连续开区注氮对采空区自燃“三带”分布特征的影响_王帅.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 连续开区注氮对采空区自燃 “三带” 分布特征的影响 王帅 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了研究连续开区注氮参数对采空区自燃 “三带” 分布规律的影响， 以大兴煤矿南五 902 工作面为研究对象， 分别开展了不同 O2浓度 （20．9、 10．0以及 7．0） 条件下煤自然发火模拟 实验， 分析 CO 气体产物与煤温关系， 认为研究区域的 9煤层自然发火临界氧浓度为 7； 通过 在南五 902 回风巷布置束管对不同注氮量情况下采空区内不同位置的 CO、 O2浓度进行现场实 测， 得出了注氮量与氧化带宽度呈负相关， 且注氮量不影响散热带范围的特征； 结合工作面平均 推进度最终确定， 采用 1 200 m3/h 迈步式埋管连续开区注氮的防灭火手段， 可满足南五 902 工 作面日常防火需要。 关键词 自然发火模拟； 开区注氮； 自燃 “三带” ； 负相关； 迈步式埋管 中图分类号 TD752．2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 04-0185-05 Influence of Continuous Open Nitrogen Injection on Characteristics of“Three Zones”Distribution of Spontaneous Combustion in Goaf WANG Shuai （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To study the influence of continuous open nitrogen injection on distribution characteristics of spontaneous combustion “three zones”in the goaf, this paper takes 902 working face of Daxing Coal Mine as the research object, and carries out the simulation experiments of coal spontaneous combustion under different O2concentrations（20.9, 10.0 and 7.0） , and analyzes the relationship between CO gas products and coal temperature, obtains that the critical oxygen concentration of No. 9 coal seam in the study area is considered to be 7. Based on the field measurement of CO and O2concentrations at different positions in the goaf under different nitrogen injection rates by beam pipes arranged in 902 return air lane, it is concluded that nitrogen injection rates are negatively correlated with the width of the oxidation zone, and nitrogen injection rates do not affect the characteristics of the distribution zone. Combined with the final determination of the average thrust of the working face, 1 200 m3/h stepped buried pipe and continuous open nitrogen injection for fire prevention and extinguishing can meet the daily fire protection needs of 902 working face. Key words spontaneous combustion simulation; open nitrogen injection; spontaneous combustion “three zones” ; negative correlation; stepped buried pipe 矿井火灾作为 5 大灾害之一，对煤矿安全生产带来严重威胁[1-3]。截至 2018 年 12 月底， 我国现有 生产矿井 3 373 座， 核定产能 35.3 亿 t/a[4]。 由于煤层 赋存条件的复杂性和开采技术条件的特殊性，火灾 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.040 王帅．连续开区注氮对采空区自燃 “三带” 分布特征的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 185-189. WANG Shuai. Influence of Continuous Open Nitrogen Injection on Characteristics of “Three Zones”Distri- bution of Spontaneous Combustion in Goaf ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 185-189. 