无煤柱开采技术在大面积采空区防灭火中的应用

无煤柱开采技术在大面积采空区防灭火中的应用

0采空区浮煤自动识别技术根据传统的灰柱开采方法，回采工作区的支撑压力使进风道和回风道两侧的灰柱受损，导致大量裂缝。如果煤柱两侧的风压不均匀，则容易自发燃烧。同时,大量煤柱的滞留增加了采区的遗煤量、降低了采区的回收率。实践证明,无煤柱护巷技术是合理开发利用煤炭资源、提高回采率、降低掘进率、减少巷道维护费、提高技术经济效益的有效措施,是在开采工艺上的一项重要改革。无煤柱开采一般可使采区回采率提高10%～20%,有的甚至提高25%～30%。沿空掘巷可使巷道维护条件得到不同程度的改善,应用沿空掘巷使回采巷道维修量降低25%,巷道掘进率降低5%～10%,沿空留巷可使掘进率降低25%～33%,局部可达40%。结合煤矿现场实际,依据采空区边缘压力、开采煤层的厚度及煤层倾斜等情况,在长期的实践中区段无煤柱护巷形成了沿空留巷和沿空掘巷两大技术,但无论哪种方法都加剧了采空区之间的漏风。漏风量的加大势必加剧发火的危险性,通过多年的研究我国在防治煤炭自燃方面已经形成了以“阻化”和“惰化”为主体的一系列成型技术。然而,从采空区煤炭自燃角度看,采空区始终存在散热带、自燃带和窒息带,自燃带宽度亦决定了采空区浮煤自燃危险性的大小,自燃带越宽危险性就越大。作者通过对采空区自燃“三带”在堵漏前后差异的模拟,尤其通过比对自燃带,指出堵漏技术在无煤柱开采中的必要性。1氧化蓄热的风速上限值现今划分采空区自燃“三带”主要有临界风速法、临界氧浓度法和流场与氧气浓度结合法。本文采用流场与氧气浓度结合法(|v|≤v*∩c*≤c(e)),其中v*为自燃氧化蓄热的风速上限值,c(e)为单元平均氧浓度,c*为煤自燃氧化的氧浓度下限值。当漏风强度大于0.004m3(m2/s)时,由于渗流速度较大自燃失去了蓄热条件处于散热带,当氧气浓度小于7%时,由于含氧量较低,煤氧反应速度极其缓慢或停滞处于窒息带,当漏风强度小于等于0.004m3(m2/s)并且氧浓度大于等于7%时,既有充足的氧气又有良好的蓄热条件则处于自燃带。为简化在漏风强度与渗流速度之间的转化,此次模拟孔隙率取采空区通用平均值0.25,所以临界渗流速度为0.016m/s。2采区流场模型2.1煤的耗氧汇模型采空区冒落程度是非均匀的,一般随位置的不同差异很大,其渗流场可用变渗透性系数的达西渗流耦合计算来近似描述。假设采空区充分冒落,顶、底板不透气,则得到如下控制方程:∂∂x(kx∂H∂x)+∂∂y(ky∂H∂y)+∂∂z(kz∂H∂z)=0(1)Qx=−ku∇P(2)Qx⋅dcdx+Qy⋅dcdy+Qz⋅dcdz=DX∂2c∂x2+Dy∂2c∂y2+Dz∂2c∂z2−W(3)∂∂x(kx∂Η∂x)+∂∂y(ky∂Η∂y)+∂∂z(kz∂Η∂z)=0(1)Qx=-ku∇Ρ(2)Qx⋅dcdx+Qy⋅dcdy+Qz⋅dcdz=DX∂2c∂x2+Dy∂2c∂y2+Dz∂2c∂z2-W(3)式中,x、y、z为三维空间坐标;Qx、Qy、Qz分别为三维方向上的漏风强度,m3·m-2·s-1;P为压力,Pa;k为绝对渗透率,其值为实验所得,m2;u为空气粘性系数,kg·m-1·s-1;c为氧气的质量浓度,kg·m-3;D为氧气在煤体中的扩散系数,m2·s-1;W为煤的耗氧汇项,mol·m-3·s-1。