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[摘 要]本文为了有效杜绝姚桥煤矿7706工作面采空区煤炭自然发火的事故，利用数值模拟分析的方法，建立了一组采空区压注CO2气体情况下的二维数值模型，合理分析了7706工作面采空区“三带”的分布规律，根据实际情况说明了压注CO2气体防灭火的有效性。结果表明：向工作面采空区压注CO2防灭火气体，可以有效降低采空区的氧气体积分数，抑制采空区煤炭自燃。
[关键词]自然发火；数值模拟；CO2
中图分类号：TD75+3.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0253-02
0引言
矿井火灾是矿井生产工作中面临的主要灾害之一，我国每年都会发生多起井下火灾事故，损坏电气设备甚至造成人员伤亡，给矿井的正常生产工作带来巨大的安全隐患[1]。因此，治理矿井火灾尤其是采空区煤炭自然发火事故已成为研究矿山安全生产领域的重要组成部分。
1 概况
7706综采放顶煤工作面位于东六采区，7、8#煤层联采，自燃倾向等级为Π类，煤层为自然煤层。工作面走向长度1285m，倾向长度：189m，煤层倾角：（1-17）/11°，煤层厚度为8m，设计采高8m，回采率85%。由于7706工作面煤层厚度大，推进速度慢，且有大量的煤炭遗落至采空区。因此，7706工作面面临较为严重的防灭火形势。
目前，国内外学者就采空区煤炭自燃提出了一系列的解决方案，包括注浆、压注惰性气体、压注三相泡沫、均压、压注凝胶等方式[2]。由于7706工作面大角度俯采、推进速度慢等客观现实，采用CO2惰性气体防灭火成为较为可行的方案[3]。
2 采空区压注CO2数值模拟
2.1 数值模型的建立
本文根据工作面的实际情况，利用Gambit软件建立采空区数值模拟的模型，如图1所示。工作面采用“U”型通风方式，倾向长189m，模拟空间为距工作面纵深300m的采空区范围内。
在建立几何模型之后，对模型进行网络划分、边界条件设定。设定条件为工作面入口风量1500m3/min，由进风隅角向采空区漏风，采空区内孔隙率设定为0.3。设定完各项参数后，对模型进行网格划分，如图2所示。
2.2 数值模拟
将模型导入Fluent数值模拟软件，根据已设定的边界
参数，进行数值模拟工作。
模拟方案如下：
（1） 工作面正常生产情况下，模拟采空区漏风并分析氧气体积分数分布区域，大致判断出采空区“三带”分布情况，如图3所示。
⑵根据模拟出的采空区“三带”分布，确定CO2气体释放口的布置点为距进风隅角70m处。
⑶分析压注CO2气体对采空区氧气体积分数的影响，进而分析压注惰性气体抑制采空区煤炭氧化反应的效果，如图4所示。
2.3 模拟效果分析
根据模拟结果可以看出：
（1） 风流由进风巷流入工作面，沿工作面进风隅角渗入采空区，自采空区沿回风隅角渗出采空区。
（2） 模拟结果表明，在未压注CO2气体的情况下，工作面风流最远可渗入采空区约180m处。而根据最常用的采空区“三带”划分指标，由图3中看出，采空区内的氧化带宽度约为30m，冷却带的范围较大。
⑶从图4中可以看出，压注CO2气体后，采空区内的氧气体积分数分布发生明显的变化，氧化带、冷却带的被大幅压缩，约为采空区内90米处，窒息带的范围有明显的扩大。
⑷通过模拟可以说明，采空区压注CO2惰性气体可
以明显降低采空区氧气含量，如图5所示。抑制了采空区遗煤氧化，保证工作面安全生产。
3 现场实际应用
7706工作面自2013年11月正式回采，日推进度约2.4m，由于煤层厚，日推进速度较慢，有大量煤炭遗落至采空区。因此，根据7706工作面的实际情况，于进风巷埋设4寸防灭火管路，随采随埋，保证管路释放口位置在采空区氧化带内。回风巷埋设束管监测系统，保证取得真实的采空区气体数据。
经过连续多日的观察，发现采空区内及回风隅角的CO气体浓度不断上升，且采空区内的氧气体积分数有下降趋势。可以判断采空区内煤炭正进行氧化反应，消耗大量O2并生成CO气体。根据实际情况，于14日早班向采空区内压注CO2惰性气体。连续压注两天，共20吨。压注前、后的气体情况如图6所示。
可以看出，压注CO2气体后，采空区内CO有明显的下降趋势，有效地抑制了采空区内煤炭自然发火的趋势。
4 结论
（1） 压注CO2惰性气体对抑制采空区煤炭自燃是有显著效果的。
（2） 压注CO2惰性气体可以大幅度地压缩采空区内氧化带的范围，尤其是进风巷区域的氧化带压缩更为明显。
（3） 压注释放口应选在氧化带内，这样抑制煤炭氧化效果最好，且可以大大减少采空区的漏风量。
参考文献：
[1] 王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社.2008.
[2] 王国旗，邓军，张辛亥.综放采空区二氧化碳防灭火
参数确定[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版， 2009， 28（2）：169-172.
[3] 李宗翔，单龙彪，张文君.采空区开区注二氧化碳防灭火的数值模拟研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版）， 2004，19（3）：5-9.
[4] 王俊峰，李有忠.注二氧化碳防火时采空区气体变化与“三带”分布状况的检测[J].太原理工大学学报， 2000， 31（6）：638-641.
[5] 张辛亥，刘灿，周金生，等.综放面采空区流场模拟及自燃危险区域划分[J].西安科技大学学报，2006，26（1）：6-9.
[6] 谭允祯，张东俭等.综采放顶煤工作面采空区自燃区的划分[J].山东科技大学学报（自然科学版），2001，21（1）：69～71.
