W型通風(fēng)采空區(qū)自燃帶和瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬

劉佳佳,高建良,王 丹

(1．黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)，河南 焦作 454003)

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量明顯增大，采掘工作面和采空區(qū)的瓦斯涌出量迅猛增加，嚴(yán)重制約著煤礦的高效安全生產(chǎn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料來看，采空區(qū)是工作面乃至整個(gè)礦井瓦斯涌出的主要來源和災(zāi)害源之一，約占工作面瓦斯涌出的30%～80%[1]，許多重大事故的發(fā)生都與采空區(qū)有關(guān)系。

煤礦采空區(qū)的災(zāi)害形式主要有煤自燃和瓦斯超限引發(fā)的瓦斯事故兩大類。從理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐來看，改變工作面的通風(fēng)方式是解決采空區(qū)兩大災(zāi)害的有效途徑，針對(duì)工作面采用W型通風(fēng)系統(tǒng)條件下采空區(qū)自燃和瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，國內(nèi)外的專家學(xué)者做了一些研究，趙文華研究了偏W型通風(fēng)方式治理近距離煤層群工作面上隅角瓦斯超限的問題，對(duì)類似礦井具有重要的借鑒價(jià)值[2]；李宗翔采用Matlab開發(fā)計(jì)算程序?qū)型通風(fēng)冒落采空區(qū)流場進(jìn)行了研究，得到了風(fēng)流流場的分布規(guī)律[3]；周愛桃等通過建立數(shù)學(xué)物理方程，研究了在不同工作面供風(fēng)量和抽放情況下的采空區(qū)煤自燃和流場分布規(guī)律，得出采空區(qū)不同瓦斯治理參數(shù)和自燃的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]；吳玉國等采用礦用移動(dòng)式束管采樣、色譜分析系統(tǒng)和CFD數(shù)值模擬的方法，研究了工作面雙U型通風(fēng)方式下，采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，為指導(dǎo)采空區(qū)瓦斯抽放措施提供了理論依據(jù)[5]；秦躍平等比較了U型和W型兩種通風(fēng)方式下綜放開采三維采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征，由于相似模擬實(shí)驗(yàn)受到流場擾動(dòng)、模型尺寸、人身安全和測量精度的限制，無法得到較精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]。王勇研究了采煤面采用W型通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了W型通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于解決瓦斯積聚、通風(fēng)防塵等方面都有很好的效果[7]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于工作面采用W型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)自燃帶和瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究較少，筆者以焦煤集團(tuán)某礦2303工作面為例，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent對(duì)W型通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃帶、采空區(qū)氧氣濃度分布和瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。

1 工作面概況及數(shù)值模擬

1.1 2303綜放面概況

2303綜放面位于3采區(qū)三條大巷以西，4采區(qū)邊界以北，是3采區(qū)的首采工作面。工作面走向長度1535 m，傾斜長度100 m，開采3#煤層，煤層平均厚度5.65 m，屬于易自燃煤層，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤，一次采全高頂板全部垮落采煤法，瓦斯涌出量較大，絕對(duì)瓦斯涌出量為24.7 m3/min。為了防止采空區(qū)煤炭自燃和工作面上隅角瓦斯頻繁超限等問題，2303綜放面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整為“兩進(jìn)一回”的W型通風(fēng)系統(tǒng)。

1.2 采空區(qū)的物理模型

根據(jù)2303綜放面現(xiàn)場的實(shí)際情況建立物理模型，采空區(qū)走向長度取200 m、工作面傾斜長度為100 m，進(jìn)風(fēng)巷長10 m、寬3 m，回風(fēng)巷長10 m、寬3 m，工作面寬度為5 m。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(xiàng)。由于采空區(qū)冒落高度相對(duì)于采空區(qū)的長度和寬度而言很小，因此可以將采空區(qū)簡化為二維模型。取采空區(qū)走向方向?yàn)閄軸，采空區(qū)傾斜方向?yàn)閅軸，建立二維的物理模型如圖1所示。

圖1 2303綜放面采空區(qū)的物理模型

1.3 采空區(qū)的數(shù)學(xué)模型

1.3.1 假設(shè)條件

從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入采場的新鮮風(fēng)流大部分經(jīng)過工作面流入回風(fēng)巷中，小部分漏入采空區(qū)中，形成采空區(qū)漏風(fēng)，由于采空區(qū)多孔介質(zhì)非常不規(guī)則，氣體流動(dòng)十分復(fù)雜，將工作面內(nèi)考慮為湍流流動(dòng)區(qū)域，而層流是采空區(qū)氣體流動(dòng)的主要流態(tài)[8]。為了突出研究的重點(diǎn)，需要作如下假設(shè)：

1) 由于冒落矸石和遺煤分布的隨機(jī)性，將采空區(qū)多孔介質(zhì)視為各向同性，滲透率不隨時(shí)間變化；

2) 將采空區(qū)氣體考慮為不可壓縮氣體，不考慮流體粘性力做功所引起的耗散熱，假設(shè)氣體流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)、等溫過程；

