紀(jì)玉龍 時國慶 常緒華 高興生
(1.國網(wǎng)新疆準(zhǔn)東煤電有限公司,新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市,831800;2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)
煤炭自燃是影響煤炭工業(yè)健康發(fā)展的重要原因之一,上世紀(jì)90年代以來,我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù),在生產(chǎn)效率大幅提高的同時,也造成采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重的狀況,使得煤自燃火災(zāi)發(fā)生頻繁。為防止瓦斯超限事故并提高瓦斯的抽采率,高瓦斯礦井普遍采用高負(fù)壓瓦斯抽放技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行治理。在抽放過程中,抽放區(qū)域風(fēng)流紊亂、漏風(fēng)量增大,采空區(qū)氧氣分布規(guī)律和浮煤自然發(fā)火特性與常規(guī)工作面都不同,由瓦斯抽放引起的煤自燃問題更加突出。氧氣分布是煤自燃的主要影響因素,為研究瓦斯抽放條件下的自然發(fā)火規(guī)律,本文建立了采空區(qū)瓦斯抽放條件下風(fēng)流場、氣體濃度場的數(shù)學(xué)模型,采用計算流體力學(xué)(CFD)模擬技術(shù)得出采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度場的分布特征,并通過現(xiàn)場觀測驗證模擬技術(shù)的可靠性,基于模擬結(jié)果提出了適合于高瓦斯煤層綜放面采空區(qū)抽放條件下自燃危險區(qū)域的判定技術(shù)。研究結(jié)論可用于指導(dǎo)抽放條件下自然發(fā)火危險區(qū)域的圈化,為進(jìn)一步完善高瓦斯礦井抽放條件下綜放采空區(qū)防滅火技術(shù)提供一定的基礎(chǔ)。
采空區(qū)氣體流動主要遵循以下8個控制方程。
將i,j標(biāo)記為(x,y,z)表示三維空間的三個方向,則連續(xù)性方程:
式中:t——時間,s;
u——氣體流動速度,ui為i(x,y,z)方向上的速度分量,m/s;
ρ——混合氣體密度,kg/m3;
Sm——采空區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)量增減量,kg。
式中:p——氣體壓力,Pa;
τij——分子作用而產(chǎn)生并作用在氣體上的粘性應(yīng)力張量,N/m2;
gi——i方向上的重力體積力,m/s2;
Si——i方向上氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)運移過程中附加的動量損失源項,由括粘性損失和慣性損失兩部分構(gòu)成,可表示為:
式中:μ——采空區(qū)氣體的粘度,m2/s;
dij、Cij——分別為粘性損失系數(shù)、慣性損失系數(shù)矩陣。
vj——速度在x,y,z3個坐標(biāo)方向上的分量,由此可見當(dāng)流動速度足夠小時,式中慣性損失部分相對于粘性損失可看作無窮小項,附加動量損失源可簡化為達(dá)西(Darcy)公式表示。
組分質(zhì)量守恒方程:
式中:cs——組分s的體積濃度,%;
ρ——該組分的密度,kg/m3;
Ds——該組分的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;
Ss——采空區(qū)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量。
煤對氧的消耗是放熱過程,考慮產(chǎn)熱與耗氧速率的耦合作用,采空區(qū)能量守恒控制方程的形式如下:
式中:cp——比熱容,J/(kg·K);
T——熱力學(xué)溫度,K;
k——采空區(qū)氣體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);
ST——能量源項。
根據(jù)費克(FICK)定律,采空區(qū)各種氣體的擴(kuò)散流量用下式表示,即:
式中:Ji——第i種氣體的擴(kuò)散流量,主要由濃度梯度、熱力梯度引起,m3/s;
Dim——混合氣體的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;
Xi——氣體i的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;
DTi——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。對于非稀薄氣體,式(6)可以采用多組分?jǐn)U散公式代替,即:
