CN102809394A - 一种采空区氧化带漏风量的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种采空区氧化带漏风量的确定方法，属于煤矿井下煤自燃灾害防治技术领域。本发明包括：一、确定注氮流量；二、对采空区埋设束管进行气体成分观测，确定每一测点氧浓度的变化；三、建立数值计算模型，利用数值模拟的方法确定不注氮条件下采空区内氧浓度分布和漏风风速；四、采取本工作面煤样进行热重实验，得到没有发生增重现象时的氧浓度值，作为采空区惰化防火指标；五、对采空区自燃三带进行划分；六、选择采空区内氧化带宽度最大的断面，根据现场实测氧浓度分布结果拟合方程，模拟采空区自燃三带划分结果确定边界，求出此断面在氧化带内的平均氧浓度；七、确定工作面实际注氮过程中氮气纯度；八、根据注氮量计算公式确定采空区氧化带漏风量。

Description

一种采空区氧化带漏风量的确定方法

技术领域

本发明属于煤矿井下煤自燃灾害防治技术领域，特别是涉及一种采空区氧化带漏风量的确定方法，主要用于煤矿矿井回采工作面采空区遗煤自燃的防治。

背景技术

煤自燃灾害是煤矿的主要灾害之一，煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO₂和SO₂等有毒有害气体，危害工人的健康和生命，污染环境；还能够诱发瓦斯、煤尘爆炸事故的发生，是阻碍煤矿安全生产的重大灾害。其中，采空区煤自燃由于其具有的隐蔽性强，火源位置难以确定，人员无法接近等特点，危害更为巨大。

煤炭自燃是一个复杂的过程，受着多种因素的影响，但煤炭自燃必须具备以下条件：（1）煤有自燃倾向性，且以破碎状态存在；（2）有连续的供氧条件；（3）有积聚氧化热的环境；（4）上述三个条件持续足够的时间。相应的煤自燃的防治也是从这几个关键因素出发，分别可以采取改变煤自燃特性、控制漏风降低氧浓度和冷却降温这几方面入手。对于长壁工作面采空区，通常根据通风条件和漏风状况，将采空区的自燃状态划分为三个带，如图1所示：（1）散热带；（2）自燃带；（3）窒息带。在散热带内漏风比较严重氧浓度较高，但由于其间的漏风风速比较大，氧化所产生的热量绝大部分随漏风带走，一般不会发生自然发火；而在氧化自燃带内冒落体逐渐被压实，漏风随之减小，并呈层流状态，一方面适量漏风不足以带走过多的氧化热，使这一区域具有了自然发火的蓄热条件，另一方面漏风又携带着足够的氧气供给遗煤，使其又具有自然发火的供氧条件，最终将可能发展到激烈氧化阶段，出现煤自燃的现象；窒息带由于没有足够的氧气存在因此也不容易出现自然发火现象。因此，根据前人研究成果，采空区自燃三带划分的依据为，散热带：漏风风速＞1.2m³/min·m²（0.02m/s）；窒息带：氧浓度<7～10%；氧化自燃带：漏风风速＜1.2m³/min·m²（0.02m/s）∩氧浓度＞7～10%。

由以上分析可知，在煤具有自燃倾向的情况下，采空区自燃带内的漏风量是引发煤自燃的关键因素。要确定整个采空区的漏风量一般比较容易，可以通过现场实测或通过失踪气体确定。这其中大部分漏风是在散热带内流过的，只有一少部分流入氧化自燃带。然而，由于采空区的复杂性和隐蔽性以及自燃三带划分的不规则性，要确定采空区氧化自燃带内的漏风量却是非常困难的，传统方法是依据经验取工作面供风量的0.5%～1%，缺乏科学依据。对于采空区遗煤自燃这一关键影响因素，如果不能科学合理的确定其大小，势必影响之后的防灭火技术工作，造成现有的很多防灭火技术工作缺乏依据，一些参数的确定达不到经济合理，造成了防灭火效果差或成本高的后果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种采空区氧化带漏风量的确定方法。由于采用直接测定的方法确定采空区氧化自燃带漏风量很难实现，因此本发明通过间接测量其它数据反算求出采空区氧化自燃带漏风量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种采空区氧化带漏风量的确定方法，具体包括如下步骤：

