基于數(shù)值模擬的高瓦斯易自燃綜放面合理風(fēng)量確定方法

葉正亮

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037）

以往高瓦斯工作面進(jìn)行通風(fēng)量考察，特別是對滿足自燃防治要求的風(fēng)量上限的考察都是在調(diào)風(fēng)后根據(jù)自燃標(biāo)志氣體的變化來判斷工作面風(fēng)量對自燃是否有負(fù)面影響，這種方法比較直接，但是往往需要多次調(diào)風(fēng)，一步一步地尋找合適的風(fēng)量，有一定的滯后性，采空區(qū)往往有了自燃征兆后才想起需要再次調(diào)風(fēng)。傳統(tǒng)的工作面配風(fēng)方法只從產(chǎn)量、人員、設(shè)備、溫度、瓦斯絕對涌出量以及風(fēng)速驗(yàn)證等角度出發(fā)，具有一定的局限性。傳統(tǒng)的工作面風(fēng)量計(jì)算方法難以適應(yīng)這種新的要求，必須通過相應(yīng)的理論研究，從協(xié)調(diào)瓦斯排放與自燃矛盾的角度出發(fā)，尋找一種新的方法來緩和這種相互制約。

1 高瓦斯易自燃綜放面風(fēng)量影響因素分析

對于U型通風(fēng)的工作面，采空區(qū)漏風(fēng)主要來源于工作面通風(fēng)，工作面風(fēng)量的變化必然導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的變化，影響采空區(qū)的瓦斯和氧氣濃度分布。由于綜放開采的特點(diǎn)，綜放工作面瓦斯絕對涌出量一般都比較大，為了緩解瓦斯超限的壓力，目前綜放工作面風(fēng)量大多在2000 m3／min以上，部分工作面正?；夭蓵r(shí)工作面風(fēng)量高達(dá)4000 m3／min；工作面通風(fēng)量的提高又會(huì)使采空區(qū)自燃帶范圍擴(kuò)大，增大了采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。因此，采空區(qū)瓦斯涌出和對遺煤自燃的控制要求是高瓦斯易自燃綜放面合理風(fēng)量確定的主要因素。

1.1 采空區(qū)瓦斯涌出與工作面風(fēng)量關(guān)系

在不考慮放煤時(shí)瓦斯大量涌出的情況下，工作面風(fēng)量越小，工作面風(fēng)排瓦斯的能力越弱；而提高風(fēng)量，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)增加，抑制了采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出，工作面邊界上的瓦斯?jié)舛确植己筒煽諈^(qū)上隅角的瓦斯?jié)舛冉档烷g接地減小了工作面瓦斯超限的幾率。但是采空區(qū)實(shí)際情況復(fù)雜多變，工作面通風(fēng)量并不是決定采空區(qū)瓦斯涌出量大小的唯一因素，落煤量和時(shí)刻在改變的瓦斯涌出強(qiáng)度也是影響采空區(qū)瓦斯涌出量的重要因素。工作面瓦斯涌出的不平衡決定了在高瓦斯煤層實(shí)際開采過程中通過增加工作面風(fēng)量風(fēng)排瓦斯是有限度的，不斷地增加工作面通風(fēng)量并不能徹底解決工作面瓦斯超限問題。

現(xiàn)場一般按照煤層瓦斯絕對涌出量計(jì)算工作面滿足風(fēng)排瓦斯要求的風(fēng)量Q1計(jì)算：

式中：Q1——工作面滿足風(fēng)排瓦斯需求風(fēng)量，m3／min；

QCH4——工作面瓦斯涌出量，m3／min；

K——采煤工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)。

1.2 采空區(qū)煤自燃與工作面風(fēng)量關(guān)系

采空區(qū)遺煤自燃主要原因是由于采空區(qū)漏風(fēng)提供了煤自燃的基本條件。采空區(qū)漏風(fēng)影響著采空區(qū)氧濃度的分布，采空區(qū)氧濃度分布決定了采空區(qū)自燃帶的寬度，而工作面通風(fēng)量和采空區(qū)漏風(fēng)存在一定的關(guān)系，因此通過研究工作面通風(fēng)量與采空區(qū)自燃帶寬度關(guān)系就找出了采空區(qū)煤自燃與工作面風(fēng)量的關(guān)系。

