基于Fluent對(duì)火區(qū)下近距離煤層工作面CO異常涌入的數(shù)值模擬

王 剛，孫晉安，王海洋

（1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （培育），山東 青島 266510；3.棗莊聯(lián)創(chuàng)實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，山東棗莊 277011）

我國(guó)西部許多礦井的煤層資源埋藏較淺，上部小窯煤礦滋生。由于小窯煤礦多采用房柱式或以掘代采的開采方式，長(zhǎng)期的漏風(fēng)供氧極易形成大面積的煤炭自燃火區(qū)［1－2］。在開采火區(qū)下的近距離煤層時(shí)，由于工作面上部火區(qū)存在大量CO等有害氣體，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

火區(qū)下近距離煤層采煤工作面上部存在火區(qū)，有害氣體濃度高、漏風(fēng)通道多且復(fù)雜、漏風(fēng)規(guī)律紊亂、高溫火源點(diǎn)隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)［3－4］，給工作面的安全回采帶來(lái)嚴(yán)重威脅，同時(shí)也給防滅火工作帶來(lái)了很大難度。目前，在應(yīng)對(duì)近距離煤層上部火區(qū)時(shí)，為了有效防止上部火區(qū)有害氣體異常涌入工作面，往往采用在工作面布置正壓通風(fēng)系統(tǒng)的方式［5］。為了進(jìn)一步明確正壓通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)火區(qū)下近距離煤層開采時(shí)的有效性及影響程度，對(duì)30110工作面在采用正壓通風(fēng)的情況下，考慮到上部采空區(qū)大面積頂板垮落的危險(xiǎn)情況，結(jié)合Fluent軟件對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)和CO濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 采空區(qū)頂板垮落形成沖擊氣流理論模型

火區(qū)下近距離煤層工作面回采期間，上部采空區(qū)一旦發(fā)生大面積頂板垮落，垮落頂板向采空區(qū)快速運(yùn)動(dòng)，采空區(qū)內(nèi)的空氣被突然壓縮。此時(shí)，由于采空區(qū)內(nèi)的氣體運(yùn)移過(guò)程滯后于空氣受壓縮過(guò)程，采空區(qū)內(nèi)氣體壓力急劇增大，形成沖擊氣流，從而使采空區(qū)內(nèi)的有害氣體向工作面噴涌而出，威脅工作面的安全生產(chǎn)。

沖擊氣流的形成過(guò)程，從時(shí)間上可分為三個(gè)階段。第一階段，采空區(qū)大面積頂板瞬時(shí)冒落，采空區(qū)氣體被突然壓縮，壓縮氣體涌入采空區(qū)前的瞬間。此階段開始過(guò)程中，采空區(qū)氣體壓強(qiáng)升高；此階段最后狀態(tài)，壓縮氣體剛剛準(zhǔn)備涌入采空區(qū)，但還未涌入。第二階段，壓縮氣體涌入采空區(qū)的前瞬間，到壓縮氣體涌入采空區(qū)瞬間。此階段開始狀態(tài)為第一階段的最后狀態(tài)，壓縮氣體剛剛準(zhǔn)備涌入采空區(qū)，但還未涌入；此階段最后狀態(tài)，壓縮氣體剛剛涌入采空區(qū)，即涌入采空區(qū)的氣體極少。第三階段，氣體涌入采空區(qū)瞬間，到?jīng)_擊氣流沖擊采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石。此階段大量氣體涌入采空區(qū)，直到?jīng)_擊采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石。

2 采空區(qū)滲流特性分析

采空區(qū)是由冒落巖石和遺煤等多孔介質(zhì)充填的立體空間，富含孔隙和裂隙，具有多孔介質(zhì)的特性［6－7］。同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部的冒落巖石和遺煤的壓實(shí)程度差異很大，孔隙呈不均勻分布和隨機(jī)分布狀態(tài)。因此，采空區(qū)多孔介質(zhì)一般為非均勻多孔介質(zhì)。采空區(qū)內(nèi)部孔隙尺寸分布情況與采煤工作面采高、冒落煤巖的大小和排列狀況、開采層和鄰近層的巖性、原始應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力等因素有關(guān)。采空區(qū)內(nèi)存在采動(dòng)孔隙和原有孔隙等兩種特性差異很大的孔隙。一般來(lái)說(shuō)，采動(dòng)孔隙的尺寸和滲透性都較原有孔隙要大。采動(dòng)孔隙不僅在空間上分布不均，且在采動(dòng)過(guò)程中也隨著所受采動(dòng)壓力的變化而變化。因此，氣體在采空區(qū)的流動(dòng)，主要表現(xiàn)為氣體在非均勻采動(dòng)孔隙為主的多孔介質(zhì)中的滲流。

