特厚煤層綜放工作面采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的反演研究

特厚煤層綜放工作面采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的反演研究

0采空區(qū)“三帶”漏風(fēng)量的確定空白區(qū)域氧化帶的泄漏風(fēng)是氧化自發(fā)帶中o2的主要來源，是導(dǎo)致空白區(qū)域生成礦渣的直接原因。泄漏量是生產(chǎn)中有效防止滅火設(shè)備的主要依據(jù)。因此,準確測得采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量對于控制采空區(qū)遺煤自燃具有重要意義。由于采空區(qū)的復(fù)雜性和隱蔽性以及自燃“三帶”劃分的不規(guī)則性,要確定采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風(fēng)量是非常困難的。目前國內(nèi)外尚無較好方法確定這種漏風(fēng)量,一般是依據(jù)經(jīng)驗,取工作面供風(fēng)量的0.5%～2%。這就使得現(xiàn)有的很多防滅火技術(shù)工作缺乏依據(jù),一些參數(shù)的確定達不到經(jīng)濟合理的要求,造成防滅火效果差或成本高的后果。反演計算方法可以根據(jù)事物所表現(xiàn)的現(xiàn)象反求其各種參數(shù),在巖土工程設(shè)計與施工中得到廣泛應(yīng)用,工作人員可根據(jù)巖體受力后發(fā)生的變形量,通過彈性模量等參數(shù)反算巖體的受力情況。筆者將以平煤集團六家礦某綜放工作面為例,根據(jù)采空區(qū)注氮前后其自燃帶內(nèi)氧含量變化這一表象,利用反演計算方法,通過注氮量及“三帶”劃分指標等參數(shù),反算采空區(qū)內(nèi)氧化帶的漏風(fēng)量,為采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的確定提供一種新的思路。1計算原理1.1漏風(fēng)和幼煤中的氧漂采空區(qū)自燃“三帶”的劃分:①在散熱帶內(nèi)漏風(fēng)比較嚴重,混合氣體中氧含量較高,但由于其間的漏風(fēng)風(fēng)速比較大,氧化所產(chǎn)生的熱量絕大部分隨漏風(fēng)帶走,一般不會發(fā)生自燃。②在氧化自燃帶內(nèi)冒落體逐漸被壓實,漏風(fēng)隨之減小,并呈層流狀態(tài),一方面適量漏風(fēng)不足以帶走過多的氧化熱,另一方面漏風(fēng)又攜帶著足夠的O2供給遺煤,最終將可能發(fā)展到激烈氧化階段,出現(xiàn)煤自燃的現(xiàn)象。③在窒息帶內(nèi),由于沒有足夠的O2存在,不容易出現(xiàn)自燃現(xiàn)象?！叭龓А眲澐值囊罁?jù)為,散熱帶:漏風(fēng)風(fēng)速大于0.02m/s;窒息帶:O2體積分數(shù)小于惰化防火指標;氧化自燃帶:(漏風(fēng)風(fēng)速小于0.02m/s)∩(O2體積分數(shù)大于惰化防火指標),惰化防火指標一般取氧含量7%～10%。1.2注氮流量的計算方法采空區(qū)注氮防滅火的主要原理是:將N2送入指定的區(qū)域、使該區(qū)域內(nèi)O2含量下降,小于煤炭自燃的臨界氧含量,從而防止煤炭氧化自燃。防火注氮流量的計算方法很多,《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》推薦的計算方法為按采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量計算,其余的計算方法僅作參考。該法計算的實質(zhì)是將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧含量降到防火惰化指標以下,按下式計算注氮流量:QN=60Q0kC1?C2CN+C2?1(1)QΝ=60Q0kC1-C2CΝ+C2-1(1)式中:QN為注氮流量,m3/h;Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量,m3/min;C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧含量,一般為7%～21%;C2為采空區(qū)惰化防火指標,一般為7%～10%;CN為注入N2中的N2純度,一般為97%～99%;k為備用系數(shù),一般取1.2～1.5。