基金项目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项 目 - 青年资助项目 （2018- 2- QN012） 移动扫码阅读 185 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 重特大事故仍时有发生，其中煤炭自燃引起的火灾 占 70以上， 逐渐成为制约我国矿井安全生产的主 要瓶颈之一[5-7]。 注氮惰化防灭火技术由于其具有工艺简单、 操 作方便，有优良的阻燃阻爆性能，逐渐成为我国自 然发火矿井的主要防灭火技术手段[8-10]。近年来， 国 内外科研院所及高校先后研发了基于变压吸附[11]与 膜分离[12]原理的 2 种类型的制氮机； 同时， 根据使用 地点的不同，又设计了地面固定式与井下移动式两 种不同安装形式的制氮系统[13-14]。制氮系统通过埋 管或钻孔的方式注入采空区内，起到稀释氧气， 降 低温度的作用。但由于大量氮气的注入使得采空区 渗流场与气体浓度场发生了明显改变，需要因地制 宜的开展注氮条件下的采空区自然发火危险区域划 分，进而优化注氮参数，为防灭火技术措施的采取 提供依据[15-16]。基于此， 以大兴煤矿南五 902 综采工 作面为研究对象，探究不同开区注氮量条件下的采 空区自燃 “三带” 分布规律， 为合理优化采空区注氮 参数提供依据。 1工作面概况 大兴矿南五 902 工作面位于南五采区东部， 工 作面走向长 1 118 m， 倾向长 160 m， 采用走向长壁 后退式采煤法，综合机械化采煤工艺，自然垮落法 处理采空区。 工作面采用 “U” 型通风方式， 风量 1 100 m3/min。工作面所采 9煤层， 平均煤厚为 1．79 m， 经 鉴定为Ⅰ类易自燃煤层， 最短自然发火期仅 30 d 左 右。回风巷掘进期间在 40～320 m 处发现 0．4～2．1 m 火成岩岩床，回风巷火成岩从煤层底板侵入， 在 191～240 m 处逐渐过渡到煤层顶板，严重影响工作 面推进速度， 给工作面自然发火防治工作带来挑战。 因此，工作面回采初期设计采取以连续开区注 氮为主的防灭火技术措施，利用地面固定式碳分子 筛制氮机组， 沿运输巷铺设 2 趟注氮管路， 其中第 1 趟管路出口距离切眼 30 m， 第 2 趟管路出口距离切 眼 60 m。当第 1 趟注氮管出口进入采空区 30～60 m 区域时进行注氮， 超出 60 m 范围后停止注氮， 并断 开第 1 条注氮管， 改由第 2 条注氮管进行注氮， 如此 循环，直至工作面回采结束。初始注氮量为 1 500 m3/h， 24 h 连续开区注氮， 氮气浓度大于 97。 2采空区自燃 “三带” 划分依据及测定方案 2．1煤自然发火临界氧浓度 目前， 根据煤氧复合理论， 可将采空区自然发火 危险区域划分为 “三带” ， 即散热带、 氧化带以及自 燃带。根据自燃“三带”划分方法的不同主要有 3 种采空区漏风风速划分、氧浓度划分和温度划 分[17]。氧浓度划分方法因其操作简单、 取样方便、 数 据可靠等优点，逐渐成为煤炭行业应用最为广泛的 测定方法。采用氧浓度 φ （O2） 划分方法测定采空区 自燃 “三带” 时， 一般通过预埋管路对采空区各点气 体进行动态取样分析，获得各测点氧气含量的大 小， 表征该地点供氧与蓄热升温条件， 进而判定煤体 自然发火的可能性。其划分标准如下散热带 φ （O2） ＞18； 氧化带 18≥φ （O2） ≥φ （O2）L； 窒息带 φ （O2） ≤φ （O2）L。φ （O2）L为煤体自然发火临界氧浓 度， 当氧气浓度低于该值时， 煤氧复合反应得到有效 抑制， 因此可以将其作为氧化带与窒息带的界限值。 为准确测定大兴煤矿 9煤层自然发火临界氧 浓度，选取南五 902 工作面新鲜暴露的煤体为研究 对象， 利用自主研发的煤自然发火模拟实验装置， 分 别开展 O2浓度 20．9、 10．0以及 7．0条件下的煤 氧化气体产物及热力学特性实验研究。实验基本参 数如下 粒度 100 目 （＜0．15 mm） ； 质量 1 g； 供气流 量 100 cm3/min；升温速率 25～80 ℃为 0．5 ℃/min， 80～201 ℃为 1．0 ℃/min， 201～300 ℃为 2．0 ℃/min； 取 样间隔时间 20 min/次。 不同 O2浓度条件下 CO 气体产物与煤温关系 曲线如图 1。当煤体温度超过 50 ℃后， 各氧气浓度 条件下均检出 CO， 且随煤体温度升高 CO 浓度呈现 先上升后下降的规律。其中， 供氧浓度 20．9时， CO 产生速率最快， 浓度最高可达 2 58210-6； 供氧浓度 10．0时， CO 产生速度开始放缓，最高浓度 1 739 10-6； 供氧浓度 7．0时， CO 产生速率最低， 最高浓度 1 28910-6。 不同 O2浓度条件下热力学特征曲线如图 2。供 图 1CO 浓度与煤温关系曲线 Fig．1Relationship between CO concentration and coal temperature 186 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 氧浓度 20．9时， 煤体发生剧烈氧化， 使得煤体温度 高于实验炉温度，最高可达 487 ℃；而当供氧浓度 10．