采空區(qū)自燃帶寬度是采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性的外在體現(xiàn)的主要數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為氧濃度C＜8%為窒息帶，因此取氧濃度C≥8%為自燃帶的最大寬度。由于采空區(qū)環(huán)境復(fù)雜，不可能隨時(shí)改變工作面通風(fēng)量參數(shù)來現(xiàn)場觀測采空區(qū)自燃帶的寬度，在這里借助數(shù)值模擬的手段來研究不同工作面風(fēng)量情況下的自燃帶最大寬度。建立采空區(qū)的3D物理模型如圖1所示，采空區(qū)走向長度方向?yàn)閤方向，工作面長度方向?yàn)閥方向，與采空區(qū)走向和工作面方向垂直方向?yàn)閦方向，風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)流入工作面和采空區(qū)，在工作面回風(fēng)側(cè)流出；采空區(qū)兩端的壓差等于工作面的通風(fēng)阻力；采空區(qū)的其他3個(gè)邊界設(shè)定為固壁；采空區(qū)孔隙率在距離工作面小于100 m時(shí)隨距離變化符合近似矩形的橢拋線規(guī)律，大于100 m時(shí)其孔隙率不再隨距離而變化，保持恒定值。

選取郭家河煤礦1301工作面為試驗(yàn)工作面，該工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，平均煤厚為10.9 m，工作面傾向長度240 m，傾向長壁布置，后退式放頂煤開采，全部陷落法管理頂板。煤層自燃傾向性為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。設(shè)置模擬U型通風(fēng)方式，工作面風(fēng)量2700 m3／min；工作面兩端風(fēng)壓差50～100 Pa；平均推進(jìn)度2 m／d，已推進(jìn)200 m，后100 m壓實(shí)；工作面風(fēng)流為紊流，采空區(qū)風(fēng)流為層流；瓦斯涌出量13～30 m3／min，采用4個(gè)高位鉆孔抽放，總流量90 m3／min。

圖1 綜放面采空區(qū)3D物理模型

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到無抽放回采時(shí)1301工作面采空區(qū)氧濃度分布如圖2所示，圖為y＝10 m，y＝115 m，y＝230 m采空區(qū)進(jìn)、中、回側(cè)截面圖，其中y＝10 m處截面的氧化帶寬度為最大自燃帶寬度。

圖2 FLUENT模擬無抽放時(shí)1301采空區(qū)漏風(fēng)氧濃度分布

通過改變圖1數(shù)學(xué)模型中工作面風(fēng)量參數(shù)得到1301工作面無抽放回采時(shí)通風(fēng)量與最大自燃帶之間關(guān)系模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工作面風(fēng)量下最大自燃帶寬度數(shù)值模擬結(jié)果

對模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到在正?；夭蓵r(shí)1301工作面通風(fēng)量Q2與最大自燃帶寬度L符合以下的回歸方程（2），回歸相關(guān)系數(shù)為0.997。

式中：L——最大自燃帶寬度，m；

Q2——正?；夭蓵r(shí)1301工作面通風(fēng)量，m3／min。

通過對不同工作面風(fēng)量情況下采空區(qū)自燃 “三帶”數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得到工作面風(fēng)量與最大自燃帶寬度近似符合對數(shù)關(guān)系，如式（3）所示：

式中：L——采空區(qū)最大自燃帶寬度（高瓦斯工作面一般為進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶寬度），m；