步骤一：根据防灭火设计及现场实际使用注氮机情况确定注氮流量；

步骤二：对采空区埋设束管进行气体成分观测，测点布置要平行于工作面，并且要分布于采空区中部；束管埋设完成之后，对采空区内气体成分进行连续观测，确定每一测点氧浓度的变化；

步骤三：根据采空区氧浓度实测结果，结合工作面开采情况和通风情况，建立数值计算模型，利用数值模拟的方法确定不注氮条件下采空区内氧浓度分布和漏风风速；

步骤四：在实验室利用热重实验方法，采取本工作面煤样进行煤氧化热重实验；分别通入不同浓度的氧气和氮气的混合气体，得到没有发生增重现象时的氧浓度值，以此作为采空区惰化防火指标；

步骤五：根据数值模拟结果和实验室实验结果，利用采空区自燃三带划分依据对采空区自燃三带进行划分；

步骤六：选择采空区内氧化带宽度最大的断面，根据现场实测氧浓度分布结果拟合方程，利用步骤三中建立的数值计算模型模拟采空区自燃三带划分结果确定边界，求出此断面在采空区氧化带内的平均氧浓度；

步骤七：确定工作面实际注氮过程中氮气纯度；

步骤八：根据注氮量计算公式确定采空区氧化带漏风量：

$Q_N=60Q_{0}k\frac{C_1-C_2}{C_N+C_2-1}---\left(1\right)$

式中：Q_N-注氮流量；

Q₀-采空区氧化带漏风量；

C₁-采空区氧化带内平均氧浓度；

C₂-采空区惰化防火指标；

C_N-注入氮气中的氮气纯度；

k—备用系数。

步骤五中所述的采空区自燃三带划分依据为：

散热带：漏风风速＞1.2m³/min·m²；

窒息带：氧浓度<采空区惰化防火指标；

氧化自燃带：漏风风速＜1.2m³/min·m²∩氧浓度＞采空区惰化防火指标。

所述的采空区惰化防火指标为7～10%。

采空区氧化带漏风量是采用注氮防火技术的一个重要依据。采空区注氮防灭火的一般方法是：在工作面进风侧向采空区埋入注氮管路，当管口埋入到一定深度（即采空区中散热带与氧化带交界处）开始注氮，目的是为降低氧化带内氧含量，防止这一区域内煤自燃氧化。当采煤工作面采用埋管注氮防灭火技术方法时，可以通过现场实测再结合数值模拟和实验室实验的方法确定采空区氧化带漏风量。

本发明的有益效果：

通过本发明的采空区氧化带漏风量的确定方法，改变了传统采空区防灭火技术中利用经验确定方法的不足，科学合理的确定了该参数，为煤矿防灭火技术工作中既非常重要又很难解决的该参数的确定问题提供了一种方法。通过本发明首先能够使矿井防灭火工作更加科学合理，确定了准确的漏风量能够为防灭火技术工作提供指导，提高了矿井生产的安全程度；其次可以降低防灭火技术成本，根据本发明确定氧化带漏风量的方法，能够及时调整防灭火设计，使防灭火技术方法进一步优化，节约不必要的投入。总之本发明具有广泛的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是采空区自燃三带的分布示意图；

图2是本发明的实施例中束管观测点的布置示意图；

图3是本发明的实施例中现场实测采空区氧浓度分布等值线图；

图4是本发明的实施例中综放工作面采空区计算模型图；

图5是本发明的实施例中分别通入空气和10%氧气与氮气混合气体时煤样热重实验增重情况图；

(a)是通入空气时煤样热重实验增重情况图；

(b)是通入10%氧气与氮气混合气体时煤样热重实验增重情况图；

图6是本发明的实施例中数值模拟对不注氮条件下采空区自燃三带的划分结果图；

图7是本发明的实施例中实测注氮情况下距进风侧帮20m处氧浓度及拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种采空区氧化带漏风量的确定方法，具体包括如下步骤：