式中:Mi——氣體i的分子量;
Mmix——混合氣體的分子量;
Dij——指氣體j中組分i的多組分?jǐn)U散系數(shù),m2/s。
低溫氧化階段浮煤對氧氣的消耗速率Rate可以采用下述公式來表示:
式中:E——反應(yīng)活化能,取12~95kJ/mol之間;
A——反應(yīng)指數(shù),依煤級和測試方法不同;
n——常數(shù),取值多在0.5~1之間;
R——氣體常數(shù),J/(K·mol);
[O2]——氧濃度,%。
采空區(qū)的滲透率是模型的另外一個關(guān)鍵參數(shù),它主要受采動后采空區(qū)應(yīng)力分布的影響,格瑞德(Greed)和克拉克(Clark)曾對采空區(qū)的滲透性進(jìn)行了研究,認(rèn)為采空區(qū)的滲透率取值在10-2~10-7m-2之間,并指出采空區(qū)邊緣的滲透率要比中部大的多。綜合考慮現(xiàn)場情況,結(jié)合前人研究成果,本文滲透率的取值處于10-2~10-9m-2范圍內(nèi),采用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行分布規(guī)律的擬合。
抽氣系統(tǒng)主要有電動旋片式真空抽氣泵和束管組成。束管為單管直徑為?8mm的硬質(zhì)塑料管束,為防止束管進(jìn)入采空區(qū)后被冒落巖石擊斷,在束管的外邊布設(shè)了無縫鋼管加以保護(hù)。為避免抽氣束管從鋼管內(nèi)抽氣,在保護(hù)鋼管和束管之間,采用密封膠泥進(jìn)行封堵。
在綜放工作面刮板輸送機(jī)后面布設(shè)測試束管對瓦斯抽放條件下采空區(qū)的氣體進(jìn)行了現(xiàn)場測試,數(shù)據(jù)分別來自工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、回風(fēng)巷側(cè)、距回風(fēng)巷60m處(在圖中標(biāo)記為采空區(qū)中部)3個測點,測點在采空區(qū)的分布如圖1所示,得到的3組氧氣濃度分布曲線,見圖2。
通過抽氣泵抽取采空區(qū)氣體進(jìn)入氣體收集球膽,采用KSS-200型氣相色譜分析系統(tǒng)對收集的氣樣進(jìn)行分析,分析精度≤1.5%。
由采空區(qū)氧氣實測濃度數(shù)據(jù)曲線圖2可以看出,采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度較高,在采空區(qū)深部70m左右時,采空區(qū)氧氣濃度初次下降到18%左右,在采空區(qū)深部120m左右時氧氣濃度下降到8%;而在采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)和采空區(qū)中部,它們的氧氣濃度分布特征基本相同,二者顯著低于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度,氧氣濃度在采空區(qū)深部20m位置處下降到18%,在采空區(qū)深部70m位置處,氧氣濃度下降到8%,進(jìn)而采空區(qū)可進(jìn)入氧化窒息帶。
綜放工作面的CFD模型的幾何特征見圖3。模型右側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷,左側(cè)為回風(fēng)巷,在回風(fēng)巷的右上方沿煤層頂板布置有瓦斯導(dǎo)流高位巷,圖中的1和2分別為上隅角的采空區(qū)瓦斯抽放管路和通過回風(fēng)巷旁側(cè)灌漿巷布置的采空區(qū)瓦斯抽放管路。巷道高3m,寬4m,長30m;工作面長度為200m,采空區(qū)走向長度為500m,計算高度為20m;煤層傾角為0°,工作面沿走向2°俯采;工作面通風(fēng)方式為U型通風(fēng),配風(fēng)量為1400m3/min,進(jìn)風(fēng)側(cè)新鮮風(fēng)流氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%,體積分?jǐn)?shù)(濃度)20.7%;高抽巷配風(fēng)量為200m3/min,上隅角的抽放管路1直徑為?325mm,流量為200m3/min,灌漿巷抽放管路2流量為180m3/h;2008年礦井絕對涌出量達(dá)到155.49m3/t,相對涌出量21.78 m3/t。礦井瓦斯主要來源于工作面瓦斯涌出、采空區(qū)底板及頂煤冒落瓦斯涌出,整個采空區(qū)的瓦斯涌出量約為21~24m3/min,本文假設(shè)沿采空區(qū)走向瓦斯的釋放強度呈線性衰減。
圖3 CFD模型的幾何特征
