鄒莊煤礦采空區(qū)CO涌出量預(yù)測模擬研究

孟 剛

(安徽神源煤化工有限公司鄒莊煤礦，安徽 淮北 235123)

煤自燃的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜而且極其緩慢的氧化過程，在低溫狀態(tài)下的煤自燃容易導(dǎo)致熱量聚集，使煤體溫度上升，最終導(dǎo)致自燃[1]。工作面采空區(qū)的遺煤自燃過程中，由于煤的氧化作用，能產(chǎn)生大量CO氣體，CO氣體能引起人員中毒，遇到火源能引起爆炸。本研究將采用現(xiàn)場分析和數(shù)值模擬的方法，建立實(shí)驗(yàn)室CO模型和采空區(qū)CO涌出量模型，從而對(duì)采空區(qū)中CO涌出量進(jìn)行預(yù)測。

1 采空區(qū)CO涌出預(yù)測數(shù)學(xué)模型

1.1 實(shí)驗(yàn)室CO理論模型

當(dāng)煤樣處于低溫氧化當(dāng)中時(shí)，煤體與氧氣保持接觸形成化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)以及物理吸附，如果煤體和氧氣接觸的面積越大，那么所能夠?qū)е碌幕瘜W(xué)反應(yīng)的概率就越大[2]。將煤樣的內(nèi)比表面積當(dāng)做是煤樣的比表面積，通過推導(dǎo)可以得出，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的煤體重量為G1的煤樣和氧氣保持接觸的表面積S1。

式中：

G1-煤樣重量，g；

Sn-煤樣內(nèi)表面積，m2；

d-平均當(dāng)量粒徑，m；

n-孔隙率；

ρ-密度, g/cm3。

CO的絕對(duì)量F1（m3/min）為：

式中：

CO1-實(shí)驗(yàn)室CO濃度，ppm；

Q1-實(shí)驗(yàn)空氣通氣量，m3/min。

1.2 采空區(qū)CO涌出數(shù)學(xué)模型

為建立采空區(qū)CO涌出數(shù)學(xué)模型，假設(shè)如下[3]：

（1）在現(xiàn)場工作面當(dāng)中的通風(fēng)形式為傳統(tǒng)的U型通風(fēng)結(jié)構(gòu)；

（2）在煤體中同一區(qū)域的煤體溫度和風(fēng)流的溫度保持一致；

（3）不考慮瓦斯等對(duì)工作面采空區(qū)的影響；

（4）采空區(qū)漏風(fēng)是穩(wěn)定的，漏風(fēng)量不變。

基于假設(shè)條件，將采空區(qū)當(dāng)中遺煤低溫氧化過程近似的當(dāng)做是在一個(gè)大的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上完成的煤樣低溫氧化過程?；谙嗨茰?zhǔn)則，即實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場相同的遺煤重量、表面積大小、漏風(fēng)總量以及空隙率，以此推導(dǎo)出現(xiàn)場預(yù)測模型。

式中：

I-工作面傾斜長度，m；

H-采空區(qū)高度，m；

L-最大寬度，m；

γ-煤體容重，t/m3；

C-回采率，%；

α-煤粒比表面積，m2/g；

CO2-現(xiàn)場CO濃度，ppm；

Q2-采空區(qū)漏風(fēng)量，m3/min。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場概況

淮北鄒莊煤礦3103工作面煤層具有自燃性，粉塵具有爆炸危險(xiǎn)性。該工作面采高H為3m，能夠氧化放熱的最大寬度L為80m，同時(shí)自燃帶和不自燃帶寬度之和為72m。工作面供風(fēng)量1397m3/min，煤體容重γ為1.45t/m3，采空區(qū)回采率C為90%，孔隙率為0.1。

2.2 采空區(qū)漏風(fēng)量的求解

為了有效分析3103綜采面采空區(qū)漏風(fēng)量，采用Fluent軟件進(jìn)行模擬，并對(duì)采空區(qū)中漏風(fēng)平均風(fēng)速進(jìn)行估測[4]。

表1 模擬參數(shù)表

采用GAMBIT建立采空區(qū)物理模型，如圖1所示，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。該模型將采空區(qū)簡化為長方體，坐標(biāo)原點(diǎn)取回風(fēng)巷邊界點(diǎn)，x軸取進(jìn)風(fēng)巷，y軸采空區(qū)深度方向，z軸取垂直于巷道底部方向，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

