采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的數(shù)值模擬

劉佳佳,　高建良,　王　丹

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027;2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003;3.河南理工大學(xué) 瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室, 河南 焦作 454003)

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采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的數(shù)值模擬

劉佳佳1,高建良2,3,王丹1

(1.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150027;2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003;3.河南理工大學(xué) 瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室, 河南 焦作 454003)

利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent對潞安集團(tuán)某礦6206綜采工作面采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究工作面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)時采空區(qū)自燃帶和瓦斯的分布規(guī)律。結(jié)果表明：將6206綜采工作面改造為Y型通風(fēng)系統(tǒng)后，工作面和采空區(qū)的最低負(fù)壓區(qū)在回風(fēng)巷出口處，涌出的瓦斯涌入回風(fēng)巷后排出，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量較大，散熱帶基本處于采空區(qū)整個區(qū)域內(nèi)，自燃帶范圍較??；Y型通風(fēng)方式可以有效防止采空區(qū)煤炭自燃，解決上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷瓦斯超限問題。工作面的理論計算風(fēng)速值與數(shù)值模擬風(fēng)速值吻合，驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。

Y型通風(fēng); 采空區(qū); 瓦斯運移; 數(shù)值模擬

0　引　言

近年來,隨著煤層開采深度的增加,采掘工作面的瓦斯涌出量呈明顯增長趨勢。受綜采工作面回采強(qiáng)度大,采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)量大等因素的影響,煤礦采煤工作面普遍使用的U型通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)巷和上隅角瓦斯超限問題越來越嚴(yán)重,制約著綜采工作面安全、高效生產(chǎn)[1]。

解決瓦斯積聚最有效最基本的措施是加強(qiáng)通風(fēng),因此,選擇合理、可靠的工作面通風(fēng)系統(tǒng)是防止瓦斯積聚和采空區(qū)漏風(fēng)引起煤炭自燃的關(guān)鍵[2]。目前,國內(nèi)的許多專家學(xué)者對Y型通風(fēng)系統(tǒng)條件下的綜采工作面采空區(qū)流場和瓦斯運移規(guī)律進(jìn)行了大量研究。何磊、楊勝強(qiáng)等[3]的研究結(jié)果表明,Y型通風(fēng)系統(tǒng)可以消除采空區(qū)上隅角的集中漏風(fēng),有效解決U型通風(fēng)上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷瓦斯超限等問題;徐鈞、戚良鋒等[4]利用模擬軟件Fluent對“兩進(jìn)一回”Y型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)流場和瓦斯?jié)舛葓鲞M(jìn)行了模擬研究,得到采空區(qū)瓦斯流動及濃度分布規(guī)律;王峰、程遠(yuǎn)平等[5]利用Fluent模擬軟件研究有無抽采條件下采場瓦斯?jié)舛确植家?guī)律;李宗翔、李海洋等[6]研究了注氮與工作面回采的合理配比關(guān)系,對防止Y型通風(fēng)采空區(qū)自燃問題有明顯效果。

目前,國內(nèi)關(guān)于Y型通風(fēng)系統(tǒng)“三維”采空區(qū)的自燃現(xiàn)象和瓦斯運移規(guī)律的研究較少,筆者以潞安集團(tuán)某礦6206綜采工作面為例,采用計算流體力學(xué)軟件Fluent對工作面Y型通風(fēng)系統(tǒng)下三維采空區(qū)自燃帶和瓦斯爆炸界限寬度進(jìn)行了模擬研究。

1　工作面概況及數(shù)值模型

1.16206綜采面概況

6206綜采面位于62采區(qū)下山,是礦井埋藏最深的工作面之一。煤層厚度4.5 m左右,傾角約為2°,工作面走向長度1 600 m,切眼長度100 m,采用綜合機(jī)械化采煤法,月產(chǎn)煤炭約24 000 t,瓦斯涌出量較大,絕對涌出量為28.5 m3/min。為了防止上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷瓦斯超限,將6206綜采工作面U型通風(fēng)方式調(diào)整為“兩進(jìn)一回”的Y型通風(fēng)方式。