步骤一：首先依据现场煤层赋存自然条件情况，分别根据产量、瓦斯量和采空区漏风量的经验值及现场实际使用注氮机情况等确定工作面注氮流量；根据防灭火设计进行现场应用，在一综放回采工作面其注氮流量为390m³/h。

步骤二：对采空区埋设束管进行气体成分观测，测点布置要平行于工作面，并且要分布于采空区中部；根据工作面长度合理确定测点数量，采煤工作面长度：炮采工作面为80～150m；机采工作面为120～250m；针对不同长度的工作面一般可布置4～12个不同的测点，测点之间的间距一般为20m左右，由于长壁工作面采空区自然发火一般在进、回风两巷附近，因此工作面中部测点间距可长一些。

本实施例的综放回采工作面的长度为128m，共布置6个测点，间距为20m，工作面中部间距34m，测点布置如图2所示。

束管埋设完成之后，对采空区内气体成分进行连续观测，尤其注意确定每一测点氧浓度的变化，并且记录测点氧浓度随工作面推进的变化规律，得到观测结果如图3所示。

步骤三：根据采空区氧浓度实测结果，结合工作面开采情况和通风情况，通过Fluent软件建立数值计算模型，利用数值模拟的方法确定不注氮条件下采空区内氧浓度分布和漏风风速。

首先，建立物理模型。物理模型根据工作面的具体尺寸，基本的物理模型取：采空区走向长为130m，工作面长度为128m，进回风顺槽宽度4m，工作面宽度为5m，指向采空区的方向为Y轴正方向，指向工作面的方向为X轴正方向，两方向的步长均取0.5m，即网格大小为0.5m×0.5m，网格数量共计69,680个。由束管监测采空区氧浓度分布等值线图（即图3）可知，在距离工作面70m处氧浓度分布等值线加密，则可知工作面侧的压实区位于距离工作面煤壁70m处，因此，根据综放采空区特性，将采空区划分成图4所示的四部分：压实稳定区、载荷影响区、自然堆积区和工作面。

其次，对各个区域参数进行设定。采空区中三个部分为多孔介质区，区别在于空隙率，将三个区域空隙率分别设置为：压实稳定区空隙率取0.2，自然堆积区空隙率取0.38，载荷影响区空隙率取0.36，对比实测结果基本吻合。由于工作面空间存在支架立柱、梁、采煤机机组、人员设备等，增加了工作面通风阻力，并且上下巷由于煤层倾角存在位压差，实测上下端头压差为325Pa。为达到与实际相符的效果，将工作面也定义为多孔介质区，并视为均匀及各向同性的。

然后，定义基本控制方程。结合工作面开采情况和通风情况，工作面采用综放开采方法，配风量为710m³/h，建立数值计算模型，在软件中定义所用到的方程，流体流动的控制方程有：

1）质量守恒方程

流入控制体内的质量与流出控制体内的质量之差，等于控制体内部流体质量的增量，由此在直角坐标系下其二维简化的微分形式为：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+u\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;u}\right)}{\&PartialD;x}+v\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;v}\right)}{\&PartialD;y}=0$

式中：ρ——流体密度；

t——时间：

u、v——x和y方向的速度分量；

2）动量守恒方程

在惯性(非加速)坐标系中i方向上的动量守恒方程为：

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;}{u}_i\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x_i}\left({\mathrm{\&rho;u}}_i{u}_j\right)=-\frac{\&PartialD;P}{\&PartialD;x_i}+\frac{\&PartialD;{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ij}}}{\&PartialD;x_j}+\mathrm{\&rho;}{g}_i+F_i$