综合考虑氧化及采空区内瓦斯涌出对氧气的稀释作用,可得出耗氧汇模型如下式:W=−W(O2)⋅H1H+W(c)(4)W(O2)=1−nn⋅cc0⋅γ0⋅eb0.t(5)W(c)=n⋅H⋅W(CH4)n⋅H+W(CH4)⋅c(6)H1=K1[M⋅(1−α)+m1](7)H=KpMK(0)p−1(8)W=-W(Ο2)⋅Η1Η+W(c)(4)W(Ο2)=1-nn⋅cc0⋅γ0⋅eb0.t(5)W(c)=n⋅Η⋅W(CΗ4)n⋅Η+W(CΗ4)⋅c(6)Η1=Κ1[Μ⋅(1-α)+m1](7)Η=ΚpΜΚp(0)-1(8)式中,W(O2)为煤的氧化耗氧量,mol·m-3·s-1;W(c)为考虑采空区内瓦斯涌出的稀释作用,与之等价的耗氧强度,mol·m-3·s-1;W(CH4)为采空区内部瓦斯涌出量,mol·m-2·s-1;γ0为煤耗氧速度的待定系数,mol·m-3·s-1;C0为新风流中的氧浓度,21%;H1为遗煤厚度,m;n为孔隙度;α为工作面回采率;k1为松散系数;m1为上部不可采煤层厚度,m;kp为压实碎胀系数;k(0)pp(0)为初始碎胀系数;M为采高,m;H为顶板冒落高度,m;。边界条件:在工作面边界上:p=R1Q2(L−y)(9)p=R1Q2(L-y)(9)在其他边界:p=0(10)p=0(10)在新鲜风边界上:c(O2)|Γ1=c(O2)(0)|Γ1=21%(11)c(Ο2)|Γ1=c(Ο2)(0)|Γ1=21%(11)式中:Γ1—第一类边界;R1—工作面单位长度的风阻,L—工作面长度,m;y—距工作面进风侧的距离;Q—工作面的平均风量。初始条件:c(φ)|τ=0=c(φ)(0)t|τ=0c(φ)|τ=0=c(φ)(0)t|τ=0(在计算域)2.2数值计算模型采空区流场高度远小于采空区平面尺寸,二维模型无论从精度还是节约计算时间上都要优于三维模型,基于上述原因文中在实际的数值计算时略去高度采用二维模型。图1中Ⅱ区为相邻采区采空区,Ⅰ区为回采区,本文选取Ⅰ区为研究对象,主要是采空区部分,时下工作面至开切眼为200m,工作面长度100m,进风巷风量1000m3/min。选取距工作面50m、100m、150m三处漏风点作为典型进行模拟比对分析。3计算值和结果分析3.1拉格朗日因子对于非线性的数学方程,本文采用迎风格式的有限单元法进行求解。数值计算过程使用COMSOL软件,将计算区域划分成4112个三角形网格,如图2所示。在等式约束优化问题的处理时引入了拉格朗日因子,从而使有限元方法得到了一个比较好的解。基于矿山现场实际,数值计算中参数选择如下:u=1.8×10-5kg·m-1·s-1,D=2.88×10-5m2·s-1,n取0.25,k=1.404×10-6m2,b0=0.0235℃-1,k1=1.5,M=4.5m,m1=0.4m,kp=1.1～1.5,γ0=0.098mol·m-2·h-1,R1=0.0013N·S2·m-8,W(CH4)=0.12～4.7mol·m-1·h-1。3.2采空区“三带”分布通过数值计算,无煤柱开采采空区流场情况如图3所示。进风主要集中在工作面的进风侧,回风则分布在工作面回风侧及三个漏风点,三个漏风点的存在使得采空区风流呈抛物线型分布,且漏风量自工作面向里逐渐减小。