王玉怀，屈艳阳，董佳瑶

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

采空区煤自燃防治多采用灌浆、注惰性气体、均压通风、喷洒阻化剂等[1-5]技术，其中传统的灌浆防灭火技术虽然工艺简单，成本较低，可以有效惰化，但无法及时灭火，效果不佳；喷洒阻化剂防灭火技术材料丰富，可以阻止氧化作用，但该技术可能会腐蚀井下设备，失水后将会促进煤自燃。而注氮防灭火技术具有抑爆、工艺可靠，对井下设备无腐蚀，防灭火效果显著等优势，且其是通过向采空区注入氮气来排除采空区中所含的空气，降低采空区内部氧气的浓度，相对减缓或阻止了煤氧反应，从而有效减少采空区遗煤自燃的事故发生[6-7]。

红树梁煤矿6煤层为易自燃煤层，煤层埋藏浅易造成地面漏风，采用放顶煤开采采空区遗煤多，可能形成比较严重的自然发火隐患，且相邻矿井开采6煤层时出现多次采空区遗煤氧化现象。因此，工作面开采过程中采用注氮防灭火技术防治采空区遗煤氧化自燃。

1 工作面概况

红树梁矿位于内蒙古准格尔旗，年生产能力500万吨，6102工作面为红树梁矿首采工作面，该工作面位于该煤矿6号煤层，布置在井底车场北侧的一盘区西翼，工作面垂直与大巷东西向布置。工作面以西为6煤风氧化带，东为6号煤北翼辅运大巷，北为6103设计工作面，南为3号探巷。工作面上部4煤、5煤、6-1煤风氧化，无采掘工程，下部9煤无采掘工程。

6102工作面煤层倾角 2° ～14°，煤层厚度 3.25～12.70 m，平均厚度为 7.25 m，采用综采放顶煤开采、全部陷落法管理顶板，设计机采高度为3.8 m，放煤高度平均为3.45 m，采放比平均为1∶0.908; 放煤高度最大为 8.9 m，采放比最大为 1∶2.342。工作面通风量为17 m3/s，绝对瓦斯涌出来为2.83 m3/min。6102工作面沿煤层底板布置两条巷道，即胶运顺槽、辅运顺槽。切眼位于主(辅)运巷与停采线交叉点往西845 m处，顺煤层倾向布置。6102胶运顺槽为进风巷，6102辅运顺槽为回风巷，形成6102工作面通风系统。其中，工作面进风巷长1140 m，断面为5.5 m×3.8 m。工作面回风巷长1224 m，断面为5 m×3.8 m。工作面为260.0 m。断面为11 m×3.8 m。

2 采空区自燃“三带”划分方法

煤自身氧化加速过程分为三个阶段，其中煤炭自燃是最后阶段，主要是由于多因素共同作用而导致的，其结果发生具有必然性和偶然性。煤发生自燃必须同时具备四个条件——煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积、有连续的通风供氧条件、热量易于积聚和持续一定的时间，这反映了煤自燃的必然性[8]。但是煤自燃究竟何时何地何种因素的共同作用下才会发生，这都是不可预估的，这就是煤自燃的偶然性。

根据煤自燃的基本条件，采空区煤炭氧化自燃区域大体可划分为三个带，即采空区煤炭氧化自燃“三带”——散热带、氧化带和窒息带，见图1。

图1 采空区氧化自燃“三带”示意图

(1) 散热带。在此范围内，虽然有氧化条件，但漏风流速大，达不到蓄热条件，不会发生煤炭自燃。

(2) 氧化带。在此范围内，漏风减少，具备蓄热条件，又有充足的供氧条件，故煤炭容易自燃。

(3) 窒息带。在氧化带之后，采空区冒落的岩石被压实，漏风微弱，且氧气浓度下降到8%～10%以下。在氧化带已自燃的煤炭到了窒息带也因缺氧而窒息熄灭[9]。

“三带”是客观存在的，但如何划分有一定的困难。由于探测手段和方法的局限，想要定量的准确划分是难以做到的[10]。划分自燃“三带”通常有三种标准，即以采空区内的漏风风速、氧气浓度和升温率来划分[11-13]。

(1) 根据测点的升温特征划分

在采空区某区域升温率大，反映了该区域危险性大，根据升温率这一指标，可以圈划出可能自燃氧化带宽度。以升温率可能出现大于等于1℃/d的区域作为划分标准，但目前应用不是很广泛。

(2) 按照采空区内漏风风速划分

散热带内采空区内漏风风速大于0.24 m/min；氧化带内采空区漏风风速在0.1～0.24 m/min之间；窒息带漏风风速小于0.1 m/min。

(3) 按照氧气浓度划分

散热带内氧气浓度大于18%；氧化带内氧气浓度介于8%～18%之间；窒息带内氧气浓度低于8%。

3 建立几何模型

3.1 建立几何模型及网格划分

根据红树梁矿6102工作面的有关参数，本文中选择工作面、进风巷、回风巷和采空区作为物理模型，如图2所示。

相关巷道几何尺寸见表1。

表1 计算模型结构及几何参数

3.2 边界条件及参数设置

在模拟过程中，设置进风巷为速度入口，进口速度根据工作面实际的进风量计算出进风速度，进风速度为0.95m/s，回风巷设置为压力出口。针对进风巷道中气体的组分，氧气浓度为21%。选择标准k-epsilon、组分运输和能量方程模型。其中，混合物为methane-air，考虑重力作用。同时将采空区设置为多孔介质区域，关键参数如粘性阻力系数，遗煤耗氧速率等，均以用户自定义UDF函数的形式编译加载到FLUENT中进行求解，且各值的收敛标准均为前后两次迭代值差小于0.001。计算边界条件，见表2。

