作者：张惠文
CO2是常用的防灭火惰性气体，它注入采空区后可降低氧含量，使采空区惰化抑爆，而低温CO2更是具有冷却降温作用。CO2预防采空区遗煤自燃能否取得良好的效果，注人口位置的选择是关键因素，常用的注惰气方法是将管路埋入采空区氧化带。为能控制流量保证安全，低温CO2注入开放采空区需要将其气化后进行注入，此时其仍然具有较低温度。低温CO2直接注入采空区会引起气体浓度场与温度场的叠加变化，对采空区自燃三带的分布产生复杂的影响，显然利用传统的方法类推低温C02注入位置参数不具有合理性。
对惰性气体注入参数的研究常用的研究方法是数值模拟或现场试验。李宗翔、鹿存荣等利用数值模拟的方法，研究了采空区注氮参数和开区注氮条件下采空区遗煤自燃规律；郝朝瑜等通过现场实测的方法得到了注氮条件下采空区自燃三带的分布范围；王国旗等采用数值模拟的方法，研究了注常温C02出口不同位置、不同流量时综放采空区自燃“三带”的分布规律；安满林利用理论计算的方法得出了采空区最佳注惰气口位置的表达式，考虑了采空区不同位置漏风量与氧浓度等参数；宋宜猛在采空区注N2量计算式的基础上推导了火区防火时注入低温C02量的计算式，并类推了注人口位置等参数。以上研究结果多数或是针对采空区注N2技术开展的，或只研究常温C02气体惰化效果，不研究降温作用，从而没能很好的反应出低温C02防治采空区煤自燃时的优势。目前，随着低温C02注入采空区防灭火装备的日趋成熟，使其在采空区煤自燃防治方面的应用越来越广泛。因此，有必要在综合考虑注入低温CO2对采空区惰化降温的耦合作用基础上，研究确定低温C0O注入采空区的合理出口位置。
笔者结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件，通过应用采空区碎胀系数分布规律模型、遗煤耗氧速率模型和遗煤氧化放热强度模型，构建低温CO2注入采空区惰化降温耦合作用规律的数值计算模型，应用数值模拟的方法分析不同位置注入低温CO2对采空区温度场和气体浓度场的影响，得出合理的注入低温CO2位置参数。
1 采空区气体流动的数学模型
1.1 采空区流场基本控制方程
主要模拟CO2，O2等气体在采空区中的扩散传播规律。数值模拟用到的基本方程如下：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
组分运输方程：
能量守恒方程：
式中：pf为混合气体密度，kg/m3；ui为i方向上采空区的平均速度分量，ms；Sm为采空区内气体质量增加量，kg/( m3．s)；p为气流微元上的压强，Pa；u为黏度，Pa·s;g为重力加速度，9.81H/S2；Si为i方向上气体在采空区多孔介质运移过程中附加的动量损失源项，Si=
-ui其中，后为渗透率，m2；Yn为采空区混合气体中组分n的质量分数；
为采空区混合气体中组分n的扩散流量，kg/( m2·s)，
=-pf·Dn·ΔYn,Dn物质n的质量扩散系数，m2/s；Rn为采空区混合气体中组分n的化学反应生成量，
kg/( m3．s)；Sn为采空区混合气体中组分n的源相，kgr/(H13．s)；ε为多孔介质孔隙率，把采空区看做各向同性多孔介质，这里指采空区孔隙率；JD，为多孔介质中固体物质的密度，kg/m3；Ef为采空区混合气体所具有的总能量，Ef=hf-
，J/kg,其中，hf为单位质量混合气体的焓，Es为多孔介质中，固体介质的总能量，这里指煤或岩石的总能量，也就是煤或岩石的内能，J/kg；keff为多孔介质的有效热传导系数，w/(m．K)；Φ为黏性耗散函数；hhs为采空区单位时间内、单位体积上的煤自燃生成热，J/( m3．s)。
1.2采空区非线性渗流方程
风流在采空区的流动可以视为气体在多空隙介质中的稳定渗流流动，可以用多空隙介质流体力学的理论来进行采空区气体动力学的研究。一般认为采空区风流流动规律遵循Bachmat提出的非线性渗流方程：
2 数值计算模型的建立
2.1 几何模型建立
模型参照宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209综采工作面。煤层平均厚度3. 8m，平均倾角5 0，为近水平煤层，工作面长度156m，推采长度646m，循环进度0. 6m，日割5刀煤。通风方式为“U”型，风量为2070ff13／miri，进回风巷道断面l4 m2。在回风巷顶板往上5~10 m内错4m布置低抽巷进行瓦斯抽采，抽采量为l80m3/min。煤的自燃倾向性为Ⅱ类自燃，最短发火期为48天。根据我国经验公式垮落带高度一般为3～4倍的采高，加上煤层开采厚度，整个垮落高度可达15.2~19m，可取平均为17. Im，采空区遗煤厚度取0. 5m。
