鄒莊煤礦采空區CO涌出量預測模擬研究

孟 剛

(安徽神源煤化工有限公司鄒莊煤礦，安徽 淮北 235123)

煤自燃的實質就是一個相對復雜而且極其緩慢的氧化過程，在低溫狀態下的煤自燃容易導致熱量聚集，使煤體溫度上升，最終導致自燃[1]。工作面采空區的遺煤自燃過程中，由于煤的氧化作用，能產生大量CO氣體，CO氣體能引起人員中毒，遇到火源能引起爆炸。本研究將采用現場分析和數值模擬的方法，建立實驗室CO模型和采空區CO涌出量模型，從而對采空區中CO涌出量進行預測。

1 采空區CO涌出預測數學模型

1.1 實驗室CO理論模型

當煤樣處于低溫氧化當中時，煤體與氧氣保持接觸形成化學吸附、化學反應以及物理吸附，如果煤體和氧氣接觸的面積越大，那么所能夠導致的化學反應的概率就越大[2]。將煤樣的內比表面積當做是煤樣的比表面積，通過推導可以得出，實驗當中的煤體重量為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-煤樣內表面積，m2；

d-平均當量粒徑，m；

n-孔隙率；

ρ-密度, g/cm3。

CO的絕對量F1（m3/min）為：

式中：

CO1-實驗室CO濃度，ppm；

Q1-實驗空氣通氣量，m3/min。

1.2 采空區CO涌出數學模型

為建立采空區CO涌出數學模型，假設如下[3]：

（1）在現場工作面當中的通風形式為傳統的U型通風結構；

（2）在煤體中同一區域的煤體溫度和風流的溫度保持一致；

（3）不考慮瓦斯等對工作面采空區的影響；

（4）采空區漏風是穩定的，漏風量不變。

基于假設條件，將采空區當中遺煤低溫氧化過程近似的當做是在一個大的實驗室基礎上完成的煤樣低溫氧化過程?；谙嗨茰蕜t，即實驗和現場相同的遺煤重量、表面積大小、漏風總量以及空隙率，以此推導出現場預測模型。

式中：

I-工作面傾斜長度，m；

H-采空區高度，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-現場CO濃度，ppm；

Q2-采空區漏風量，m3/min。

2 現場應用

2.1 現場概況

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，同時自燃帶和不自燃帶寬度之和為72m。工作面供風量1397m3/min，煤體容重γ為1.45t/m3，采空區回采率C為90%，孔隙率為0.1。

2.2 采空區漏風量的求解

為了有效分析3103綜采面采空區漏風量，采用Fluent軟件進行模擬，并對采空區中漏風平均風速進行估測[4]。

表1 模擬參數表

采用GAMBIT建立采空區物理模型，如圖1所示，并對其進行網格劃分，如圖2所示。該模型將采空區簡化為長方體，坐標原點取回風巷邊界點，x軸取進風巷，y軸采空區深度方向，z軸取垂直于巷道底部方向，其參數設置如表1所示。

圖1 計算模型

圖2 網格劃分

利用FLUENT進行模擬，本次模擬將采空區視為多孔介質，基于采空區當中實際取得的參數來對實際物理模型當中的多孔介質阻力系數以及邊界條件采取精確呈現。通過FLUENT軟件對已經構建的計算模型進行數值計算，得出該工作面的采空區漏風風速。為了能夠實現對漏風風速的分析，可以對不同視角下的采空區漏風風速圖進行選取。采用Iso-Surface方法，取z=0，得到3103綜采面采空區風速矢量圖，如圖3所示。

圖3 3103綜采面采空區風速矢量圖(z=0)

由模擬計算結果可以得出：該工作面采空區中最大漏風風速為4.35e-5m/s，而最小風速很小。所以得出采空區平均漏風風速為2.17e-5m/s。因為該工作面采空區最大氧化帶寬度為46m，而采空區在頂板以上10m處，孔隙率為0.1，那么得出采空區的漏風截面積為46m2。根據得出的漏風截面積以及實際孔隙率，可以得出引起采空區遺煤自燃漏風量Q2=0.059892m3/min

2.3 CO預測指標范圍的確定[5]

由淮北鄒莊煤礦3103綜采面采空區工程試驗可得：

采空區遺煤體積：V2=L·I·H=23166m3；

采空區遺煤量G2為：G2=V2（1-C）γ=3359.1t；

比表面積α為1.43×10-6m2/g，可得：

采空區遺煤的理論表面積S2為：S2=α·G2=4803.5m2

由實驗室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綜采面采空區數據對比（實驗與預測）

將所得數據代入CO涌出預測的計算數學模型公式（3）可以推出煤低溫氧化階段，由實驗室預測現場采空區CO濃度，如表2所示。

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

現場狀況下，CO氧化速率的增長幅度小于1.2ppm/℃，表現為正常值；CO氧化速率增幅范圍為1.6～4.3ppm/℃，屬于預報值；CO氧化速率增幅＞4.3ppm/℃，需要采取措施。

當CO濃度＜5ppm，屬于正常值、安全值；當CO濃度=5～12ppm，且溫度升高至40～50℃，屬于加強觀測值；當CO濃度=12～21ppm，且溫度升高至50～60℃，屬于自燃發火預報值；當CO濃度＞21ppm，煤炭氧化進入自熱前期。

3 結論

（1）根據Fluent數值模擬，得出3103工作面采空區平均漏風風速為2.17e-5m/s，同時根據求解出來的漏風截面積和實際的孔隙率，能夠得出采空區遺煤自燃漏風量Q2為0.059892m3/min。

（2）礦井煤樣在常溫30℃即可產生CO氣體。若煤體溫度在30～60℃時，CO釋放量會伴隨煤體的溫度上升而有所下降；若煤體溫度在60～80℃時，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急劇上升的狀態；若煤體溫度高于80℃，煤體氧化速率迅速增加，同時CO釋放量也迅速上升，此時應發出防火預警信號防治煤體自燃。