式中：ρ——流体密度；

t——时间：

u——x方向的速度分量；

p——静压；

τ_ij——应力张量；

g_i,F_i——i方向的重力体积力和外部体积力。

3）能量守恒方程

将热力学第一定律用于流体运动，能量方程表示如下：

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;E}\right)+\frac{\&PartialD;}{{\&PartialD;x}_i}\left[u_i(\mathrm{\&rho;E}+p)\right]=\frac{\&PartialD;}{{\&PartialD;x}_i}[k_{\mathrm{eff}}\frac{\&PartialD;T}{{\&PartialD;x}_i}-\underset{j^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{j^{\&prime;}}{J}_{j^{\&prime;}}+u_j{\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ij}}\right)}_{\mathrm{eff}}]+S_h$

式中：ρ——流体密度；

t——时间：

p——静压；

u——x方向的速度分量；

(τ_ij)_eff——有效应力张量；

k_eff——有效热传导系数，（k_eff=k+k_t，其中k_t是湍流热传导系数，根据所使用的湍流模型来定义，k是物质的热传导系数）；

J_j′——组分j′的扩散流量；

S_h——包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项；

T——温度；

E——单位质量流体的总机械能；

$E=h-\frac{p}{\mathrm{\&rho;}}+\frac{u_i^2}{2}$

其中，理想气体的焓定义为：

$h=\underset{j^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{m}_{j^{\&prime;}}{h}_{j^{\&prime;}}$

m_j′——组分j′的质量分数，而

$h_{j^{\&prime;}}={\&Integral;}_{T_{\mathrm{ref}}}^T{c}_{p,j^{\&prime;}}\mathrm{dT}$

式中，c_p,j′——组分j′的比热容；

其中，T_ref为298.15K。

4）物质输运方程

Fluent通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Y_i。守恒方程采用以下的通用形式：

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;}{Y}_i\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;}\stackrel{\&RightArrow;}{v}{Y}_i\right)=-\&dtri;{\stackrel{\&RightArrow;}{J}}_i+R_i+S_i$

式中：ρ——流体密度；

t——时间：

Y_i——每种物质的质量分数；

v——y方向的速度分量；

R_i——化学反应的净产生速率；

S_i——离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率；

J_i——物质i的扩散通量，由浓度梯度产生。

5）湍流模型

本次模拟使用标准的k-ε模型，可满足工程要求。

6）耗氧速率采用用户自定义方程

由于综放工作面上下两端头各三部支架不放煤，试验矿综放面煤层厚度4.94m，根据工作面回采率计算，采空区两巷位置的浮煤厚度是中部位置的5～6倍，按设计回采率88%计算，模型定义的耗氧速率采空区左右边界以里10m范围内耗氧速率是中部位置的5.4倍，根据以上分析使用UDF用户自定义函数来定义，采空区不同位置的耗氧速率符合以下方程：

$V\left(O_2\right)=-C\&times;\{1.4\&times;[\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\arctan (x^2-134x+1240)]+1\}$

式中，V(O₂)——耗氧速率；

C——采空区中部单位面积的耗氧速率。

本试验工作面煤低温氧化的耗氧速率为1×10^-5kg/(m³·s)。采空区深部“O”型圈漏风通道定义为自由流出边界和速度入口边界。如图4所示，根据建立的数值计算模型进行不注氮条件下采空区氧浓度分布的数值计算。

步骤四：在实验室利用热重实验方法，采取本工作面煤样进行煤氧化热重实验；分别通入不同浓度的氧气和氮气的混合气体；在合理范围内（氧浓度一般为7～10%）得到没有发生增重现象时的氧浓度值，以此作为采空区惰化防火指标。

本实施例分别通入空气和10%氧气与氮气混合气体，其煤样热重实验结果如图5所示。发现通入空气时煤样有增重现象，说明其在空气中能够氧化自燃。通入10%氧气与氮气混合气体时煤样没有发生增重现象，因此将10%氧浓度定为采空区惰化防火指标。

