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采空区回风侧埋管压注液态CO2的位置与流量参数优化

2023-11-23 72 上传者：管理员

摘要：为研究采空区在回风侧埋管压注液态CO2的位置与流量参数，基于采空区多孔介质模型与气体组分输运模型，建立了小庄矿40207综放工作面回风侧埋管压注液态CO2模型，模拟研究采空区回风侧压注液态CO2的埋管深度为50 m时，在不同压注位置及不同压注流量下，压注液态CO224 h后引起的采空区O2体积分数变化情况。模拟结果表明：在压注位置距工作面20～80 m范围内，采空区O2体积分数随着压注位置距工作面的距离增加呈现不断减小的趋势，随压注流量增大逐渐降低；在压注位置距工作面60～80 m、压注流量为500～800 m3/h时，CO2对采空区惰化的效果较好，且不会引起工作面上隅角CO2浓度超限。在回风侧埋管注液态CO2可有效降低采空区O2体积分数，从而防止采空区遗煤自燃。

关键词：
参数优化
回风侧
液态CO2
煤自燃
采空区
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煤炭开采过程中，采空区自然发火问题日益突出，且遗煤自燃具有隐蔽性强、范围大的特点，严重影响着煤矿的安全生产[1,2,3]。目前，注液态CO2广泛应用于采空区煤自燃的防治，液态CO2注入到采空区能够发生相变，吸收大量的热并快速扩散，且与煤体具有很好的吸附性，具有良好的防灭火效果[4,5,6]。

关于采空区二氧化碳防灭火的研究，孙可明等[7]运用采空区遗煤升温试验的方法，验证了超临界CO2的防灭火性能优于N2,且在高压力条件下防灭火性能更好。FENG G R等[8]通过温度程序测试系统研究了采空区注入CO2后煤的低温氧化特征。李宗翔，LIU Z L,王继仁等[9,10,11]采用Fluent数值模拟的方法，在采空区进风侧埋管，通过改变压注CO2入口位置或压注流量，分析各参数下采空区气体浓度分布变化规律，研究了流场变化、温度场变化、合适的注入参数等。SI J H等[12]使用正交试验与Fluent数值模拟相结合的方法，计算得到采空区CO2多源注入参数。邓军，徐明亮，王刚等[13,14,15]根据采空区现场实际情况有针对性地实施不同注液态CO2方案以治理煤火灾害。杜斌[16]模拟采空区双巷同时注入CO2,研究结果表明此方法能够有效缩小采空区氧化带宽度。

目前，采空区压注液态CO2防灭火的数值模拟研究多从采空区进风侧埋管注入液态CO2,CO2在自身气体扩散的同时还能够依靠采空区漏风进一步扩散，增大惰化范围。但在现场实际操作中可能由于一些特殊情况，导致从采空区进风侧注入液态CO2较困难或资金投入高于回风侧埋管注入CO2,因此，可选择从采空区回风侧压注液态CO2。本文以小庄矿40207综放工作面为例，通过Fluent模拟采空区回风侧埋管注入液态CO2,分析不同压注位置与流量参数下采空区O2浓度的分布规律，优选出较好的采空区液态CO2注入参数。

1、采空区液态CO2运移数值模拟

1.1 小庄矿40207综放工作面概况

小庄矿40207综放工作面倾向长200.5 m, 主要开采4#煤层，该煤层可采厚度均匀，自燃倾向性为I类。工作面采用U型机械抽出通风方式，风量为2250 m3/min。

1.2 几何模型与网格划分

以小庄矿40207综放面采空区为原型进行建模，综合考虑实际情况后经适当简化得到采空区几何模型尺寸，采空区长200 m, 宽150 m, 高20 m; 工作面长150 m, 宽10 m, 高5 m; 进、回风巷长20 m, 宽和高均为5 m; 采空区压注液态CO2管为管径0.1 m的圆形管道，埋入采空区50 m, 压注管位置与工作面距离分别为20 m、40 m、60 m和80 m, 采空区几何模型如图1所示。对几何模型进行分区域网格划分，对液态CO2注入口附近网格进行局部加密，共划分网格175 424个。

图1 采空区几何模型

1.3 模拟参数与边界条件

将采空区设为多孔介质区域，将采空区孔隙率、黏性阻力系数、惯性阻力系数和氧气消耗源项编译为解释型UDF;将工作面同设为多孔介质区域，且工作面孔隙率设为0.99,惯性阻力系数与黏性阻力系数均设为0.3。