3) 假設(shè)瓦斯的擴(kuò)散系數(shù)保持不變，組分運(yùn)輸中氣體設(shè)置為甲烷、氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w，忽略水蒸氣、二氧化氮等小組分氣體，在數(shù)值模擬設(shè)置氣體組分時(shí)需要把最大含量氣體列于最后。

1.3.2 采空區(qū)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和滲流定律理論，建立采空區(qū)的數(shù)學(xué)模型：

采空區(qū)氣體流動(dòng)連續(xù)性方程：

(1)

式中：u、v——速度矢量在x、y方向的分量。

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中：μeff=μ+μt；μt-湍流動(dòng)力粘滯系數(shù)；μ-動(dòng)力粘滯系數(shù)；n-多孔介質(zhì)孔隙率。

組分傳輸方程：

(4)

式中：CS-組分s的體積濃度；SS-組分的生產(chǎn)率；DS-組分的擴(kuò)散系數(shù)；

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(5)

(6)

式中：μt=ρCμk2/ε，其中C1ε=1.44C2ε=1.92Cμ=0.09σk=1.0σε=1.3 ；k-湍動(dòng)能，m2/s2；ε-湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk-平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。

2 邊界條件及數(shù)值模擬過程

2.1 邊界條件

工作面進(jìn)風(fēng)巷為速度入口(Velocity-inlet),平均風(fēng)速為3 m/s，其氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.96%，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0；回風(fēng)巷設(shè)為自由出口(Out-flow)；工作面和采空區(qū)固壁為無滑移邊界條件，即u=v=0；工作面和采空區(qū)的交界面設(shè)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),e=1/D(c+ax+b*(y-L)2)其中，e-采空區(qū)滲透率a、b-分布不均衡系數(shù)，c-滲透率基數(shù)，D-平動(dòng)系數(shù)，L-采空區(qū)寬度[9-10]。上下鄰近層涌出的瓦斯和本煤層開采涌出的瓦斯是采空區(qū)瓦斯的主要來源，但采空區(qū)的具體位置和強(qiáng)度很難確定，因此可將采空區(qū)冒落帶考慮為瓦斯源出源項(xiàng)，距離工作面越遠(yuǎn)，其瓦斯涌出強(qiáng)度越小。由于采空區(qū)圍巖的支撐作用，采空區(qū)滲透率為“O”型圈連續(xù)分布，利用C語言將采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度、采空區(qū)滲透率定義為連續(xù)分布的自定義函數(shù)關(guān)系。

2.2 數(shù)值模擬過程

利用建模工具Gambit在笛卡爾坐標(biāo)系下構(gòu)建物理模型并對(duì)物理模型劃分網(wǎng)格，將物理模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，形成四邊形的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬解算，最后將模擬結(jié)果導(dǎo)入Tecplot進(jìn)行后處理操作。層流是采空區(qū)的主要流態(tài)，而工作面區(qū)域是湍流模型區(qū)域?？刂品匠滩捎每刂迫莘e法進(jìn)行離散，其中對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)使用Quick格式。采用松弛因子和三對(duì)角矩陣算法結(jié)合的方法迭代計(jì)算，其Pressure-Velocity的耦合使用Simple算法[11]。

3 采空區(qū)的數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工作面W型和U型通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃三帶的劃分

采空區(qū)自燃三帶漏風(fēng)風(fēng)速劃分標(biāo)準(zhǔn)中，風(fēng)速>0.004 m/s是散熱帶，風(fēng)速在0.004-0.00167 m/s之間的是自燃帶、風(fēng)速<0.00167 m/s的是窒息帶，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)可以得出不同通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃三帶范圍如下表1所示。

表1 不同通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃三帶范圍/m

通過圖2可以看出，不同通風(fēng)方式條件下采空區(qū)自燃帶范圍有較大差別。采用U型通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，工作面兩端的壓差比較大，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)范圍比較寬，所以自燃帶更接近采空區(qū)深部；調(diào)整為W型通風(fēng)后，由于工作面兩端均壓的作用，工作面兩端的壓差比較小，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)范圍較窄，自燃帶更接近工作面，自燃帶的寬度減小，所以工作面采用W型通風(fēng)方式可以起到均壓防滅火的作用。

圖2 采空區(qū)速度分布

3.2 不同通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍的分析

根據(jù)瓦斯爆炸的必要條件(1)瓦斯?jié)舛仍?%～16%(2)瓦斯的引火溫度為650℃～750℃(3)氧氣濃度>12%以上，可以確定2303綜放面通風(fēng)方式調(diào)整前后瓦斯爆炸的界限寬度范圍。

由圖3可以看出，2303綜放面通風(fēng)方式調(diào)整后采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍有非常大的差別。U型通風(fēng)方式條件下，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)范圍比較寬，采空區(qū)瓦斯爆炸界限為65 m～90 m(進(jìn)風(fēng)巷側(cè))，寬度為35 m，瓦斯爆炸界限寬度逐漸變窄(回風(fēng)巷側(cè))；W型通風(fēng)方式條件下，由于工作面兩端的壓差較小，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)范圍比較窄，采空區(qū)瓦斯爆炸界限為54 m～72 m(進(jìn)風(fēng)巷側(cè))，寬度為18 m，比U型通風(fēng)方式條件下采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍小得多，因此2303綜放面W型通風(fēng)方式能減小采空區(qū)瓦斯爆炸界限范圍的寬度，可以有效防止采空區(qū)瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