1.2采空區(qū)瓦斯運移的物理模型

根據(jù)6206綜采工作面現(xiàn)場的實際情況,采空區(qū)走向長度取200 m;工作面傾斜長度為100 m;上下部進(jìn)風(fēng)巷長10 m,寬3 m;工作面寬度為5 m;Y型通風(fēng)方式采空區(qū)內(nèi)沿空留巷長200 m,寬3 m。由于“三帶”中彎曲下沉帶變形比較小,采空區(qū)遺煤基本位于冒落帶內(nèi),故本模型只考慮冒落帶,并將冒落帶設(shè)為瓦斯源項。取采空區(qū)走向方向為x軸,采空區(qū)傾斜方向為y軸,采空區(qū)垂直方向為z軸,建立三維物理模型,如圖1所示。

圖1　6206工作面采空區(qū)的物理模型

1.3采空區(qū)瓦斯運移的數(shù)學(xué)模型

1.3.1假設(shè)與簡化

采空區(qū)是由煤體與巖石組成的多孔介質(zhì),其內(nèi)煤體和冒落巖石的孔隙通道非常不規(guī)則,氣體的流動狀態(tài)比較復(fù)雜,工作面區(qū)域瓦斯為湍流流動,采空區(qū)的瓦斯符合滲流達(dá)西定律。為了反映所研究問題的基本規(guī)律,作如下假設(shè):

(1)采空區(qū)多孔介質(zhì)視為各向同性,其滲透率不考慮時間的影響。

(2)采空區(qū)氣體視為不可壓縮氣體,其流動近似為穩(wěn)定流動、等溫過程。

(3)組分運輸中氣體設(shè)為CH4、O2和N2的混合氣體,忽略H2O、NO2等小組分氣體,假設(shè)瓦斯在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)保持不變。

(4)由于甲烷氣體的密度小于空氣的密度,甲烷在三維模型內(nèi)會因為重力上浮,產(chǎn)生采空區(qū)上部甲烷濃度大于下部的現(xiàn)象,故在Fluent中需要設(shè)定重力環(huán)境,重力為9.8 N/kg,方向垂直于煤層底板向下。

1.3.2控制方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和滲流定律,建立采空區(qū)瓦斯運移的控制方程。

連續(xù)性方程:

式中：u、v、w——x、y、z方向的速度分量,m/s。

動量方程:

式中：ε——湍動能耗散率,m2/s3;

ρ——采空區(qū)氣流密度,kg/m3;

μ——動力黏滯系數(shù),pa·s;

p——壓力,Pa;

e——采空區(qū)滲透率,m2。

組分傳輸方程:

式中：φS——組分S的體積分?jǐn)?shù),%;

SS——組分生產(chǎn)率,kg/(m3·t);

DS——組分的擴(kuò)散系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程:

式中：k——湍動能,m2/s2;

μt——湍流動力黏滯系數(shù),μt=ρCμk2/ε,Pa·s;Cμ=0.09;

Gk——平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生

項;C1ε=1.44；

C2ε=1.92;

σk=1.0;

σε=1.3。

2　邊界條件及數(shù)值模擬過程

2.1邊界條件

進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet),平均風(fēng)速為2.5 m/s,其氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%,進(jìn)風(fēng)巷瓦斯的體積分?jǐn)?shù)為0;回風(fēng)巷設(shè)置為自由出流(Out-flow);所有壁面為無滑移邊界條件,工作面近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理,壁面以絕熱對待;工作面與采空區(qū)的邊界設(shè)置為內(nèi)部邊界(Interior)。

采空區(qū)滲透率按照自由堆積假設(shè)滿足函數(shù)