进风巷入口设置为速度入口，工作面巷道风量为2250 m3/min, 经换算得出进风巷入口风速为1.5 m/s, O2体积分数为23%;将回风巷出口设为自然出流。

将液态CO2入口设为速度入口，流速随模拟设置的注入流量变化，O2体积分数为1%,CO2体积分数为99%。

2、采空区O2体积分数分布及讨论

2.1 液态CO2压注位置及O2体积分数变化分析

为得到惰化效果较好的压注位置，在相同液态CO2注入流量和注入管埋入采空区深度条件下，模拟24 h内从不同压注释放口位置向采空区注入液态CO2对采空区惰化的情况。压注位置距工作面距离分别为20 m、40 m、60 m和80 m, 注入流量为300 m3/h, 取距采空区底板高度为2 m的平面为参考对象，得到的各压注位置下的采空区O2体积分数分布如图2所示。由图2可以看出，在相同的CO2注入流量下，CO2扩散总体呈椭圆形分布且注入管距离工作面越远CO2惰化范围越大。这是因为采空区内越靠近工作面的位置，其孔隙率相对较大，采空区内漏风较为严重，因此流失的CO2气体越多，不利于CO2的积聚，惰化效果不明显；反之，当压注释放口与工作面有一定的距离后，孔隙率减小，采空区漏风量也随之减小，CO2气体可以更好地积聚，因此扩散惰化范围越大，对采空区的惰化效果更好。

图2 不同压注位置下的采空区内O2体积分数分布

取沿采空区倾向注入管出口处O2体积分数作为参考，得到O2体积分数分布曲线如图3所示。

图3 不同压注位置下的采空区内O2体积分数分布曲线

由图3可见，4条曲线上的初始O2体积分数较高，共经历了两次下降与两次上升，且曲线第一次上升形成了一个较小或不明显的波峰；随着压注位置与工作面距离的增加，曲线中O2体积分数处于较低水平的距离逐渐变大，曲线第二次上升形成的峰值逐渐减小。可以看出CO2能够将周围的O2体积分数值稀释到一个较低的水平，注入的液态CO2中会混有少量的O2,但不会使采空区O2体积分数上升至较高水平，可忽略不计。压注位置距工作面20～80 m时，随着两者之间距离的增加，CO2惰化采空区范围随之逐渐变大。压注位置距工作面80 m时，O2体积分数上升峰值小于8%,不会引起采空区遗煤自燃；若继续增加压注位置与工作面的距离，则会使过多的CO2进入采空区窒息带，导致CO2惰化采空区范围减小，增加经济成本。

结合图2和图3,可以总结得到压注位置在距工作面60～80 m时CO2对采空区惰化效果较好的结论。

2.2 液态CO2压注流量及O2体积分数变化分析

在相同压注释放口位置和压注采空区深度下，模拟24 h内不同注入流量对采空区惰化范围及效果的影响。取压注释放口位置距离工作面60 m为例，设定压注液态CO2流量为500 m3/h、800 m3/h、1000 m3/h和1250 m3/h, 即入口流速为17.69 m/s、28.31 m/s、35.39 m/s和44.23 m/s, 模拟得到的O2体积分数分布如图4所示。

图4 不同注入流量下的采空区内O2体积分数分布

由图4可知，在相同时间内随着CO2注入流量增大，采空区的惰化范围越大。采空区倾向CO2扩散宽度不断增加，使散热带和氧化带逐渐靠近工作面，纵向CO2扩散深度不断靠近采空区进风侧，使氧化带不断减小。但是随着CO2注入流量增大，会有一部分CO2更早流向工作面上隅角，危害工作面安全生产。

CO2扩散宽度与深度随注入流量的变化如图5所示。

图5 CO2扩散宽度与深度随注入流量的变化曲线

由图5可见，随着注入液态CO2流量的增大，CO2的扩散宽度与深度总体上呈不断增大的趋势。当注入流量低于500 m3/h时，两直线斜率大，CO2在采空区纵向扩散速率快于倾向的扩散速度；当注入流量大于500 m3/h时，总体上曲线斜率逐渐减小，在注入流量为800～1000 m3/h时，CO2在采空区倾向扩散速率逐渐快于纵向的扩散速度；当注入流量大于1000 m3/h时，CO2扩散速率减小，会增加经济成本。模拟结果表明，注入流量为1250 m3/h时工作面上隅角CO2浓度超限。

综上所述，考虑到煤矿经济成本与生产安全，确定液态CO2注入流量为500～800 m3/h时为宜。

3、结论

(1) 压注位置距工作面20～60 m时，受漏风影响流失CO2较多，不利于CO2聚集，对采空区惰化效果较差；压注位置距工作面大于80 m时会引起采空区惰化范围减小。因此，在CO2压注释放口位置距工作面60～80 m时可取得较好的采空区惰化效果。

(2) 在24 h内，随着液态CO2注入流量的增大，CO2在采空区的扩散深度与宽度随之增大；当注入流量大于500 m3/h时，CO2在采空区扩散速率会逐渐减小。综合考虑，确定合适的液态CO2注入流量为500～800 m3/h。

(3) 如实际操作中需要进一步增大压注流量，为避免使工作面上隅角CO2浓度超限，24 h内压注液态CO2的流量不应超过1000 m3/h。

参考文献:

[1]姜奎,王怡,任广意,等.姚桥煤矿8059工作面采空区注CO2防灭火技术参数优化模拟与应用研究[J].矿业安全与环保,2021,48(3):74-78+84.

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[3]李哲,任帅,王方田,等.高瓦斯矿井采空区防灭火及工作面端头封堵技术[J].矿业研究与开发,2022,42(4):108-111.

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