特厚煤層綜放工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

特厚煤層綜放工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

0注氮氣滅火措施礦山火災(zāi)是礦山的主要災(zāi)害之一?！睹旱V安全規(guī)則》規(guī)定，“應(yīng)采取綜合預(yù)防和撲滅措施，并在廣泛的場所合并授力體”。目前,國內(nèi)注氮氣滅火工藝已經(jīng)比較成熟,但采空區(qū)大多是在預(yù)防前提下降溫。怎樣降低遺煤溫度,消除火災(zāi)隱患,氮氣滅火在發(fā)火期短的礦井中,在實際的撤出支架過程中較難達(dá)到。液氮降溫具有氮氣和其他滅火方式所不具備的優(yōu)勢。13315年前的條件和目1.13315頁總結(jié)1.2液氮降溫在工作面正常推進(jìn)過程中,一直采用0.33m3/s的流量注入氣氮,管口在工作面下部15m處。由于分層3313工作面舊巷處仍然出現(xiàn)高溫,決定同時采用液氮進(jìn)行降溫防滅火。液氮降溫的目標(biāo)是使工作面后方采空區(qū)40m內(nèi)的冒落帶溫度降至正常溫度25℃。現(xiàn)已在工作面下部埋入?50mm白鋼管23m,外部套?150mm普通鋼管。?50mm管管材為0Cr18Ni9不銹鋼管,其韌性非常優(yōu)良,適用于在室溫和低溫下的各種環(huán)境中使用。為保證液氮進(jìn)入采空區(qū)為液態(tài),在采空區(qū)至注氮灌采用保溫管。采空區(qū)埋入束管及熱敏電阻,布置如圖1所示。233頂板模型仿真模型液氮降溫區(qū)域工作面后方40m,臨近停采線的10m范圍內(nèi)不放煤,后面30m正常放頂煤開采。煤和巖石的碎脹系數(shù)均為1.3,冒落高度為40m,充滿整個空間。工作面長150m,加上兩巷,模型長度為157m,高度為40m,寬度40m。在上部的17m處已布置?150mm普通鋼管,注氮期間打開。3預(yù)氮生產(chǎn)參數(shù)的確定3.1煤巖體中的熱量煤和巖石的碎脹系數(shù)均為1.3,煤質(zhì)為煙煤,煙煤的導(dǎo)熱系數(shù)為0.258w/(m.k),導(dǎo)溫系數(shù)為α=2.0×10-7。海州立井3315工作面煤的揮發(fā)分為39.08%,0℃時其比熱容為970J/(kg.K)。計算過程中考慮空氣降溫,上分層舊巷遺煤熱量,圍巖暴露時間較短,圍巖受風(fēng)流冷卻的調(diào)熱圈不大,圍巖可視為半無限體。巖石和未放煤的熱量的主體,但不可能全部降溫,考慮液氮降溫的影響深度,考慮煤巖體降溫梯度為線性,平均降溫2.5℃。由熱量計算公式計算,得被采空區(qū)吸收總熱量為16,982,632kJ。氮為低溫液化氣體,在101.325kPa壓力下,液氮沸點為-195.65℃。液氮(77K)密度ρ=808.6kg/m3。低溫液體汽化為氣體時,體積會迅速膨脹,在0℃,101.325kPa狀態(tài)下,1L液體汽化為氣體氮為647L。假設(shè)煤巖體釋放出的熱量完全用于蒸發(fā)液氮,飽和液氮在-196℃時的汽化潛熱γ=198.64kJ/kg,0℃時氮氣的定壓比熱是1.039kJ/(kg·℃),而假設(shè)低溫氮氣從-196℃溫度升至0℃,則吸收的熱量約為203kJ/kg。也就是說,冷氮氣仍可利用,其冷量接近液氮的汽化潛熱。-196℃(77K)的液氮變?yōu)?℃的氣體時吸收的熱量為420kJ/kg。經(jīng)計算得需液氮量為50m3。取注氮系數(shù)1.2,則需液氮60m3。若每個液氮罐的容積為0.5m3,則需要120罐液氮。3.2正常注氮階段3315工作面采空區(qū)注氮采用分組連續(xù)注氮方法,共需液氮罐12個。注氮時可采用4罐1組,分為3組,第1組為試驗注氮階段,可采用稍小的流量1.0～1.3m3/h,4罐可注1.5～2h;之后根據(jù)采空區(qū)溫度等監(jiān)測情況可適當(dāng)加大流量為2m3/h,進(jìn)入正常注氮階段,1h可注1組(4罐),注完一組后,更換一組罐繼續(xù)注,3組液氮罐輪換注氮,空罐及時運輸?shù)降孛婀嘌b液氮,為保證注氮的連續(xù)性,每組空罐從井下注氮地點運輸運到地面、灌裝液氮、返回到井下注氮地點的時間要控制在2h以內(nèi)。