0时， 煤体温度平稳升高， 并未出现剧烈氧化现 象，说明该氧气浓度条件下，煤的氧化反应开始受 到抑制， 最高温度 413 ℃； 当氧气浓度 7．0时， 煤体 温升速率进一步减缓， 最高温度 391 ℃。 通过实验结果分析表明，与 O2浓度 20．9相 比， O2浓度 10．0时， 其 CO 产生速率、 CO 最高浓度 以及最高反应温度均呈现大幅度下降规律，煤体氧 化进程开始减缓，且未出现剧烈氧化现象，说明煤 体自然氧化受到抑制； 而当 O2浓度降低至 7．0时， 煤体氧化进程进一步放缓，但降幅明显降低，说明 O2浓度的降低对于煤自然氧化的影响开始减弱， 因 此最终确定 9煤层自然发火临界氧浓度为 7。 2．2采空区自燃 “三带” 测定方案 南五 902 工作面形成后， 在回风巷内， 自开切眼 向外间隔 20 m 设置 1 趟取样束管，取样口依次编 号 1～10， 采空区束管测点布置如图 3。为防止束管 被垮落后的顶板砸断或堵塞，设计采用“φ100 mm 无缝钢管三通连接头筛管”的束管保护装置， 其 中无缝钢管长 8 m； 三通连接头水平段长 2 m， 竖直 段长 1 m； 筛管上 0．5 m。取样束管穿入保护装置后 沿巷道外帮侧底板布置，束管取样口通过三通连接 头放入筛管中，取样口连接束管采样器，防治粉尘 及水蒸气进入束管，筛管沿巷帮固定，并用木垛加 以保护。束管编号后依次向外延伸至巷道口位置， 随工作面推进， 取样点依次进入采空区， 通过巷道内 设置的取样泵依次抽取束管内气体进行取样分析。 为优化采空区注氮参数， 分别选取 1 500、 1 200 m3/h 以及 1 000 m3/h 3 种注氮量测试方案，开展不 同注氮量采空区惰化效果考察。随工作面推进， 注 氮管路依次进入采空区，待第 1 条注氮管进入采空 区 30 m 范围后， 开始首次注氮， 注氮量 1 500 m3/h。 同时，通过回风侧预埋束管进行采空区氧气浓度监 测，待采空区束管测点氧气浓度稳定降至 7以下 时， 则改变注氮量， 进行下一方案的惰化效果考察， 循环往复，直至完成全部 3 种注氮量条件下的采空 区自燃 “三带” 分布规律测定工作。 3采空区气体测试结果 3．1采空区 CO浓度变化规律 南五 902 工作面 3 种注氮量条件下采空区各地 点 CO 变化规律如图 4。随工作面推进， 采空区内遗 煤逐渐氧化产生 CO，但由于采空区浅部漏风较大， 遗煤氧化时间短，因此 CO 浓度维持在较低水平并 缓慢升高，不同注氮量对该区域 CO 浓度变化影响 不大；工作面继续推进，采空区测点依次进入氧化 带与窒息带范围，遗煤氧化产生的 CO 浓度也呈现 先升高后降低的变化规律， 且随着注氮量的降低， 采 空区 CO 产生速率与最高浓度均呈升高的趋势。 注氮量 1 500 m3/h 与 1 200 m3/h 条件下，采空 图 2不同氧气浓度下热力学特性曲线 Fig．2Thermodynamic characteristics of different oxygen concentrations 图 3注氮管路及束管布置示意图 Fig．3Schematic layout of nitrogen injection pipeline and beam tube 图 4不同注氮量条件下采空区 CO 浓度变化曲线 Fig．4Variation of CO concentration in goaf under different nitrogen injection conditions 187 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 采空区注氮量/ （m3 h-1）散热带/m氧化带/m窒息带/m 1 5000～19．619．6～97．6＞97．6 1 2000～18．818．8～106．4＞106．4 1 0000～19．219．2～119．6＞119．6 区 CO 变化规律基本一致， CO 最高浓度分别出现在 采空区距工作面 42．4 m 和 53．6 m 位置，最大值分 别为 10310-6和 12610-6，随工作面推进， CO 浓度 缓慢降低并最终维持在 1010-6以下，且无其他自 然发火标志气体出现，说明以上 2 种注氮方案均有 效抑制煤体自然氧化。当采空区注氮量降至 1 000 m3/h 后， 随工作面推进， 采空区 CO 浓度快速上升至 19510-6， 且伴随微量 C2H4出现， 说明采空区遗煤发 生激烈氧化， 后通过均压通风、 快速推进等手段， 快 速将隐患点甩入窒息带内， 成功处置该起隐患。 3．2采空区 O2浓度变化规律 南五 902 工作面 3 种注氮量条件下采空区各地 点 O2变化规律如图 5。随工作面推进， 采空区各测 点氧气浓度均呈现下降趋势；其中注氮量越大， 采 空区氧气浓度下降越快，氧化带范围越窄；但采空 区注氮对 O2浓度分布的影响范围存在一定限制， 受 采空区漏风及注氮扩散半径影响，注氮量对采空区 浅部 O2浓度下降作用并不明显。 3．3采空区自燃 “三带” 分布规律及最优注氮量 按照采空区自燃 “三带” 划分方法， 结合采空区 各测点 O2实测结果， 获得的 3 种注氮量条件下采空 区自燃 “三带” 分布见表 1。 从表 1 可以看出， 不同注 氮量条件下采空区散热带宽度变化不大；注氮量对 采空区氧化带范围影响较大，采空区注氮量越大自 燃带范围越短， 1 500、 1 200、 1 000 m3/h 3 种注氮量 条件下， 采空区氧化带宽度为 78．0、 87．6、 100．4 m。 