Q2——滿足自燃防治要求的工作面通風(fēng)量，m3／min；

A、B——回歸系數(shù)。

同時(shí)按照自然發(fā)火安全的要求，合理的自燃帶寬度應(yīng)滿足式（4）：

式中：Tmin——煤最短自然發(fā)火期，d；

ˉv——工作面平均推進(jìn)速度，m／d。

將式（4）代入式（3），即得到工作面風(fēng)量上限值的確定公式（5），反映了煤炭自燃對工作面風(fēng)量的控風(fēng)要求。

1.3 工作面合理通風(fēng)量范圍的確定

按排放瓦斯要求和工作面生產(chǎn)所需供風(fēng)確定風(fēng)量下限，從防止采空區(qū)自然發(fā)火的角度確定風(fēng)量的上限，即工作面合理通風(fēng)量Q取值范圍：

式中：Q——工作面合理通風(fēng)量，m3／min；

Q1——按排放瓦斯要求和工作面生產(chǎn)所需供風(fēng)確定風(fēng)量，m3／min；

Q2——從防止采空區(qū)自然發(fā)火的角度確定的風(fēng)量，m3／min。

為了評價(jià)合理風(fēng)量范圍的安全性問題，這里引入李宗翔教授的風(fēng)量極差的概念：

式中：R——合理風(fēng)量極差值，m3／min。

若R＞0時(shí)，工作面風(fēng)量確定與調(diào)整有可選區(qū)間，R值越大，安全條件越好；若R≤0時(shí)，無可選區(qū)間，說明單純以調(diào)整通風(fēng)量的方法在控制瓦斯涌出與防止自然發(fā)火之間不能夠協(xié)調(diào)一致進(jìn)行，此時(shí)必須采取必要的技術(shù)措施，如向采空區(qū)注氮或提高工作面推進(jìn)速度來提高Q2值，或者采取如瓦斯抽放等治理措施來減小工作面的瓦斯涌出量，達(dá)到降低Q1值的目的。

通過計(jì)算，1301工作面在正?；夭汕移骄七M(jìn)速度3 m／d情況下，風(fēng)量可調(diào)范圍在4020～4365 m3／min之間，極差R為345 m3／min，此時(shí)工作面風(fēng)量滿足排放瓦斯的要求，也有一定的風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍滿足自然發(fā)火防治要求。

2 瓦斯抽放時(shí)綜放面風(fēng)量范圍確定

2.1 抽放對合理風(fēng)量上下限的影響

當(dāng)工作面采取了瓦斯抽放措施后，合理風(fēng)量上下限調(diào)節(jié)范圍就有所變化。這是由于瓦斯抽放措施會(huì)降低工作面的瓦斯涌出量，減小工作面風(fēng)排瓦斯的壓力，從而使風(fēng)量調(diào)節(jié)下限降低；同時(shí)抽放措施的實(shí)施又會(huì)增加采空區(qū)的最大自燃帶寬度，從而也降低了風(fēng)量調(diào)節(jié)的上限。

1301工作面高位抽放鉆孔位于采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，4個(gè)鉆孔間距20 m，伸入采空區(qū)30 m，距底板高度30 m，處于散熱帶中。

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到高位鉆孔抽放條件流量90 m3／min情況下，1301工作面采空區(qū)氧濃度分布如圖4所示，圖為y＝220 m，200 m，180 m，160 m抽放鉆孔截面圖，從圖4中可以讀出采空區(qū)在一定抽放流量條件下最大自燃帶的范圍變化。

圖4 FLUENT模擬高位鉆孔抽放時(shí)1301采空區(qū)漏風(fēng)氧濃度場分布

通過改變圖4數(shù)學(xué)模型中工作面風(fēng)量參數(shù)得到1301工作面在高位鉆孔抽放條件下回采時(shí)通風(fēng)量與最大自燃帶之間關(guān)系模擬結(jié)果，如圖5所示。