圖3 采空區(qū)瓦斯分布

3.3 “兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量不同對(duì)模擬結(jié)果的影響

對(duì)于2303綜放面采用“兩進(jìn)一回”的W型通風(fēng)系統(tǒng)，兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量不同對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)量、壓力場分布、氧氣濃度場分布等都有較大的影響。筆者對(duì)2303綜放面兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例分別為1∶1、1∶2、2∶3時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)量、壓力場分布、氧氣濃度場分布進(jìn)行了分析研究如圖4、5所示。

由圖4模擬結(jié)果可知，2303綜放面采用U型通風(fēng)方式時(shí)，工作面兩端壓差為56.7 Pa，通過對(duì)工作面與采空區(qū)的邊界線上曲線積分計(jì)算得出，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量為0.625 m3/s；將2303綜放面調(diào)整為“兩進(jìn)一回”的W型通風(fēng)方式時(shí)，當(dāng)兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例分別為1∶1、2∶3、1∶2條件下，工作面兩端壓差分別為28.5 Pa、34.2 Pa、36.9 Pa，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量分別為0.348 m3/s、0.422 m3/s；0.435 m3/s，通過分析比較發(fā)現(xiàn)，2303綜放面采用兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例為1∶1的W型通風(fēng)方式，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量最少，工作面兩端的壓差最小，而工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)是引起采空區(qū)煤炭自燃的主要因素之一，所以2303綜放面采用W型通風(fēng)方式可以有效降低采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性，在2303綜放面回采的過程中再結(jié)合采空區(qū)注氮和三相泡沫等技術(shù)可以從根本上解決采空區(qū)煤炭自燃問題。

圖4 采空區(qū)壓力場分布

由圖5模擬結(jié)果可知，2303綜放面調(diào)整為W型通風(fēng)方式后，對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場分布有較大的影響，采用U型通風(fēng)方式時(shí)，由于采空區(qū)漏風(fēng)比較大，采空區(qū)內(nèi)抑制煤自熱的氧氣濃度下限(抑制煤自熱的氧氣濃度下限為8%)大約位于距離工作面150 m處；而將2303綜放面調(diào)整為“兩進(jìn)一回”的W型通風(fēng)方式時(shí)，當(dāng)兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例分別為1∶1、2∶3、1∶2條件下，采空區(qū)內(nèi)抑制煤自熱的氧氣濃度下限(抑制煤自熱的氧氣濃度下限為8%—10%)分別位于距離工作面130 m、120 m、105 m處，通過分析可以看出，2303綜放面采用兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例為1∶1的W型通風(fēng)方式時(shí)，可以明顯減少引起煤自燃的氧氣濃度場的范圍，對(duì)抑制采空區(qū)的煤炭自燃具有重要的作用。

圖5 采空區(qū)氧氣濃度場分布

4 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

通過對(duì)2303綜放面采空區(qū)預(yù)埋管路，將采集氣樣在地面上進(jìn)行分析，在掌握工作面回采速度和采空區(qū)氣體濃度變化的同時(shí)，觀測工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)2303綜放面采空區(qū)氣體濃度隨工作面回采的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)(取距工作面100 m)如表2所示。

表2 現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)表

將現(xiàn)場實(shí)測氧氣濃度數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬得到的氧氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如圖6所示

圖6 現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬采空區(qū)氧氣濃度分布對(duì)比

通過圖6可以看出，現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬得到的氧氣濃度值基本吻合，說明了采用數(shù)值模擬可以得到比較準(zhǔn)確的采空區(qū)自燃三帶和瓦斯分布規(guī)律，同時(shí)也驗(yàn)證了采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬研究采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的可靠性。

5 結(jié)論

1)要2303綜放面使用W型通風(fēng)方式后，由于工作面兩端均壓的作用，工作面兩端的壓差比較小，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)范圍較窄，自燃帶更接近工作面，自燃帶的寬度變窄，可以有效防止采空區(qū)煤炭自燃，可以起到均壓防滅火的效果。另外，W型通風(fēng)方式條件下，可以有效的解決上隅角瓦斯超限問題，能減小采空區(qū)瓦斯爆炸界限的寬度，可以有效防止采空區(qū)瓦斯爆炸事故發(fā)生。

2) 2303綜放面采用兩條進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量比例為1∶1的W型通風(fēng)方式，可以有效降低采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性，能明顯減少氧氣濃度場的范圍，對(duì)

抑制采空區(qū)的煤炭自燃具有重要的作用，同時(shí)在2303綜放面回采的過程中，結(jié)合采空區(qū)注氮和三相泡沫等技術(shù)從根本上解決其采空區(qū)煤炭自燃問題。

3) 2303綜放面現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬得到的氧氣濃度值的對(duì)比結(jié)果，證明了采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的準(zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證了采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent采空區(qū)自燃帶和瓦斯分布規(guī)律的可靠性。

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