表2 计算边界条件

(1) 风流在采空区中动量守恒方程

(1)

其中，当气体为不可压缩气体时，黏性应力张量

惯性阻力因子

式中，φ为孔隙率，%；ρ为气体密度，kg/m3；V为速度矢量，m/s；P为压力，Pa；gn为重力加速度，m/s2；μ为采空区气体的动力黏度，kg/m·s；ν为空气的运动黏性系数，m2/s；Kp为渗透率，m2。

(2) 能量守恒方程

(2)

式中，T为流体的温度，K；cp为定压比热容，J/(kg·K)；K为热传导系数，W/(m·K)；ST为黏性扩散项；x、y、z为采空区内某点的坐标值，m。

(3) 组分气体浓度方程

(3)

式中，ρfYi为组分i的质量浓度，kg/m3；Yi为氧气的质量分数；D为采空区氧气扩散系数，一般取2.88×10-5m2/s；u、v、ω为速度矢量在x、y、z方向上的分量，m/s；Si为源项，i=1，2(S1为计算瓦斯浓度时的源项；S2为计算氧气浓度时的源项，表示耗氧速度)。

4 模拟结果分析

4.1 最佳注氮位置

要想使防灭火的效果达到理想状态，首先确定合理的注氮位置是至关重要的，其中最关键的距离就是注氮孔到工作面的垂直距离。如果注氮孔的位置离工作面较近时，大量的氮气将扩散到工作面，无法稀释采空区的氧气，导致资源浪费，增加成本；如果距离工作面太远时，大量氮气将进入窒息带，无法对防灭火起到作用。

通过数值模拟方法，得到红树梁煤矿6102工作面采空区“三带”范围为：回风巷侧散热带：0～20 m，氧化带：20～45 m，窒息带：45 m以上；进风巷侧散热带：0～73 m，氧化带：73～92 m，窒息带：92 m 以上。根据采空区注氮防灭火原理以及一些学者的研究[14-16]，可知，合理的注氮释放口位置应在采空区氧化带之内，因此将注氮孔设置于进风巷一侧，深入采空区75 m。在现场注氮时，注氮管路沿底板布置，注氮管径为φ108 mm。

4.2 不同注氮量对采空区“三带”的影响

取Z=1平面为截面，得到不同条件下采空区“三带”分布云图，如图3所示。

图3 不同注氮量对采空区氧化带的影响

由图3可得出，不同注氮量条件下6102工作面采空区煤自燃“三带”的范围，其结果见表3。

表3 不同注氮量对采空区“三带”分布的影响

由图3和表3可以看出，通过对采空区进行注氮，采空区氧化带范围逐渐缩小；注氮后采空区氧化带范围与未注氮采空区氧化带的范围相比，有较明显的变化。随着注氮量的增大，进风侧氧化带的变化不大；回风侧氧化带则有所前移，其氧化带宽度减小且缩短程度降低；采空区中部的氧化带与窒息带交界处有所前移，并且其氧化带的范围减小。模拟结果显示，注氮量为400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h时相应的采空区中部氧化带宽度分别为22 m、20 m、17 m。可以看出，注氮量为400 m3/h与注氮量为500 m3/h相比，氧化带的宽度有所减小但总体变化不大，但回风侧氧化带与散热带的交接点前移，且向深部移动5 m。

综上所述，可以得出：红树梁矿6102工作面的最佳注氮位置应位于距离工作面约75 m处，合理注氮量为500 m3/h。此时，氧化带的宽度在进风侧由19 m降至8 m，采空区中部由31 m降至20 m，回风侧由25 m降至17 m。现场对采空区进行注氮，注氮量为500 m3/h，6102工作面自2021年5月开始回采至今，没有出现采空区遗煤氧化现象。

5 结论

(1) 根据红树梁矿6102工作面相关参数建立物理模型，对未注氮条件下的采空区“三带”进行研究，得到了采空区后方的最佳注氮位置。

(2) 对不同注氮量情况下采空区“三带”分布进行了研究，研究结果表明：随着注氮量的增大，进风侧氧化带分布的变化不大；回风侧氧化带则有所前移，其氧化带宽度减小且缩短程度降低；采空区中部的氧化带与窒息带交界处有所前移，并且其氧化带的范围减小。根据模拟分析结果，确定工作面注氮量为500 m3/h。

(3) 合理的注氮位置和注氮量可以缩短采空区氧化带宽度，降低采空区煤炭自燃风险，通过对采空区注氮，6102工作面自2021年5月开始回采至今，没有出现采空区遗煤氧化现象。