其中注氮流量和N2純度可根據(jù)工作面防火實際注氮情況確定,采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧含量可根據(jù)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法得出,采空區(qū)惰化防火指標可應(yīng)用試驗得出,備用系數(shù)取中間值,采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風(fēng)量可通過該計算公式在確定其他參數(shù)后反演得出。2使用示例2.1熱重分析和試驗結(jié)果選取平煤集團六家礦WⅡN16-7綜放工作面為試驗工作面。其煤層厚度3.8～6.0m,平均4.94m,煤層傾角3～21°。工作面走向長977m,傾向?qū)?27.8m,采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法。試驗采取該工作面煤樣,在STA449C型TG/DAT綜合熱重分析儀上對煤樣進行熱重分析。試驗條件為:煤樣顆粒度小于50目,升溫速率5℃/min,反應(yīng)氣體為不同比例的N2和O2的混合氣體。當混合氣體中O2體積分數(shù)為21%時,得到的TG-DSC曲線如圖1所示。由圖1a可知,煤體溫度25～147.3℃為失重階段,147.3～215.6℃為氧化增重階段,215.6℃以后為著火燃燒階段。試驗結(jié)果表明,該綜放工作面煤樣在空氣中能夠與O2發(fā)生氧化反應(yīng),生成氧化產(chǎn)物使自身重量增加,屬于能夠自燃的煤層。用相同的試驗方法,通入O2體積分數(shù)為10%的N2,O2混合氣體進行熱重分析,試驗結(jié)果如圖1b所示。由圖1b可知,整個試驗過程沒有出現(xiàn)增重階段,說明通入O2體積分數(shù)為10%的混合氣體不能維持煤樣的氧化自燃反應(yīng)。圖1c為只通入N2時煤樣熱重曲線,可以看出此時整個試驗過程也未出現(xiàn)煤樣的增重,與通入體積分數(shù)為10%混合氣體時的情形相同。試驗結(jié)果說明,煤樣在通入O2體積分數(shù)為10%的混合氣體時不能發(fā)生氧化自燃。因此,可將10%氧含量定為WⅡN16-7綜放工作面采空區(qū)惰化防火指標。2.2數(shù)值計算結(jié)果由于采空區(qū)氧化帶劃分指標有漏風(fēng)風(fēng)速,而采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速的實測非常困難,因此,一般采用數(shù)值模擬的方法確定。然而單純的數(shù)值模擬往往存在較大誤差。因此,文中采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來確定采空區(qū)氧化帶范圍。首先在工作面支架尾梁下方埋設(shè)束管,127.8m共埋設(shè)6個測點,對工作面在注N2情況下采空區(qū)氣體濃度進行實測。根據(jù)實測結(jié)果建立計算模型,對采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速及不注氮情況下氧化帶范圍進行數(shù)值計算。采空區(qū)走向長為130m,工作面長度為128m,進回風(fēng)巷寬度各5m,工作面巷道寬度4m,工作面寬度為5m,建立一源一匯的二維模型,將坐標原點定在工作面下端頭入風(fēng)側(cè),指向采空區(qū)的方向為Y軸正方向,指向工作面傾斜方向為X軸正方向,2個方向的步長均取0.5m,網(wǎng)格數(shù)量共計69680個,如圖2所示。工作面進風(fēng)量根據(jù)現(xiàn)場實際取QA=710m3/min;運輸巷斷面積為11.2m2,因此,入風(fēng)風(fēng)速計算可近似為1m/s。模擬試驗中所建立起的采空區(qū)二維模型在現(xiàn)場實測的基礎(chǔ)上考慮綜放采空區(qū)特點:采空區(qū)劃分為劃分自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū),且綜合考慮2巷不放煤和“O”型圈漏風(fēng)的存在。對采空區(qū)氧濃度分布進行數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。