圖5 高位鉆孔抽放條件下不同工作面風(fēng)量時(shí)最大自燃帶寬度數(shù)值模擬結(jié)果

對模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到高位鉆孔抽放條件下1301工作面通風(fēng)量Q與最大自燃帶L符合以下的回歸方程，回歸相關(guān)系數(shù)為0.997。

可以解出：

由于采取了高位鉆孔瓦斯抽放措施，1301工作面瓦斯涌出量降至24 m3／min，由式（1）得出Q1＝2880 m3／min；按照高位鉆孔抽放下的自燃防治要求計(jì)算Q2值，由式（9）得Q2＝3660 m3／min。

通過計(jì)算，1301工作面在采取高位鉆孔瓦斯抽放條件下（抽放流量90 m3／min）且平均推進(jìn)速度3 m／d情況下，風(fēng)量可調(diào)范圍在2880～3660 m3／min，極差R為780 m3／min，此時(shí)工作面風(fēng)量滿足排放瓦斯的要求，也有一定的風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍滿足自然發(fā)火防治要求。

2.2 工作面推進(jìn)速度與工作面風(fēng)量的合理關(guān)系

式中：Vmin——工作面極限推進(jìn)速度，m／d；

Q＊——工作面合理風(fēng)量極限值，Q＊＝Q2＝Q1。

通過式（10）代入不同的推進(jìn)速度分別計(jì)算得到1301工作面在無抽放和高位鉆孔瓦斯抽放情況下工作面推進(jìn)速度與工作面合理控風(fēng)上限關(guān)系，如圖6和圖7所示。

采空區(qū)自燃 “三帶”的相對位置是隨時(shí)間變化的，在空間上是向工作面方向移動(dòng)的。工作面通風(fēng)量和采空區(qū)最大自燃帶寬度密切相關(guān)，而最大自燃帶寬度又決定著工作面極限推進(jìn)速度。將式（9）變形可以得到：

圖6 無抽放情況下不同推進(jìn)速度對工作面控風(fēng)要求

根據(jù)圖6可以得到當(dāng)ˉv＝2.76 m／d時(shí)，Q2＝Q1＝4020 m3／min，說明在工作面沒有采取任何瓦斯治理措施的情況下，工作面推進(jìn)速度必須保持在2.76 m／d以上，工作面風(fēng)量確定才有可調(diào)范圍，兼顧瓦斯排放與自然防治的要求。

根據(jù)圖7可以得到當(dāng)ˉv＝2.32 m／d時(shí)，Q2＝Q1＝2880 m3／min，說明工作面采取了高位鉆孔瓦斯抽放治理措施的情況下，工作面推進(jìn)速度必須保持在2.32 m／d以上，工作面風(fēng)量確定才有可調(diào)范圍，兼顧瓦斯排放與自然防治的要求。

圖7 高位鉆孔抽放條件下不同推進(jìn)速度對工作面控風(fēng)要求

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果在現(xiàn)場調(diào)風(fēng)中的應(yīng)用

通過前文分析知道通過調(diào)整工作面通風(fēng)量可以協(xié)調(diào)瓦斯排放和自燃防治要求。在一定程度上，推進(jìn)速度決定了工作面的合理供風(fēng)上限。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果和工作面實(shí)際推進(jìn)速度進(jìn)行了對比分析，見表1。

從表1可以看出，1301工作面在回采初期推進(jìn)速度相對較低，風(fēng)量配備稍微偏高，所以在前期出現(xiàn)CO濃度上升現(xiàn)象，但是隨著工作面穩(wěn)定推進(jìn)，風(fēng)量配備基本合理，再加上各種有效措施的采取，工作面回風(fēng)流中CO濃度趨于穩(wěn)定，總體看來，1301工作面的平均推進(jìn)速度和風(fēng)量配備有利于將自燃帶迅速甩入窒息帶，為防止采空區(qū)浮煤自燃提供了有利的條件。