利用FLUENT進(jìn)行模擬，本次模擬將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，基于采空區(qū)當(dāng)中實(shí)際取得的參數(shù)來對(duì)實(shí)際物理模型當(dāng)中的多孔介質(zhì)阻力系數(shù)以及邊界條件采取精確呈現(xiàn)。通過FLUENT軟件對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出該工作面的采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)漏風(fēng)風(fēng)速的分析，可以對(duì)不同視角下的采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速圖進(jìn)行選取。采用Iso-Surface方法，取z=0，得到3103綜采面采空區(qū)風(fēng)速矢量圖，如圖3所示。

圖3 3103綜采面采空區(qū)風(fēng)速矢量圖(z=0)

由模擬計(jì)算結(jié)果可以得出：該工作面采空區(qū)中最大漏風(fēng)風(fēng)速為4.35e-5m/s，而最小風(fēng)速很小。所以得出采空區(qū)平均漏風(fēng)風(fēng)速為2.17e-5m/s。因?yàn)樵摴ぷ髅娌煽諈^(qū)最大氧化帶寬度為46m，而采空區(qū)在頂板以上10m處，孔隙率為0.1，那么得出采空區(qū)的漏風(fēng)截面積為46m2。根據(jù)得出的漏風(fēng)截面積以及實(shí)際孔隙率，可以得出引起采空區(qū)遺煤自燃漏風(fēng)量Q2=0.059892m3/min

2.3 CO預(yù)測指標(biāo)范圍的確定[5]

由淮北鄒莊煤礦3103綜采面采空區(qū)工程試驗(yàn)可得：

采空區(qū)遺煤體積：V2=L·I·H=23166m3；

采空區(qū)遺煤量G2為：G2=V2（1-C）γ=3359.1t；

比表面積α為1.43×10-6m2/g，可得：

采空區(qū)遺煤的理論表面積S2為：S2=α·G2=4803.5m2

由實(shí)驗(yàn)室Ⅱ863工作面煤樣的氧化條件可知：

煤樣重量G1=50g；密度ρ=1.40g/cm3；煤樣粒徑d=0.3mm；空氣流量Q1=50m3/min，求出與氧接觸表面積：

表2 3103綜采面采空區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)比（實(shí)驗(yàn)與預(yù)測）

將所得數(shù)據(jù)代入CO涌出預(yù)測的計(jì)算數(shù)學(xué)模型公式（3）可以推出煤低溫氧化階段，由實(shí)驗(yàn)室預(yù)測現(xiàn)場采空區(qū)CO濃度，如表2所示。

由分析可以得出：試驗(yàn)狀況下，CO氧化速率的增長幅度小于0.2ppm/℃，表現(xiàn)為正常值；CO氧化速率增幅范圍為0.24～0.7ppm/℃，屬于預(yù)報(bào)值；CO氧化速率增幅＞0.7ppm/℃，需要采取措施。

現(xiàn)場狀況下，CO氧化速率的增長幅度小于1.2ppm/℃，表現(xiàn)為正常值；CO氧化速率增幅范圍為1.6～4.3ppm/℃，屬于預(yù)報(bào)值；CO氧化速率增幅＞4.3ppm/℃，需要采取措施。

當(dāng)CO濃度＜5ppm，屬于正常值、安全值；當(dāng)CO濃度=5～12ppm，且溫度升高至40～50℃，屬于加強(qiáng)觀測值；當(dāng)CO濃度=12～21ppm，且溫度升高至50～60℃，屬于自燃發(fā)火預(yù)報(bào)值；當(dāng)CO濃度＞21ppm，煤炭氧化進(jìn)入自熱前期。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)Fluent數(shù)值模擬，得出3103工作面采空區(qū)平均漏風(fēng)風(fēng)速為2.17e-5m/s，同時(shí)根據(jù)求解出來的漏風(fēng)截面積和實(shí)際的孔隙率，能夠得出采空區(qū)遺煤自燃漏風(fēng)量Q2為0.059892m3/min。

（2）礦井煤樣在常溫30℃即可產(chǎn)生CO氣體。若煤體溫度在30～60℃時(shí)，CO釋放量會(huì)伴隨煤體的溫度上升而有所下降；若煤體溫度在60～80℃時(shí)，煤體的氧化急劇上升，CO釋放的總量在不斷上升，煤體的氧化速率出現(xiàn)急劇上升的狀態(tài)；若煤體溫度高于80℃，煤體氧化速率迅速增加，同時(shí)CO釋放量也迅速上升，此時(shí)應(yīng)發(fā)出防火預(yù)警信號(hào)防治煤體自燃。