式中:a、b——分布不均衡系數(shù)；

c——滲透率基數(shù)；

D——平動系數(shù)；

L——采空區(qū)寬度。

采用自定義函數(shù)方法(UDF)將采空區(qū)瓦斯涌出源定義為隨著采空區(qū)深度的增加瓦斯涌出強(qiáng)度逐漸衰減的線性分布,根據(jù)自由堆積假設(shè)將采空區(qū)滲透率定義為連續(xù)分布的函數(shù)關(guān)系[7]。

2.2數(shù)值模擬過程

利用Gambit軟件在笛卡爾坐標(biāo)系下建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。工作面和進(jìn)回風(fēng)巷為一個體積,采空區(qū)為一個體積,進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。定義模型的邊界條件,導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值解算。解算時采用控制容積法對控制方程進(jìn)行離散,對流項和擴(kuò)散項采用一階迎風(fēng)格式,每條迭代線采用三對角矩陣算法和松弛因子相結(jié)合的方法進(jìn)行迭代計算,速度與壓力之間的耦合采用Simple算法[8]。

3　結(jié)果分析

3.1數(shù)值模擬結(jié)果

3.1.1不同通風(fēng)方式的采空區(qū)自燃三帶劃分

根據(jù)采空區(qū)自燃三帶漏風(fēng)風(fēng)速劃分標(biāo)準(zhǔn)[9],風(fēng)速>0.004 00m/s為散熱帶,風(fēng)速在0.004 00～0.001 67m/s之間為自燃帶,風(fēng)速<0.001 67m/s范圍為窒息帶。對采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行劃分,取垂直方向離底板z=2m的平面進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖2所示。

通過分析圖2得出,6206工作面使用Y型和U型不同通風(fēng)方式,采空區(qū)自燃三帶有較大差別。U型通風(fēng)時, 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶為0～80m,自燃帶為80～97m,窒息帶為97～200m;采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)散熱帶為0～102m,自燃帶為102～135m,窒息帶為135～200m。

圖2　6206采空區(qū)風(fēng)速分布(z=2 m)

采用Y型通風(fēng)時,工作面和采空區(qū)的最低負(fù)壓區(qū)在回風(fēng)巷出口處,工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量較大,散熱帶基本處于采空區(qū)整個區(qū)域內(nèi),自燃帶范圍非常小。研究結(jié)果表明,對于6206工作面回采初期,工作面使用Y型通風(fēng)方式可以較好地解決采空區(qū)遺煤自燃問題。

3.1.2不同通風(fēng)方式的采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍

瓦斯爆炸的三個必要條件:(1)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在5%～16%之間;(2)瓦斯的引火溫度為650～750 ℃;(3)氧氣體積分?jǐn)?shù)>12%,可以確定采空區(qū)瓦斯爆炸的界限寬度。根據(jù)該條件,模擬結(jié)果取垂直方向離底板z=2m的平面進(jìn)行分析,如圖3所示。

通過分析圖3可以得出,6206工作面采用Y型和U型不同通風(fēng)方式,采空區(qū)瓦斯爆炸界限有較大差別。采用U型通風(fēng)系統(tǒng)時,工作面采空區(qū)的漏風(fēng)范圍比較小,在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍為65～90m,寬度為35m。采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)時,工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量比較大,工作面和采空區(qū)涌出的瓦斯進(jìn)入回風(fēng)巷排出,有效地解決了上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)巷瓦斯超限的問題。

圖3　6206采空區(qū)瓦斯分布(z=2 m)

3.2工作面改造前后實測結(jié)果

為了分析6206綜采面使用Y型通風(fēng)的瓦斯分布情況,對6206綜采面回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)(φ)進(jìn)行監(jiān)測,并與采用U型通風(fēng)的回風(fēng)巷監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖4所示。