根据工作面的实际情况，综合考虑方便数值计算模型网格的划分，确定采空区几何模型大小为：工作面长度150 ni，采空区深度考虑窒息带深度设为300m，高度为冒落带高度17. 5m。低位抽采巷垂高Z= 12. Sm，水平位置Y=141m。注CO2气体出口位置分别考虑X= lOm，20m，30m，40m，50m共5种情况，距底板高度均为Z= 0.5m,计算模型如图1所示。
2.2采空区冒落情况
随工作面的推进，采空区上覆岩层冒落呈O-X型破裂。采空区中部的采动裂隙和自由冒落岩石基本被压实，而采空区四周煤柱侧离层裂隙和冒落裂隙将保持下来，考虑到这一理论因素，采空区冒落碎胀系数分布按表达式(6)进行描述，顶板初始垮落碎胀系数取较为松散的1.6，压实后的碎胀系数取较为紧密的1.1：
式中：K（x，y)为采空区冒落碎胀系数，无因次；Kmax为初始冒落的碎胀系数，无因次；Kmin为压实后的碎胀系数，无因次；mo，mi分别为距离固壁和工作面的衰减率，m-1；do，d1分别为点(x，y)与固壁和工作面边界的距离；p=
为近煤壁调整系数；ξ为控制模型分布形态的调整数，具体可通过试算确定。取m1=0. 036 8，mO=0.268，ξ=0.233时的K（x，y)分布显示结果如图2。
2.3 遗煤耗氧与放热强度
耗氧速率uo（T）与温度、煤的粒径、遗煤厚度和反应时的氧气浓度等有关，宣东二号矿Ⅲ3层煤的耗氧速率根据前人研究结果确定为：
式中：kb为粒径影响系数，取0.25；kh为煤厚影响系数，取0.4；T为温度，K；c为反应时实际氧气浓度；co为大气中氧气浓度，取20. 96%。
采空区底部浮煤自燃的最直观表现为遗煤内部热量积聚，温度升高。一般认为，煤温到70~80℃达到自热温度，煤将加速氧化很快出现自燃现象。宣东二号矿Ⅲ3层煤工作面正常推进时，在最短自然发火期48天以内，工作面能够推进120~150m左右，采空区一般不会出现自然发火，说明该距离大于采空区氧化自燃带的宽度。此时，采空区温度也会处于自热温度以下。在前人研究的基础上，再根据以上Ⅲ3层煤工作面具体条件，构建放热强度Qo(T)与温度T回归方程为：
式中：kb为粒径影响系数，取0.25；Kh为煤厚影响系数，取0.4；T为温度，K；ω为工作面推进速度影响系数，正常推进时取1；c为反应时实际氧气浓度，%；co为标准大气下氧气浓度，取20.96%。
2.4边界条件
采空区的边界条件为：进风顺槽为速度人口，进风速度为2. 464m/s．回风顺槽和高抽巷均为充分射流出口( outflow)，其流率权值按实际抽放量进行换算。采空区的固壁认为是不漏风的，绝热的。进风巷的氧气浓度为标准空气的氧气浓度20. 96%，二氧化碳浓度0.04%，瓦斯浓度为0，采空区瓦斯涌出量为30 m3／min。低温CO2在注入管内即变为气态，浓度99%，温度可根据CO2在储罐内的储存条件设为- 20℃。
3 注入位置对采空区惰化降温的耦合作用
3.1 采空区氧浓度场变化规律
采空区遗煤平均厚度设为0. Sm，此处选取遗煤高度Z= 0.4m处研究自燃氧化带的分布。图3与图4分别为注入CO2量540 m3/h和720m3/h时，注入位置的不同引起采空区氧浓度场变化情况。采空区氧化带宽度为氧浓度7%~18%的范围。
从模拟的结果来看，未注入CO2气体时，采空区氧化带呈“L”形分布，最大宽度92m，最小宽度12m。而在注入CO2后，分别模拟注入量为540II13／l1和720m3/h两种情况，当注人口埋入采空区lOm时，两种情况下采空区氧化带边界均发生变化，其中氧浓度7%的边界向采空区深部移动，氧浓度18 010的边界向工作面方向偏移，氧化带宽度大幅增加，造成这一现象的原因是注入口距离工作面太近，注入的CO2大部分从采空区浅部散热带流向工作面和上隅角，而采空区中深部的氧气却没有被稀释，反而由于浅部C02的注入，温度与氧浓度的下降，减缓了煤对氧气的消耗，使氧化带宽度增大；当注人口埋人采空区20m时，采空区深部氧浓度7010的氧化带边界在进风侧急剧向采空区浅部移动，CO2对氧气的稀释作用开始体现，而采空区氧浓度18%的浅部边界与未注入CO2时基本一致，氧化带最大宽度减小为原始氧化带宽度的约1/2；当注入口埋入采空区30m时，注入CO2对采空区漏风中氧气的稀释作用依然能够得到体现，总体上氧化带最大宽度降低为原始采空区氧化带宽度的1/3；当注入口埋入采空区40m和50m时，按氧浓度划分的氧化带边界和最大宽度变化趋势与注入位置30m时基本一致，变化程度非常小。