采空區(qū)的滲流特性，包括多孔介質(zhì)自身的特性和流體在多孔介質(zhì)中滲流特性。多孔介質(zhì)的孔隙率和滲透率是影響整個(gè)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的重要參數(shù)［8］。

3 采空區(qū)氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

3.1 多孔介質(zhì)的Darcy定律

通過(guò)多孔介質(zhì)的層流流動(dòng)中，壓降和速度成比例，常數(shù)C2可以考慮為零。忽略對(duì)流加速以及擴(kuò)散，多孔介質(zhì)模型可簡(jiǎn)化為Darcy定律

在多孔介質(zhì)區(qū)域三個(gè)坐標(biāo)方向的壓降為

式中：1/aij為多孔介質(zhì)動(dòng)量方程中矩陣D的元素；vj為三個(gè)方向上的分速度；Dnx、Dny、Dnz為三個(gè)方向上的介質(zhì)厚度。

3.2 連續(xù)性方程

式中：n為相數(shù)；t為時(shí)間；αk為第k相流體的體積分?jǐn)?shù)；ρk為第k相流體的密度；為第k相流體的速度；ρ是混合相密度，混合相的質(zhì)量變化量，描述了質(zhì)量源的質(zhì)量傳遞。

3.3 動(dòng)量守恒方程

混合模型的動(dòng)量方程，可以通過(guò)對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和來(lái)獲得。它可表示為

式中：是體積力；μ是混合相黏性，μk為第k相流體的黏性；是第k相的飄移速度，

3.4 能量方程

式中：keff是有效熱傳導(dǎo)率；T是熱力學(xué)溫度；SE是能量源項(xiàng)。

4 數(shù)值模擬物理模型及基本參數(shù)設(shè)置

4.1 工作面概況及物理模型創(chuàng)建

龍華煤礦現(xiàn)主采3－1煤層，上部2－2煤層已經(jīng)由小煤窯采用房柱式采煤法開采，且部分區(qū)域進(jìn)行了露天剝離采煤，長(zhǎng)期的漏風(fēng)供氧使2－2煤采空區(qū)形成了大面積自燃火區(qū)。2－2煤與3－1煤的層間距約30～40m，屬近距離煤層，30110工作面是目前3－1煤層正在回采的工作面，工作面上部火區(qū)存在大量有害氣體，其中CO平均濃度約10000ppm，最高可達(dá)15000ppm。

30110工作面的實(shí)際幾何參數(shù)如表1所示，建立的相應(yīng)物理模型如圖1所示。

表1 工作面物理模型幾何參數(shù)

圖1 30110工作面數(shù)值模擬的物理模型

4.2 網(wǎng)格劃分及條件設(shè)定

利用ICEM CFD建立工作面三維模型，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在工作面回風(fēng)巷外側(cè)。采用Submap方法，將一個(gè)不規(guī)則的區(qū)域劃分為幾個(gè)規(guī)則區(qū)域，分別劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量約為25萬(wàn)個(gè)，所有部分均劃分為Hexahedron（六面體），網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。數(shù)值模擬的邊界條件及相關(guān)參數(shù)的確定如表2所示。

表2 邊界條件及相關(guān)參數(shù)

圖2 30110工作面采空區(qū)網(wǎng)格劃分

5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用FLUENT軟件對(duì)30110工作面處于正壓通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，上部2－2煤采空區(qū)頂板發(fā)生大面積突然垮落后，30110工作面采空區(qū)的漏風(fēng)流速和CO濃度進(jìn)行了模擬分析。在頂板垮落0.2s、0.4s和1.1s后，30110工作面采空區(qū)的漏風(fēng)流速及分布如圖3～5所示，CO濃度及分布如圖6～8所示。