作者简介
姜二龙（1981.03.15），男，汉族，江苏沛县人，大学文化，助理工程师，现从事大屯煤电公司姚桥煤矿“一通三防”工作。
[关键词]自然发火；数值模拟；CO2
中图分类号：TD75+3.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0253-02
0引言
矿井火灾是矿井生产工作中面临的主要灾害之一，我国每年都会发生多起井下火灾事故，损坏电气设备甚至造成人员伤亡，给矿井的正常生产工作带来巨大的安全隐患[1]。因此，治理矿井火灾尤其是采空区煤炭自然发火事故已成为研究矿山安全生产领域的重要组成部分。
1 概况
7706综采放顶煤工作面位于东六采区，7、8#煤层联采，自燃倾向等级为Π类，煤层为自然煤层。工作面走向长度1285m，倾向长度：189m，煤层倾角：（1-17）/11°，煤层厚度为8m，设计采高8m，回采率85%。由于7706工作面煤层厚度大，推进速度慢，且有大量的煤炭遗落至采空区。因此，7706工作面面临较为严重的防灭火形势。
目前，国内外学者就采空区煤炭自燃提出了一系列的解决方案，包括注浆、压注惰性气体、压注三相泡沫、均压、压注凝胶等方式[2]。由于7706工作面大角度俯采、推进速度慢等客观现实，采用CO2惰性气体防灭火成为较为可行的方案[3]。
2 采空区压注CO2数值模拟
2.1 数值模型的建立
本文根据工作面的实际情况，利用Gambit软件建立采空区数值模拟的模型，如图1所示。工作面采用“U”型通风方式，倾向长189m，模拟空间为距工作面纵深300m的采空区范围内。
在建立几何模型之后，对模型进行网络划分、边界条件设定。设定条件为工作面入口风量1500m3/min，由进风隅角向采空区漏风，采空区内孔隙率设定为0.3。设定完各项参数后，对模型进行网格划分，如图2所示。
2.2 数值模拟
将模型导入Fluent数值模拟软件，根据已设定的边界
参数，进行数值模拟工作。
模拟方案如下：
（1） 工作面正常生产情况下，模拟采空区漏风并分析氧气体积分数分布区域，大致判断出采空区“三带”分布情况，如图3所示。
⑵根据模拟出的采空区“三带”分布，确定CO2气体释放口的布置点为距进风隅角70m处。
⑶分析压注CO2气体对采空区氧气体积分数的影响，进而分析压注惰性气体抑制采空区煤炭氧化反应的效果，如图4所示。
2.3 模拟效果分析
根据模拟结果可以看出：
（1） 风流由进风巷流入工作面，沿工作面进风隅角渗入采空区，自采空区沿回风隅角渗出采空区。
（2） 模拟结果表明，在未压注CO2气体的情况下，工作面风流最远可渗入采空区约180m处。而根据最常用的采空区“三带”划分指标，由图3中看出，采空区内的氧化带宽度约为30m，冷却带的范围较大。
⑶从图4中可以看出，压注CO2气体后，采空区内的氧气体积分数分布发生明显的变化，氧化带、冷却带的被大幅压缩，约为采空区内90米处，窒息带的范围有明显的扩大。
⑷通过模拟可以说明，采空区压注CO2惰性气体可
以明显降低采空区氧气含量，如图5所示。抑制了采空区遗煤氧化，保证工作面安全生产。
3 现场实际应用
7706工作面自2013年11月正式回采，日推进度约2.4m，由于煤层厚，日推进速度较慢，有大量煤炭遗落至采空区。因此，根据7706工作面的实际情况，于进风巷埋设4寸防灭火管路，随采随埋，保证管路释放口位置在采空区氧化带内。回风巷埋设束管监测系统，保证取得真实的采空区气体数据。
经过连续多日的观察，发现采空区内及回风隅角的CO气体浓度不断上升，且采空区内的氧气体积分数有下降趋势。可以判断采空区内煤炭正进行氧化反应，消耗大量O2并生成CO气体。根据实际情况，于14日早班向采空区内压注CO2惰性气体。连续压注两天，共20吨。压注前、后的气体情况如图6所示。
可以看出，压注CO2气体后，采空区内CO有明显的下降趋势，有效地抑制了采空区内煤炭自然发火的趋势。
4 结论
（1） 压注CO2惰性气体对抑制采空区煤炭自燃是有显著效果的。
（2） 压注CO2惰性气体可以大幅度地压缩采空区内氧化带的范围，尤其是进风巷区域的氧化带压缩更为明显。
（3） 压注释放口应选在氧化带内，这样抑制煤炭氧化效果最好，且可以大大减少采空区的漏风量。
参考文献：
[1] 王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社.2008.
[2] 王国旗，邓军，张辛亥.综放采空区二氧化碳防灭火
参数确定[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版， 2009， 28（2）：169-172.
[3] 李宗翔，单龙彪，张文君.采空区开区注二氧化碳防灭火的数值模拟研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版）， 2004，19（3）：5-9.
[4] 王俊峰，李有忠.注二氧化碳防火时采空区气体变化与“三带”分布状况的检测[J].太原理工大学学报， 2000， 31（6）：638-641.
[5] 张辛亥，刘灿，周金生，等.综放面采空区流场模拟及自燃危险区域划分[J].西安科技大学学报，2006，26（1）：6-9.
[6] 谭允祯，张东俭等.综采放顶煤工作面采空区自燃区的划分[J].山东科技大学学报（自然科学版），2001，21（1）：69～71.
作者简介
姜二龙（1981.03.15），男，汉族，江苏沛县人，大学文化，助理工程师，现从事大屯煤电公司姚桥煤矿“一通三防”工作。