特厚煤层综放工作面采空区防灭火技术研究

特厚煤层综放工作面采空区防灭火技术研究

0注氮气灭火措施矿山火灾是矿山的主要灾害之一。《煤矿安全规则》规定，“应采取综合预防和扑灭措施，并在广泛的场所合并授力体”。目前,国内注氮气灭火工艺已经比较成熟,但采空区大多是在预防前提下降温。怎样降低遗煤温度,消除火灾隐患,氮气灭火在发火期短的矿井中,在实际的撤出支架过程中较难达到。液氮降温具有氮气和其他灭火方式所不具备的优势。13315年前的条件和目1.13315页总结1.2液氮降温在工作面正常推进过程中,一直采用0.33m3/s的流量注入气氮,管口在工作面下部15m处。由于分层3313工作面旧巷处仍然出现高温,决定同时采用液氮进行降温防灭火。液氮降温的目标是使工作面后方采空区40m内的冒落带温度降至正常温度25℃。现已在工作面下部埋入ϕ50mm白钢管23m,外部套ϕ150mm普通钢管。ϕ50mm管管材为0Cr18Ni9不锈钢管,其韧性非常优良,适用于在室温和低温下的各种环境中使用。为保证液氮进入采空区为液态,在采空区至注氮灌采用保温管。采空区埋入束管及热敏电阻,布置如图1所示。233顶板模型仿真模型液氮降温区域工作面后方40m,临近停采线的10m范围内不放煤,后面30m正常放顶煤开采。煤和岩石的碎胀系数均为1.3,冒落高度为40m,充满整个空间。工作面长150m,加上两巷,模型长度为157m,高度为40m,宽度40m。在上部的17m处已布置ϕ150mm普通钢管,注氮期间打开。3预氮生产参数的确定3.1煤岩体中的热量煤和岩石的碎胀系数均为1.3,煤质为烟煤,烟煤的导热系数为0.258w/(m.k),导温系数为α=2.0×10-7。海州立井3315工作面煤的挥发分为39.08%,0℃时其比热容为970J/(kg.K)。计算过程中考虑空气降温,上分层旧巷遗煤热量,围岩暴露时间较短,围岩受风流冷却的调热圈不大,围岩可视为半无限体。岩石和未放煤的热量的主体,但不可能全部降温,考虑液氮降温的影响深度,考虑煤岩体降温梯度为线性,平均降温2.5℃。由热量计算公式计算,得被采空区吸收总热量为16,982,632kJ。氮为低温液化气体,在101.325kPa压力下,液氮沸点为-195.65℃。液氮(77K)密度ρ=808.6kg/m3。低温液体汽化为气体时,体积会迅速膨胀,在0℃,101.325kPa状态下,1L液体汽化为气体氮为647L。假设煤岩体释放出的热量完全用于蒸发液氮,饱和液氮在-196℃时的汽化潜热γ=198.64kJ/kg,0℃时氮气的定压比热是1.039kJ/(kg·℃),而假设低温氮气从-196℃温度升至0℃,则吸收的热量约为203kJ/kg。也就是说,冷氮气仍可利用,其冷量接近液氮的汽化潜热。-196℃(77K)的液氮变为0℃的气体时吸收的热量为420kJ/kg。经计算得需液氮量为50m3。取注氮系数1.2,则需液氮60m3。若每个液氮罐的容积为0.5m3,则需要120罐液氮。3.2正常注氮阶段3315工作面采空区注氮采用分组连续注氮方法,共需液氮罐12个。注氮时可采用4罐1组,分为3组,第1组为试验注氮阶段,可采用稍小的流量1.0～1.3m3/h,4罐可注1.5～2h;之后根据采空区温度等监测情况可适当加大流量为2m3/h,进入正常注氮阶段,1h可注1组(4罐),注完一组后,更换一组罐继续注,3组液氮罐轮换注氮,空罐及时运输到地面灌装液氮,为保证注氮的连续性,每组空罐从井下注氮地点运输运到地面、灌装液氮、返回到井下注氮地点的时间要控制在2h以内。连续注氮方法:1天3班24h连续式注氮,每小时可注1组(4罐),每小班有效注氮时间按7h计算,每小班可注液氮7×4=28罐,注氮总时间120/28=4.3小班。计划5个小班注完。3.3注氮、氮气注氮围岩温度:围岩温度25℃。降温目标:空间温度25℃,煤岩影响深度5cm。注氮参数:注氮时可采用4罐1组的方法,开始时可采用稍小的流量1.0～1.3m3/h,4罐可注1.5～2h。注氮流量:按计算流量取2m3/h,即2×647=1294m3/h=0.3594m3/s;注氮管出口氮气温度:按试验取-100℃;防灭火注氮量:1200m3/h=0.3333m3/s,常温20℃,浓度98%;密闭后通风量:24m3/min,氮气20m3/min。4cs网格模型文中采用Phoenics软件分析液氮在采空区的运移规律,以及温度场的变化规律。Phoenics是英国CHAM公司开发的世界上第一套模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件,有30多年的历史。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟,包括非牛顿流、多孔介质中的流动,并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。在流体模型上面,Phoenics内置了22种适合于各种Re数场合的湍流模型,包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-e模型的各种变异,共计21个湍流模型,8个多相流模型,10多个差分格式。网格系统包括直角、圆柱、曲面(包括非正交和运动网格,但在其VR环境不可以)、多重网格、精密网格。氮气流动三维图如图2所示,氧气浓度分布图如图3所示。通过计算机的模拟运算,可以看出以下规律:(1)注入液氮后,3315工作面采空区下部及中部降温明显,可有效地降低上分层遗煤高温区的温度,在支架撤出前达到防止自燃的目的。(2)注入液氮后,3315工作面采空区氧气浓度平均<10%,氮气浓度平均约达到85%～90%;可惰化采空区,起到阻止遗煤自燃的作用。(3)注氮后温度场的总体分布规律是:中下部煤体温度较低,为-45～15℃,降温幅度较大,达15℃以上;上部煤体也有一定降温,为22～28℃,降温幅度2～8℃;未放煤区域温度较高,为21～28℃,降温幅度为2～9℃。由于灭火注氮的流动作用促使液氮降温方向往采空区内移动,上部有漏风口(ϕ150mm管),有利于降温方向往上移动。其在高度上的温度分布场如图4所示,对其在空间上的72个预测点温度进行统计,结果如表1,其测点位置见图1。5工作面现状及注意管口连接方式(1)通过多次模拟,上部排空气管口对液氮的流动方向起着至关重要的作用,直接影响其径向流动方向。(2)日常注氮气促使液氮向采空区内移,防止液压支架冻坏。(3)温度在下部中部降温比较明显,上部不明显。(4)海州立井50h,连续注液氮60m3,在注入19m3时出现管路结冻现象。需注意管口连接方式,注氮口要高于地面1m,并加以木垛保护。3315工作面位于海州立井工业广场以南,处于高德、向背斜轴与NNE向岩墙之间,走向平均长度为150m,倾斜向平均长度为167m左右,面积约为0.03km2。该面开采太上层煤,厚度在10.8～23.0m左右,煤层为复合煤层,夹矸厚度变化比较大。采高2.5m,工作面回采率80%。煤层自燃发火期3～6M,最短为10～15d。煤层顶底板均为泥质粉砂岩,粉砂岩夹薄煤线复合形成顶底板。