物理模型四周邊界氧氣濃度分布云圖見圖4,采空區(qū)不同水平氧氣濃度分布云圖見圖5,可以看出:隨著距底板高度的不斷增加,高氧氣濃度分布區(qū)域的范圍不斷減小。由圖5(a)的氧氣濃度分布云圖與實測數(shù)據(jù)的對比可以看出,二者具有較好的吻合度,這就表明數(shù)值模擬基本能夠反映采空區(qū)氧氣濃度的真實分布特征。對不同高度水平面上氧氣濃度分布的對比分析可知,在距采空區(qū)底板20 m高的水平面上,氧氣濃度只有在進(jìn)風(fēng)側(cè)能夠達(dá)到20%左右,在回風(fēng)側(cè)氧氣濃度降至了15%左右。
圖6為采空區(qū)底板處按照氧氣濃度8%~18%的標(biāo)準(zhǔn)劃分的采空區(qū)自燃帶分布,從模擬結(jié)果中提取的數(shù)據(jù)表明:在進(jìn)風(fēng)側(cè),到達(dá)采空區(qū)深部75m時浮煤進(jìn)入自燃帶,當(dāng)?shù)竭_(dá)采空區(qū)深部130m時,采空區(qū)進(jìn)入窒息帶;在工作面中部,當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部30m時,采空區(qū)浮煤進(jìn)入自燃帶,當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部67m時,采空區(qū)進(jìn)入窒息帶;而在回風(fēng)側(cè),采空區(qū)進(jìn)入自燃帶的距離則提前至采空區(qū)深部26m,當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部70m時,采空區(qū)進(jìn)入窒息帶;由于該工作面采用放頂煤的開采方式,采空區(qū)的浮煤厚度普遍較大,基本大于支持煤自燃的最小浮煤厚度。因此,以采空區(qū)氧氣濃度劃分出的自燃帶基本等同于采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域范圍。由此可見,該綜放面采空區(qū)自燃危險區(qū)域的最寬處在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè),寬度達(dá)到55m,而該礦的統(tǒng)計自然發(fā)火期為24d,因此只要工作面推進(jìn)速度不低于2.29m/d,該工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性較小。
圖4 模型外表面氧氣濃度分布云圖
圖5 氧氣濃度分布云圖(距離底板不同的水平面)
圖6 采空區(qū)自燃帶內(nèi)氧氣分布云圖
圖7為距工作面不同深度位置的垂向剖面上的氧氣濃度云圖,可以看出,工作面底部的氧氣濃度要顯著高于頂部氧氣濃度,這說明靠近工作面時,采空區(qū)上部浮煤自然發(fā)火的幾率要高于底板浮煤自然發(fā)火的可能性;隨著向采空區(qū)的深入,采空區(qū)底板浮煤自然發(fā)火的可能性逐步增加,上部浮煤進(jìn)入窒息帶的速率加快,自然發(fā)火的幾率降低。
根據(jù)能量平衡原理,采空區(qū)瓦斯抽放勢必造成采空區(qū)漏風(fēng)量大,這種條件下依靠上下隅角堵漏或注氮縮短采空區(qū)自燃帶寬度的作用是有限的。因此,瓦斯抽放條件下的防火不能以堵漏和注氮作為主要手段。為防止采空區(qū)自然發(fā)火,最優(yōu)的做法是將采空區(qū)的煤體潤濕或覆蓋。泡沫防滅火技術(shù)灌注流量大,易向采空區(qū)高處堆積,泡沫發(fā)泡劑中本身含有阻化物質(zhì),其對煤體具有阻化作用;另外,含固相介質(zhì)的三相泡沫破滅后,液膜上的粉煤灰形成致密的保護(hù)膜附著在煤體上,起到隔絕氧氣的作用。
圖7 采空區(qū)不同深度垂向剖面氧氣濃度分布云圖
(1)綜放面采空區(qū)氧氣濃度分布模擬表明瓦斯抽放造成該工作面漏風(fēng)量大, 采空區(qū)高氧濃度分布范圍較廣、自燃帶寬度大,在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度為55m,在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度與在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶的寬度基本相當(dāng),為30~40m。按照自然發(fā)火期24d計算,該面回采速度大于2.29 m/d時,自然發(fā)火的危險性較小。
(2)采用CFD技術(shù)模擬得到的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度場的分布特征與實際情況基本相符。因此,證明了CFD技術(shù)是一項技術(shù)可行、操作性強的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度分布特征的研究手段。
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