步骤五：根据数值模拟结果和实验室实验结果，利用采空区自燃三带划分依据对不注氮条件下采空区自燃三带进行划分；

所述的采空区自燃三带划分依据为：

散热带：漏风风速＞1.2m³/min·m²；

窒息带：氧浓度<10%；

氧化自燃带：漏风风速＜1.2m³/min·m²∩氧浓度＞10%，其划分结果如图6所示。

步骤六：选择采空区内氧化带宽度最大的断面，该断面距工作面进风侧煤壁20m，根据该断面现场实测注氮条件下氧浓度分布结果，选择几个氧浓度值及其对应的距工作面距离，根据散点的分布选择方程的形式，并确定方程的系数。拟合方程为：y=21.3454e^-0.0092x，如图7所示。利用步骤三中建立的数值计算模型模拟采空区自燃三带划分结果，根据氧化自燃带：漏风风速＜1.2m³/min·m²∩氧浓度＞采空区惰化防火指标，确定边界为25～102m，通过积分求出此断面在采空区氧化带内的平均氧浓度：

步骤七：根据工作面防火实际注氮情况确定工作面实际注氮过程中氮气纯度，本实施例中氮气纯度为97%；

步骤八：在分别确定以上参数后，根据MT/T701-1997《煤矿用氮气防灭火技术规范》标准中注氮量计算公式确定采空区氧化带漏风量：

$Q_N=60Q_{0}k\frac{C_1-C_2}{C_N+C_2-1}---\left(1\right)$

式中：Q_N—注氮流量，m³/h；

Q₀—采空区氧化带漏风量，m³/min；

C₁—采空区氧化带内平均氧浓度，7%～21%；

C₂-采空区惰化防火指标，7%～10%；

C_N-注入氮气中的氮气纯度，97%～99%；

k—备用系数，一般取1.2～1.5。

将以上参数带入到公式（1）中，算出采空区氧化带漏风量，为矿井防灭火技术工作提供支持。

$390=60\&times;Q_0\&times;1.4\&times;\frac{12.51\%-10\%}{97\%+10\%-1}$

，通过反算得到该工作面采空区氧化带漏风量为：

Q₀=15.12(m³/min)。

Claims (3)

1.一种采空区氧化带漏风量的确定方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤一：根据防灭火设计及现场实际使用注氮机情况确定注氮流量；

步骤二：对采空区埋设束管进行气体成分观测，测点布置要平行于工作面，并且要分布于采空区中部；束管埋设完成之后，对采空区内气体成分进行连续观测，确定每一测点氧浓度的变化；

步骤三：根据采空区氧浓度实测结果，结合工作面开采情况和通风情况，建立数值计算模型，利用数值模拟的方法确定不注氮条件下采空区内氧浓度分布和漏风风速；

步骤四：在实验室利用热重实验方法，采取本工作面煤样进行煤氧化热重实验；分别通入不同浓度的氧气和氮气的混合气体，得到没有发生增重现象时的氧浓度值，以此作为采空区惰化防火指标；

步骤五：根据数值模拟结果和实验室实验结果，利用采空区自燃三带划分依据对采空区自燃三带进行划分；

步骤六：选择采空区内氧化带宽度最大的断面，根据现场实测氧浓度分布结果拟合方程，利用步骤三中建立的数值计算模型模拟采空区自燃三带划分结果确定边界，求出此断面在采空区氧化带内的平均氧浓度；

步骤七：确定工作面实际注氮过程中氮气纯度；

步骤八：根据注氮量计算公式确定采空区氧化带漏风量：

$Q_N=60Q_{0}k\frac{C_1-C_2}{C_N+C_2-1}---\left(1\right)$

式中：Q_N—注氮流量；Q₀—采空区氧化带漏风量；C₁—采空区氧化带内平均氧浓度；C₂—采空区惰化防火指标；C_N—注入氮气中的氮气纯度；k—备用系数。

2.根据权利要求1所述的一种采空区氧化带漏风量的确定方法，其特征在于步骤五中所述的采空区自燃三带划分依据为：

散热带：漏风风速＞1.2m³/min·m²；

窒息带：氧浓度<采空区惰化防火指标；

氧化自燃带：漏风风速＜1.2m³/min·m²∩氧浓度＞采空区惰化防火指标。

3.根据权利要求2所述的一种采空区氧化带漏风量的确定方法，其特征在于所述的采空区惰化防火指标为7～10%。

Images