图中可明显看出开切眼附近亦有风流的出现,其主要原因有:(1)上覆岩层裂隙发育诱导采空区漏风;(2)采空区岩石冒落压实后与原保护煤柱之间形成了砌体梁结构使得开切眼附近裂隙变大。采空区漏风渗流场如图4所示,进、回风侧的速度较大,最大值为0.198m/s,在7m处始出现渗流风速上限值0.016m/s,50m处漏风点出现较大的风速值0.0196m/s。同时,图中显示在工作面进、回风侧风速梯度较大,随着采空区的深入风速梯度线变疏,上述现象之所以出现与采空区顶板的冒落及压实程度有直接的关系。采空区氧浓度分布如图5所示。采空区靠近工作面侧氧浓度值较大,自工作面向里逐渐变小,三个漏风点处氧浓度分别为15%、5%、0.5%,在90m处始出现自燃氧浓度浓度7%。图6所示为采空区遗煤氧化自燃“三带”分布。可以看出:散热带最大宽度为20m,最小宽度为7m;自燃带最大宽度为150m,最小宽度为80m,平均宽度为115m;冷却带最小宽度30m,最大宽度115m。图中显示,散热带及自燃带靠近进风侧宽度较大,其主要是,由于漏风点的存在使得工作面回风侧风量小于进风侧风量所致。同时,由于风速值较大,依据指标三处漏风点附近被划分为冷却带,且在第一个漏风点附近同时出现了下限7%的等氧浓度线。3.3采空区“三带”分布堵漏后,由于工作面两侧进、回风总量基本一致,故采空区内流场趋于规则分布。图7所示为采空区渗流场,流场整体呈对称分布。进、回风侧风速较大,最大值为0.0413m/s,8m处始出现自燃带上限风速值0.016m/s,随后逐渐降低。图8所示为采空区氧浓度分布线,随采空区位置向里氧浓度分布呈现出规律性的梯次渐变状态,整体微呈S型,自燃下限氧浓度始出现在73m处。图9所示为堵漏后采空区“三带”的分布,采空区自燃带最大宽度为70m,最小宽度为56m,平均宽度为62m;散热带最大宽度为18m,最小宽度为8m;距工作面78m以后采空区进入窒息带。与图6比较:堵漏前进风侧无论是上限风速等值线、下限氧浓度等值线整体呈现向深处移动;堵漏前自燃带无论是最大宽度还是平均宽度都较大,自燃带面积亦较大;堵漏后散热带明显呈对称分布。堵漏前采空区流场不规则,不稳定因素较多,对于已存在发火情况的采空区,随机性过多对火点位置的确定较困难,从而给及时灭火带来较大的困难。3.4无煤柱开采减少漏风技术措施无煤柱开采在提高回采率的同时,其实质上在采空区形成了一源多汇场加剧了内部漏风。图6及图9的模拟结果清晰的显示了漏风对“自燃带”宽度及位置的影响;同时,在无煤柱开采时,采空区的漏风,是使风流携带瓦斯变化的主要因素,从减少瓦斯涌出的角度而言,也应使采空区减少漏风量。减少漏风主要从降低风压差和增大风阻两方面采取措施,有在煤壁外表面建密封设施的,也有喷注树脂、凝胶、水泥浆等浆液材料到压实区或充填区的,另外在煤柱中打孔注入混凝土灰浆、塑性石膏浆、凝胶等也已经证明是有效果的。现今国内外在无煤柱开采防止漏风的具体技术措施主要有:沿空巷道挂帘布、利用飞灰充填带隔绝采空区、利用水砂充填堵漏、喷涂塑料泡沫防止漏风、利用可塑性胶泥堵塞漏风及采取“均压”措施,减少漏风。上述措施已在兴隆庄矿、芦岭矿、古山矿、松藻矿及义马常村矿、枣庄柴里矿等多处得到应用,并取得了一定的应用效果。4采空区“三带”动态风速模型(1)在建立数学模型时,对于耗氧汇综合考