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      姚橋煤礦采空區(qū)CO2防滅火的數(shù)值模擬分析

      2016-10-19 09:40:28姜二龍
      中國科技博覽 2016年18期
      關鍵詞:數(shù)值模擬

      [摘 要]本文為了有效杜絕姚橋煤礦7706工作面采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的事故,利用數(shù)值模擬分析的方法,建立了一組采空區(qū)壓注CO2氣體情況下的二維數(shù)值模型,合理分析了7706工作面采空區(qū)“三帶”的分布規(guī)律,根據(jù)實際情況說明了壓注CO2氣體防滅火的有效性。結果表明:向工作面采空區(qū)壓注CO2防滅火氣體,可以有效降低采空區(qū)的氧氣體積分數(shù),抑制采空區(qū)煤炭自燃。

      [關鍵詞]自然發(fā)火;數(shù)值模擬;CO2

      中圖分類號:TD75+3.3 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2016)18-0253-02

      0引言

      礦井火災是礦井生產(chǎn)工作中面臨的主要災害之一,我國每年都會發(fā)生多起井下火災事故,損壞電氣設備甚至造成人員傷亡,給礦井的正常生產(chǎn)工作帶來巨大的安全隱患[1]。因此,治理礦井火災尤其是采空區(qū)煤炭自然發(fā)火事故已成為研究礦山安全生產(chǎn)領域的重要組成部分。

      1 概況

      7706綜采放頂煤工作面位于東六采區(qū),7、8#煤層聯(lián)采,自燃傾向等級為Π類,煤層為自然煤層。工作面走向長度1285m,傾向長度:189m,煤層傾角:(1-17)/11°,煤層厚度為8m,設計采高8m,回采率85%。由于7706工作面煤層厚度大,推進速度慢,且有大量的煤炭遺落至采空區(qū)。因此,7706工作面面臨較為嚴重的防滅火形勢。

      目前,國內外學者就采空區(qū)煤炭自燃提出了一系列的解決方案,包括注漿、壓注惰性氣體、壓注三相泡沫、均壓、壓注凝膠等方式[2]。由于7706工作面大角度俯采、推進速度慢等客觀現(xiàn)實,采用CO2惰性氣體防滅火成為較為可行的方案[3]。

      2 采空區(qū)壓注CO2數(shù)值模擬

      2.1 數(shù)值模型的建立

      本文根據(jù)工作面的實際情況,利用Gambit軟件建立采空區(qū)數(shù)值模擬的模型,如圖1所示。工作面采用“U”型通風方式,傾向長189m,模擬空間為距工作面縱深300m的采空區(qū)范圍內。

      在建立幾何模型之后,對模型進行網(wǎng)絡劃分、邊界條件設定。設定條件為工作面入口風量1500m3/min,由進風隅角向采空區(qū)漏風,采空區(qū)內孔隙率設定為0.3。設定完各項參數(shù)后,對模型進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。

      2.2 數(shù)值模擬

      將模型導入Fluent數(shù)值模擬軟件,根據(jù)已設定的邊界

      參數(shù),進行數(shù)值模擬工作。

      模擬方案如下:

      (1) 工作面正常生產(chǎn)情況下,模擬采空區(qū)漏風并分析氧氣體積分數(shù)分布區(qū)域,大致判斷出采空區(qū)“三帶”分布情況,如圖3所示。

      ⑵根據(jù)模擬出的采空區(qū)“三帶”分布,確定CO2氣體釋放口的布置點為距進風隅角70m處。

      ⑶分析壓注CO2氣體對采空區(qū)氧氣體積分數(shù)的影響,進而分析壓注惰性氣體抑制采空區(qū)煤炭氧化反應的效果,如圖4所示。

      2.3 模擬效果分析

      根據(jù)模擬結果可以看出:

      (1) 風流由進風巷流入工作面,沿工作面進風隅角滲入采空區(qū),自采空區(qū)沿回風隅角滲出采空區(qū)。

      (2) 模擬結果表明,在未壓注CO2氣體的情況下,工作面風流最遠可滲入采空區(qū)約180m處。而根據(jù)最常用的采空區(qū)“三帶”劃分指標,由圖3中看出,采空區(qū)內的氧化帶寬度約為30m,冷卻帶的范圍較大。

      ⑶從圖4中可以看出,壓注CO2氣體后,采空區(qū)內的氧氣體積分數(shù)分布發(fā)生明顯的變化,氧化帶、冷卻帶的被大幅壓縮,約為采空區(qū)內90米處,窒息帶的范圍有明顯的擴大。

      ⑷通過模擬可以說明,采空區(qū)壓注CO2惰性氣體可

      以明顯降低采空區(qū)氧氣含量,如圖5所示。抑制了采空區(qū)遺煤氧化,保證工作面安全生產(chǎn)。

      3 現(xiàn)場實際應用

      7706工作面自2013年11月正式回采,日推進度約2.4m,由于煤層厚,日推進速度較慢,有大量煤炭遺落至采空區(qū)。因此,根據(jù)7706工作面的實際情況,于進風巷埋設4寸防滅火管路,隨采隨埋,保證管路釋放口位置在采空區(qū)氧化帶內?;仫L巷埋設束管監(jiān)測系統(tǒng),保證取得真實的采空區(qū)氣體數(shù)據(jù)。

      經(jīng)過連續(xù)多日的觀察,發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內及回風隅角的CO氣體濃度不斷上升,且采空區(qū)內的氧氣體積分數(shù)有下降趨勢。可以判斷采空區(qū)內煤炭正進行氧化反應,消耗大量O2并生成CO氣體。根據(jù)實際情況,于14日早班向采空區(qū)內壓注CO2惰性氣體。連續(xù)壓注兩天,共20噸。壓注前、后的氣體情況如圖6所示。

      可以看出,壓注CO2氣體后,采空區(qū)內CO有明顯的下降趨勢,有效地抑制了采空區(qū)內煤炭自然發(fā)火的趨勢。

      4 結論

      (1) 壓注CO2惰性氣體對抑制采空區(qū)煤炭自燃是有顯著效果的。

      (2) 壓注CO2惰性氣體可以大幅度地壓縮采空區(qū)內氧化帶的范圍,尤其是進風巷區(qū)域的氧化帶壓縮更為明顯。

      (3) 壓注釋放口應選在氧化帶內,這樣抑制煤炭氧化效果最好,且可以大大減少采空區(qū)的漏風量。

      參考文獻:

      [1] 王德明.礦井火災學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社.2008.

      [2] 王國旗,鄧軍,張辛亥.綜放采空區(qū)二氧化碳防滅火

      參數(shù)確定[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版, 2009, 28(2):169-172.

      [3] 李宗翔,單龍彪,張文君.采空區(qū)開區(qū)注二氧化碳防滅火的數(shù)值模擬研究[J].湖南科技大學學報(自然科學版), 2004,19(3):5-9.

      [4] 王俊峰,李有忠.注二氧化碳防火時采空區(qū)氣體變化與“三帶”分布狀況的檢測[J].太原理工大學學報, 2000, 31(6):638-641.

      [5] 張辛亥,劉燦,周金生,等.綜放面采空區(qū)流場模擬及自燃危險區(qū)域劃分[J].西安科技大學學報,2006,26(1):6-9.

      [6] 譚允禎,張東儉等.綜采放頂煤工作面采空區(qū)自燃區(qū)的劃分[J].山東科技大學學報(自然科學版),2001,21(1):69~71.

      作者簡介

      姜二龍(1981.03.15),男,漢族,江蘇沛縣人,大學文化,助理工程師,現(xiàn)從事大屯煤電公司姚橋煤礦“一通三防”工作。

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