連續(xù)注氮方法:1天3班24h連續(xù)式注氮,每小時可注1組(4罐),每小班有效注氮時間按7h計算,每小班可注液氮7×4=28罐,注氮總時間120/28=4.3小班。計劃5個小班注完。3.3注氮、氮氣注氮圍巖溫度:圍巖溫度25℃。降溫目標(biāo):空間溫度25℃,煤巖影響深度5cm。注氮參數(shù):注氮時可采用4罐1組的方法,開始時可采用稍小的流量1.0～1.3m3/h,4罐可注1.5～2h。注氮流量:按計算流量取2m3/h,即2×647=1294m3/h=0.3594m3/s;注氮管出口氮氣溫度:按試驗取-100℃;防滅火注氮量:1200m3/h=0.3333m3/s,常溫20℃,濃度98%;密閉后通風(fēng)量:24m3/min,氮氣20m3/min。4cs網(wǎng)格模型文中采用Phoenics軟件分析液氮在采空區(qū)的運移規(guī)律,以及溫度場的變化規(guī)律。Phoenics是英國CHAM公司開發(fā)的世界上第一套模擬傳熱、流動、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件,有30多年的歷史?？梢詫θS穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬,包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動,并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面,Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)場合的湍流模型,包括雷諾應(yīng)力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異,共計21個湍流模型,8個多相流模型,10多個差分格式。網(wǎng)格系統(tǒng)包括直角、圓柱、曲面(包括非正交和運動網(wǎng)格,但在其VR環(huán)境不可以)、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格。氮氣流動三維圖如圖2所示,氧氣濃度分布圖如圖3所示。通過計算機的模擬運算,可以看出以下規(guī)律:(1)注入液氮后,3315工作面采空區(qū)下部及中部降溫明顯,可有效地降低上分層遺煤高溫區(qū)的溫度,在支架撤出前達(dá)到防止自燃的目的。(2)注入液氮后,3315工作面采空區(qū)氧氣濃度平均<10%,氮氣濃度平均約達(dá)到85%～90%;可惰化采空區(qū),起到阻止遺煤自燃的作用。(3)注氮后溫度場的總體分布規(guī)律是:中下部煤體溫度較低,為-45～15℃,降溫幅度較大,達(dá)15℃以上;上部煤體也有一定降溫,為22～28℃,降溫幅度2～8℃;未放煤區(qū)域溫度較高,為21～28℃,降溫幅度為2～9℃。由于滅火注氮的流動作用促使液氮降溫方向往采空區(qū)內(nèi)移動,上部有漏風(fēng)口(?150mm管),有利于降溫方向往上移動。其在高度上的溫度分布場如圖4所示,對其在空間上的72個預(yù)測點溫度進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表1,其測點位置見圖1。5工作面現(xiàn)狀及注意管口連接方式(1)通過多次模擬,上部排空氣管口對液氮的流動方向起著至關(guān)重要的作用,直接影響其徑向流動方向。(2)日常注氮氣促使液氮向采空區(qū)內(nèi)移,防止液壓支架凍壞。(3)溫度在下部中部降溫比較明顯,上部不明顯。(4)海州立井50h,連續(xù)注液氮60m3,在注入19m3時出現(xiàn)管路結(jié)凍現(xiàn)象。需注意管口連接方式,注氮口要高于地面1m,并加以木垛保護(hù)。3315工作面位于海州立井工業(yè)廣場以南,處于高德、向背斜軸與NNE向巖墻之間,走向平均長度為150m,傾斜向平均長度為167m左右,面積約為0.03km2。該面開采太上層煤,厚度在10.8～23.0m左右,煤層為復(fù)合煤層,夾矸厚度變化比較大。采高2.5m,工作面回采率80%。煤層自燃發(fā)火期3～6M,最短為10～15d。煤層頂?shù)装寰鶠槟噘|(zhì)粉砂巖,粉砂巖夾薄煤線復(fù)合形成頂?shù)装濉?/p>