圖4　工作面通風(fēng)方式改造前后回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖4可以看出,6206綜采工作面使用U型通風(fēng)方式時,工作面和采空區(qū)的最低負(fù)壓區(qū)位于上隅角附近,上隅角瓦斯容易積聚,在回采的50d內(nèi)回風(fēng)巷瓦斯超限8次(瓦斯超限報警體積分?jǐn)?shù)為0.8%),嚴(yán)重制約著工作面的安全生產(chǎn);將綜采面改造為Y型通風(fēng)方式后,工作面和采空區(qū)的最低負(fù)壓區(qū)后移至回風(fēng)巷的出口,上隅角和回風(fēng)巷未出現(xiàn)瓦斯超限的情況,工作面月產(chǎn)煤炭量可以突破30 000t,實現(xiàn)了工作面的安全高效生產(chǎn)。

3.3理論計算結(jié)果驗證

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,對比6206綜采工作面U型通風(fēng)方式模擬解算的風(fēng)速值(vm)與相同條件下根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)計算的風(fēng)速值(vl)。計算理論風(fēng)速值時,先計算巷道雷諾數(shù),然后根據(jù)尼古拉茨實驗公式計算沿程阻力系數(shù),最后帶入湍流速度分布的經(jīng)驗公式求得結(jié)果。

x=13m、z=1m處工作面橫斷面觀測線(0

表1　模擬解算風(fēng)速值與理論計算風(fēng)速值

由表1可知,在工作面橫斷面觀測線上模擬解算的風(fēng)速值與理論計算的風(fēng)速值誤差很小,最大絕對誤差為0.02,最大相對誤差為0.30%,均在工程誤差的允許范圍之內(nèi)。該結(jié)果在理論上驗證了采用計算流體力學(xué)軟件Fluent研究采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的可靠性。

4　結(jié)　論

(1)6206工作面采用Y型通風(fēng)系統(tǒng),工作面和采空區(qū)的最低負(fù)壓區(qū)在回風(fēng)巷出口處,涌出的瓦斯涌入回風(fēng)巷排出,工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量較大,散熱帶基本處于采空區(qū)整個區(qū)域內(nèi),自燃帶范圍非常小。 6206工作面采用Y型通風(fēng)方式可以較好地解決采空區(qū)遺煤自燃、上隅角瓦斯積聚及回風(fēng)巷瓦斯超限的問題。

(2)6206綜采工作面理論計算風(fēng)速值與數(shù)值模擬風(fēng)速值的對比結(jié)果,驗證了采用計算流體力學(xué)軟件Fluent研究采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的可靠性,表明該研究方法可行。

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(編輯荀海鑫)

Numerical simulation on goaf spontaneous combustion zone and influence of gas distribution

LIUJiajia1,GAOJianliang2,3,WANGDan1

(1.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China; 2.College of Safety Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 3.Gas Geological State Key Laboratory of Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

This paper introduces a numerical simulation of Lu’an Group, a 6206 mine fully mechanized mining working face goaf, by using the computational fluid dynamics(CFD) software Fluent and presents a study of the law governing the goaf spontaneous combustion zones and gas distribution, as occurs in the application of Y type ventilation system to working face. The results show the reconstruction of 6206 fully mechanized coal face into Y type ventilation system leads to the occurrence of minimum negative pressure zone of working face and goaf in the air return tunnel exit, resulting in emission gas influxing into return to be discharged and consequently greater air leakage from working face to goaf, thus allowing the whole area of goaf to be cooled, providing a smaller spontaneous combustion range. Y type ventilation system affords an more effective prevention of the spontaneous combustion of coal in goaf, and a better solution to the gas accumulation in the upper corner and gas overrun in return airflow roadway. The theoretical calculation and numerical simulation of wind velocity data verify the reliability of numerical simulation.

Y-type ventilation; goaf; gas migration; numerical simulation

1671-0118(2012)06-0562-05

2012-09-11

國家自然科學(xué)基金項目(51174079);黑龍江省自然科學(xué)基金項目(B2007-10)

劉佳佳(1985-),男,河南省焦作人,助教,碩士,研究方向:礦山通風(fēng)理論與技術(shù)、瓦斯災(zāi)害防治,E-mail:843611001@qq.com。

TD724

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