3.2 采空区温度场变化规律
图5与图6为距煤层底板为0. 4m平面，540 m3／h和720m3/h两种注入流量条件下，不同CO，出口位置的采空区温度场分布。
由图可知，未采用CO2防灭火措施时，采空区高温区域分布情况与氧化带分布情况基本一致，高温峰值点(321. 33K)出现在靠近回风侧采空区氧化带内。在散热带内，煤低温氧化产生的热量被漏风带走，并随风流向深部采空区回风侧逐渐积累；在氧化带内，漏风流速适中，煤氧化产生的热量逐渐积聚，温度不断升高，并出现最高温度；在窒息带，采空区氧浓度迅速降低，浮煤氧化基本停止，温度逐渐降低，并在采空区深部达到一个稳定的水平(约307K)。
在采用注低温CO2防灭火措施后，由于其惰化降温作用，稀释采空区氧气的同时降低采空区的温度，使遗煤与氧发生化学反应的速率降低，放热强度大幅下降。对比注入量Q注=540m3/h和Q注=720m3/h两种情况，注入量大时降温效果更为明显。对比不同注入位置时采空区温度场的变化可以看到，随着注入位置向采空区深部移动，注入CO2的降温区域范围逐渐增大，同时采空区深部温度也随着注入口向深部移动而逐渐降低，但在注人口位置距离工作面超过一定距离时，采空区回风侧氧化带又会出现较高的温度点，不利于防火工作。
3.3惰化降温耦合作用下注入出口的合理位置
综合考虑采空区氧浓度场、温度场，分别将按氧浓度划分采空区氧化带最大宽度Wmax以及采空区高温点高温峰值Tmax为纵坐标，以注人口位置为横坐标绘制散点图并拟合，如图7所示。
由图7可以看出，综合采空区流场、氧浓度场和温度场进行分析：在注入位置为lOm时，注入的CO2能够覆盖部分氧化带和散热带遗煤，在氧浓度场方面，由于此时大部分CO2从采空区散热带和部分靠近工作面的氧化带经过并汇人工作面回风流，对采空区中深部氧化带中氧气没有起到相应的稀释作用，相反由于CO2的注入降低了采空区浅部的氧浓度和温度，使采空区整体遗煤耗氧量下降，出现了采空区氧化带宽度增大的现象；而在温度场方面，采空区回风侧氧化带高温点温度下降较大。在注入位置为20m时开始，大部分注入的CO2进入采空区氧化带，在氧浓度场方面，CO2的稀释作用开始显现，采空区最大氧化带宽度明显减小；温度场方面，由于流经采空区散热带和部分靠近工作面的氧化带的CO，减少，此时对采空区浅部稀释冷却作用下降，遗煤产热量增加，因此，采空区氧化带回风侧高温点温
度有所回升，但幅度不大；而在注入位置为30m时，氧浓度场方面，CO2的稀释作用更为明显，采空区氧化带最大宽度减小至35m;温度场方面，氧化带高温峰值点温度虽有所上升，但只有约3℃左右。当注入口进一步向采空区深部移动达到40m或50m时，此时氧化带宽度减小十分有限，而采空区高温点温度将持续升高。因此，得出合理的注入低温CO2位置为距工作面支架尾梁20~ 30m。
4结论
1)低温CO2注入采空区防灭火，对采空区气体的浓度场和温度场均会产生影响。由于两场之间存在着相互作用、相互影响的耦合的关系，使以氧浓度为指标的采空区自燃三带分布的变化规律更为复杂。
2)随着注入低温CO2位置在采空区内逐渐向深部移动，采空区氧化带宽度会呈现先缓慢增大，后迅速减小，最终趋向稳定的变化规律；采空区氧化带内高温点的温度呈现先迅速下降，后缓慢上升，最后呈线性增长的变化规律。
3)低温CO2注入采空区的合理位置需要综合考虑其惰化降温的耦合作用。结合采空区氧气浓度场与高温点温度值的变化规律，使二者均能位于合理的区间范围，从而做到最大程度的保证注入效果，确保安全生产的目的。
5摘要：
为了更好的使用低温CO2预防采空区煤自燃事故，利用FLUENT数值模拟的方法，结合宣东二号煤矿III3煤层209工作面的实际条件，构建了考虑采空区不同压实程度的低温CO2注入采空区惰化降温耦合作用数值计算模型；分别研究了CO：注入量为540rm3/h和720m3/h时，不同注入位置对采空区氧化带内最高温度点和氧化带宽度变化的影响。研究表明，合理的低温CO2注入位置为距工作面支架尾梁20~ 30m。