對采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速的模擬結(jié)果如圖4所示,劃分指標0.02m/s漏風(fēng)風(fēng)速等值線在工作面2巷位置向采空區(qū)深入范圍大,而在工作面中部則向采空區(qū)深入范圍小。根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”劃分指標:散熱帶漏風(fēng)風(fēng)速大于0.02m/s;窒息帶O2體積分數(shù)小于10%;氧化自燃帶(漏風(fēng)風(fēng)速小于0.02m/s)∩(O2體積分數(shù)大于10%)。從圖4可以看出,六家礦氧化自燃帶主要分布在距離工作面煤壁10～102m,距離進風(fēng)側(cè)煤壁約20m處,氧化自燃帶范圍為25～102m,從工作面中部靠近回風(fēng)側(cè)隨著氧含量的下降逐漸變小。2.3氧含量變化情況要得到氧化帶內(nèi)混合氣體中氧含量的平均值,就要得出該區(qū)域內(nèi)氧含量分布的數(shù)學(xué)模型,然后根據(jù)“三帶”劃分的邊界,確定自變量取值范圍,進行積分計算。由于二維平面擬合方程形式較為復(fù)雜,并且誤差較大,因此,文中采用截面法,在一維空間內(nèi)進行方程擬合。在距工作面進風(fēng)側(cè)煤壁20m處取截面,由于“O”型圈漏風(fēng)的存在,此處氧含量較高,相應(yīng)自燃帶寬度最大,如圖5所示。以此作為氧化自燃帶內(nèi)平均氧含量計算斷面,該截面距工作面不同距離的氧含量,見表1。表1中數(shù)據(jù)為非線性遞減關(guān)系,可采用多項式擬合方式得出氧含量隨工作面距離變化方程。選用二次多項式進行擬合。擬合結(jié)果如圖6所示。擬合方程為:y=-0.0007x2-0.035x+21.3698在距離工作面入風(fēng)側(cè)煤壁20m處,自燃帶寬度為25～102m,采用定積分方法求得該范圍內(nèi)氧含量的平均值為:1102?25∫10225?0.0007x2?0.035x+21.3698dx1102-25∫25102-0.0007x2-0.035x+21.3698dx=15.98計算得到的采空區(qū)氧化帶內(nèi)空氣中平均氧含量15.98%在10%～21%之間,非常接近區(qū)間算數(shù)平均值15.5%?，F(xiàn)場實測該截面處距工作面不同距離氧含量變化情況如圖7所示。圖7中數(shù)據(jù)為非線性遞減關(guān)系,采用指數(shù)方程擬合方式,應(yīng)用最小二乘法求出方程系數(shù),得到氧含量變化方程。最小二乘法擬合出的指數(shù)方程:y=21.3454e-0.0092x在距離工作面入風(fēng)側(cè)煤壁20m處,自燃帶寬度為25～102m,采用定積分方法求得該范圍內(nèi)氧含量的平均值為:1102?25∫1022521.3454e?0.0092xdx=12.151102-25∫2510221.3454e-0.0092xdx=12.152.4采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量計算六家礦現(xiàn)有注氮設(shè)備注氮流量為390m3/h,采用埋管注氮的方法在進風(fēng)側(cè)埋入采空區(qū)氧化帶注氮。由以上計算可知,距離工作面入風(fēng)側(cè)煤壁20m斷面處氧含量平均值為12.15%,代入式(1)可反算求得采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量為:QN=60Q0kC1?C2CN+C2?1390=60×Q0×1.4×12.15%?10%97%+10%?1QΝ=60Q0kC1-C2CΝ+C2-1390=60×Q0×1.4×12.15%-10%97%+10%-1Q0=15.12(m3/min)Q0=15.12(m3/min)根據(jù)以上分析計算可知,試驗工作面在供風(fēng)量為710m3/min條件下,采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量為15.12m3/min,約占總供風(fēng)量的2.1%,該參數(shù)可為防滅火技術(shù)的實施提供參考。3計算與結(jié)果分析1)注氮前后采空區(qū)氧化帶混合氣體中氧含量的變化是一個重要的表象,采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量可