由圖3～5可以得出，在30110工作面處于正壓通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)工作面上部采空區(qū)發(fā)生大面積冒落后0.2s時(shí)，上部采空區(qū)流場(chǎng)發(fā)生突然變化，漏風(fēng)流速沿采空區(qū)至工作面方向呈遞增趨勢(shì)，但是30110工作面空間流場(chǎng)并沒有受到影響；當(dāng)上部采空區(qū)冒落0.4s時(shí)，上部采空區(qū)流場(chǎng)受影響的范圍稍有增大，漏風(fēng)流速也有所增大，30110工作面空間流場(chǎng)未受到影響；在上部采空區(qū)冒落1.1s時(shí)，上部采空區(qū)流場(chǎng)受影響的范圍增大，其中回風(fēng)隅角處上部采空區(qū)的流場(chǎng)變化格外明顯，但是30110工作面空間流場(chǎng)受到的影響仍然很小。因此，30110工作面采用正壓通風(fēng)時(shí)，在工作面上部采空區(qū)發(fā)生大面積冒落后的0.2～1.1s過(guò)程中，工作面上部采空區(qū)流場(chǎng)發(fā)生變化，漏風(fēng)流速不斷增大，但是對(duì)工作面流場(chǎng)影響不大。

由圖6～8可以發(fā)現(xiàn)，在上部采空區(qū)發(fā)生大面積垮落的0.2s時(shí)，在工作面上部采空區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)CO聚集區(qū)，沿工作面方向均勻分布，對(duì)工作面沒有造成影響；在上部采空區(qū)發(fā)生大面積垮落后0.4s時(shí)，工作面上部采空區(qū)的CO聚集區(qū)擴(kuò)大，自上而下CO濃度逐漸降低，沿工作面方向均勻分布，CO未涌入30110工作面空間；在上部采空區(qū)發(fā)生大面積垮落后1.1s時(shí)，工作面上部采空區(qū)的CO聚集區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，但是CO沒有涌入30110工作面空間，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)仍然沒有構(gòu)成威脅。因此，正壓通風(fēng)可有效防止在工作面上部采空區(qū)發(fā)生大面積垮落時(shí)，采空區(qū)內(nèi)CO涌入工作面，對(duì)于保障工作面的安全高效開采具有重要作用。

圖3 采空區(qū)漏風(fēng)流速分布示意圖（垮落0.2s）

圖4 采空區(qū)漏風(fēng)流速分布示意圖（垮落0.4s）

圖5 采空區(qū)漏風(fēng)流速分布示意圖（垮落1.1s）

圖6 采空區(qū)CO濃度分布示意圖（垮落0.2s）

圖7 采空區(qū)CO濃度分布示意圖（垮落0.4s）

圖8 采空區(qū)CO濃度分布示意圖（垮落1.1s）

6 結(jié)論

1）30110工作面采用正壓通風(fēng)時(shí)，在工作面上部采空區(qū)發(fā)生大面積冒落后的0.2～1.1s過(guò)程中，工作面上部采空區(qū)流場(chǎng)發(fā)生變化，漏風(fēng)流速不斷增大，但是對(duì)工作面流場(chǎng)影響不大。

2）當(dāng)30110工作面采用正壓通風(fēng)時(shí)，在工作面上部采空區(qū)發(fā)生大面積冒落后0.2～1.1s過(guò)程中，在工作面上部采空區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)CO聚集區(qū)，該聚集區(qū)自上而下CO濃度逐漸降低，沿工作面方向均勻分布，并且隨時(shí)間的推移，該CO聚集區(qū)范圍逐漸增大，但是CO并沒有涌入到30110的工作面空間。因此，正壓通風(fēng)可有效防止上部火區(qū)有害氣體涌入工作面，對(duì)于保障火區(qū)下近距離煤層工作面的安全開采具有重要意義。

3）在30110工作面采用均壓通風(fēng)方式期間，工作面并未檢測(cè)到CO的出現(xiàn)，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。Fluent數(shù)值模擬，可以為火區(qū)下近距離煤層的開采提供依據(jù)。

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