiàn)以該礦8101綜放面為例進行采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬。工作面長210 m，采空區(qū)深度取300 m，工作面平均推進速度4 m/d，兩端壓差121 Pa，進風溫度為20.5 ℃，原始巖溫為23.2 ℃，遺煤平均厚度為1.2 m，注氮量按設計要求取2 000 m3/h. 通過數(shù)值解算，得到注氮前后(穩(wěn)定時)的壓力場、氧濃度場以及冒落煤巖溫度場的分布情況，見圖2，其中L為注氮點深度。

圖2 注氮前后各場分布情況圖

從圖2中可以看出，注氮后采空區(qū)內(nèi)各處溫度值都顯著下降，高溫區(qū)域面積也明顯縮小。這是因為氮氣進入采空區(qū)后減小了漏入采空區(qū)的風量，有效地降低了采空區(qū)氧濃度，抑制了遺煤的氧化放熱反應，使得采空區(qū)溫度上升幅度較小。在氮氣注入后，采空區(qū)進風區(qū)域的壓力和氧濃度分布都受到很大的影響，注氮點附近的壓力值有所增大而氧濃度值卻大幅減小。隨著注氮深度的增加，高氧濃度區(qū)域的面積呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，而冒落煤巖的最高溫度值也表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢。

3 注氮點深度確定

注氮管路一般沿進風巷壁布置，隨著工作面的向前推進被埋入采空區(qū)，在注氮口被埋入一定深度后開始注氮，這個深度就是注氮點深度。事實上，注氮點深度是非常關鍵的技術參數(shù)，若選擇不好，輕則會影響防火效果，重則發(fā)生氮氣泄露，造成工作面風流中的氧含量降低，將會嚴重威脅工人的生命健康。為此，采用數(shù)值模擬的方法來研究合理的注氮點深度，注氮量為2 000 m3/h，注氮深度分別被設定為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m、60 m、70 m和80 m，注氮點深度與采空區(qū)最高溫度的對應曲線圖見圖3.

圖3 注氮點深度與采空區(qū)最高溫度的對應曲線圖

從圖3可以看出，隨著注氮點的加深，采空區(qū)最高溫度值呈現(xiàn)先下降、后上升的“V”型分布，在40 m時，達到其最小值。這說明當注氮深度為40 m時，所注入的氮氣能在最大范圍內(nèi)惰化采空區(qū)、抑制遺煤的溫度上升。當注氮深度為20 m時，見圖2b)，所注入的氮氣只降低了注氮點附近的冒落煤巖溫度，而對采空區(qū)深部以及回風處的溫度分布幾乎沒有影響。其主要原因是注氮深度過淺，大部分氮氣沒能進入到采空區(qū)而流到工作面，不但沒有惰化采空區(qū)，還可能降低工作面氧濃度，危害工人生命健康。當注氮深度遠大于40 m時，注氮深度越大，覆蓋的氧化帶范圍越小，見圖2d)，圖2e)，進風側采空區(qū)的淺部區(qū)域內(nèi)的氧濃度較高，遺煤正常氧化放熱，導致采空區(qū)溫度升高。因此，該采空區(qū)最為合適的注氮點深度為40 m.

4 結 論

1) 建立了移動坐標下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學模型，編制了相應的解算程序，能實現(xiàn)注氮前后采空區(qū)內(nèi)流場、氧濃度場和溫度場的數(shù)值模擬，為分析研究注氮效果及選擇合理的注氮深度提供平臺。

2) 綜放工作面采空區(qū)的漏風量大、遺煤多、氧濃度分布范圍廣，發(fā)生自燃火災的概率更大。以某礦8101綜放面為例的采空區(qū)注氮數(shù)值模擬表明，注氮能有效地降低采空區(qū)自然發(fā)火危險。

3) 模擬結果表明，8101工作面的采空區(qū)最高溫度隨著注氮點的加深會呈現(xiàn)出先下降、后上升的“V”型分布。當注氮口處于40 m深時，能在最大程度上抑制該采空區(qū)的溫度上升。

4) 該最優(yōu)注氮深度的確定方法能推廣應用到其它礦井，不同礦井的現(xiàn)場情況不同，其最優(yōu)注氮深度也會有所不同。