根据煤氧复合理论，为避免采空区遗煤自然发 火，遗煤在自燃带内的时间应小于该煤层的自然发 火期， 则工作面最小推进度为[18] Vmin＞Lmax/τmin（1） 式中 Vmin为工作面最小推进度， m/d； Lmax为采 空区氧化带宽度， m； τmin为煤层最短发火期， d。 南五 902 工作面回采过程中，受火成岩侵入煤 层影响，导致采空区遗煤增多，工作面推进速度缓 慢， 平均进尺 4 刀/d， 割煤截距 0．8 m/刀， 平均推进 度 3．2 m/d；根据鉴定结果表明， 9煤层自然发火期 30 d； 则采空区氧化带宽度为＜96 m。 因此，南五 902 工作面氧化带宽度应小于 96 m， 根据自燃 “三带” 测定结果， 采空区注氮量 1000 m3/h 时， 氧化带宽度为 100．4 m， 超出了最大氧化带 宽度范围， 易导致采空区自然发火， 理论计算结果在 现场实测中得到验证，证明计算结果的准确性。在 科学防火与经济治灾的前提下，结合实地考察的采 空区惰化效果，最终确定采空区注氮量 1 200 m3/h 时， 即可满足工作面日常防火需要。 4结论 1） 煤自然发火模拟实验表明， 氧浓度为 7时 可以有效抑制 9煤层自然氧化进程， 可作为氧化带 与窒息带的划分依据。 2） 采空区连续开区注氮可以显著改变自燃 “三 带” 分布， 随注氮量增加氧化带宽度逐渐缩小， 1 500、 1 200、 1 000 m3/h 3 种注氮量条件下， 氧化带宽度分 别为 78．0、 87．6、 100．4 m；但受采空区漏风影响， 注 氮量对于散热带范围影响不大，始终保持在 20 m 左右。 3） 南五 902 工作面在现有推进度条件下， 采用 1 200 m3/h 连续开区注氮的防灭火手段，可满足工 作面日常防火需要。 参考文献 ［1］ 梁运涛， 侯贤军， 罗海珠， 等．我国煤矿火灾防治现状 及发展对策 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （6） 1-6． ［2］ 王德明．煤矿热动力灾害及特性 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （1） 137-142． ［3］ 徐磊， 李希建．基于大数据的矿井灾害预警模型 ［J］ ．煤 矿安全， 2018， 49 （3） 98-101． ［4］ 国家能源局．国家能源局公告 2019 年第 2 号 ［EB/OL］ ． （2019 -03 -15 ） ［2019 -06 -11］ http //zfxxgk．nea．gov．cn/ 图 5不同注氮量条件下采空区 O2浓度变化曲线 Fig．5Variation curves of O2concentration in goaf under different nitrogen injection conditions 表 1不同注氮量条件下采空区自燃 “三带” 对比 Table 1Comparison of“three zones”of spontaneous combustion in goaf under different nitrogen injection 188 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 ［8］ 刘剑， 宋莹， 李雪冰， 等．基于 LDA 的均直巷道断面突 扩风速分布规律实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2016， 41 （4） 892－898． ［9］ 李小菊， 朱杰， 代君雨， 等．不同截面形状矿井巷道火 灾数值模拟研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （4） 4－8． ［10］ Yang D, Hu L H,Jiang Y Q, et al． Comparison of FDS predictions by different combustion models with mea－ sured data for enclosure fires ［J］ ．Fire Safety Journal, 2010, 45 （5） 298-313． ［11］ 梅秀娟， 张泽江， 韦涛．空气幕对隧道火灾烟气蔓延 影响数值模拟 ［J］ ．消防科学与技术， 2017， 36 （1） 44－46． ［12］ 姜玉曦， 任玉新， 刘秋生．高阶精度格式在火灾模拟 中的应用 ［J］ ．清华大学学报 （自然科学版） ， 2006 （2） 289－292． 作者简介 付巍 （1983） ， 男， 辽宁铁岭人， 助理研究 员， 学士， 2006 年毕业于辽宁工程技术大学， 主要从事矿山 灾害与防治工作。 （收稿日期 2019-05-17； 责任编辑 陈 洋） （上接第 184 页） auto85/201903/t20190326＿3637．htm． ［5］ 费金彪， 文虎， 金永飞．测氡法在浅埋煤层火区探测中 的应用 ［J］ ．西安科技大学学报， 2018， 38 （1） 26－30． ［6］ 沈俊男， 江成浩， 周晓华， 等．腾东煤矿综放工作面自 然发火危险性判定 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （3） 189． ［7］ 黄戈， 张勋， 王继仁， 等．近距离煤层上覆采空区自燃 形成机理及防控技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （8 ） 107－113． ［8］ 高广伟．中国煤矿氮气防灭火的现状与未来 ［J］ ．煤炭 学报， 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