表1 工作面實(shí)際推進(jìn)速度下模擬計(jì)算合理風(fēng)量與實(shí)際風(fēng)量對比表

2.4 瓦斯抽放時(shí)綜放面合理風(fēng)量范圍分析

通過模擬計(jì)算知道，在確定合理調(diào)風(fēng)范圍的同時(shí)必須考慮瓦斯抽放對風(fēng)量上下限的共同影響。這是由于瓦斯抽放雖然對自燃有負(fù)面影響，增加了自燃帶范圍，但同時(shí)也解決了一定瓦斯問題，降低了最小風(fēng)量的要求，而風(fēng)量降低同時(shí)又縮短了自燃帶的長度，在這個(gè)過程中要看哪個(gè)因素影響自燃帶的作用更大。

同時(shí)，高瓦斯工作面極限推進(jìn)速度確定必須考慮瓦斯抽放和縮小風(fēng)量哪個(gè)因素對采空區(qū)自燃帶的影響更大。通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看到，在同等風(fēng)量條件下，由于高位鉆孔瓦斯抽放使自燃帶范圍擴(kuò)大，對工作面推進(jìn)度提出了更高的要求，但是通過適當(dāng)調(diào)風(fēng)措施，又可以減小瓦斯抽放對采空區(qū)自燃帶的負(fù)面影響，使工作面極限推進(jìn)速度降低?？梢愿鶕?jù)推進(jìn)速度來確定滿足自燃防治要求風(fēng)量的理論上限，也可以根據(jù)工作面風(fēng)量來確定極限推進(jìn)速度，對現(xiàn)場調(diào)風(fēng)和確定工作面推進(jìn)速度具有一定指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

（1）對高瓦斯易自燃煤層開采時(shí)工作面風(fēng)量合理范圍進(jìn)行了討論。以滿足風(fēng)排瓦斯要求的風(fēng)量為下限，以一定推進(jìn)速度內(nèi)采空區(qū)不發(fā)火的風(fēng)量作為上限，并引入風(fēng)量范圍極差（R）的概念來評價(jià)合理范圍的安全性。其中，下限風(fēng)量主要和工作面實(shí)際瓦斯涌出量相關(guān)，上限風(fēng)量與工作面實(shí)際推進(jìn)速度有關(guān)，當(dāng)采取措施降低工作面瓦斯涌出或增加工作面推進(jìn)速度，風(fēng)量極差越大，安全情況越好。在采取瓦斯抽放措施時(shí)必須考慮其對風(fēng)量上下限同時(shí)產(chǎn)生影響。

（2）對高瓦斯工作面極限推進(jìn)速度公式進(jìn)行了推導(dǎo)。工作面通風(fēng)量和采空區(qū)自燃帶寬度密切相關(guān)，而自燃帶寬度又決定著工作面最小推進(jìn)速度。工作面極限推進(jìn)速度確定必須考慮瓦斯抽放和縮小風(fēng)量哪個(gè)因素對采空區(qū)自燃帶的影響更大。當(dāng)R＝0時(shí)，此時(shí)算出的工作面風(fēng)量值剛好可以滿足瓦斯排放和自燃防治要求，為合理風(fēng)量的極限值，此時(shí)對應(yīng)的工作面推進(jìn)速度即為極限推進(jìn)速度。

（3）通過對1301工作面模擬計(jì)算結(jié)果和工作面實(shí)際推進(jìn)速度進(jìn)行對比分析，數(shù)值模擬計(jì)算分析的結(jié)果可以給現(xiàn)場及時(shí)合理的調(diào)風(fēng)帶來一定的指導(dǎo)意義。在實(shí)際工作中，應(yīng)該根據(jù)不同時(shí)期瓦斯涌出強(qiáng)度和推進(jìn)速度合理調(diào)風(fēng)協(xié)調(diào)瓦斯和自燃兩種災(zāi)害防治要求，為瓦斯和自燃綜合防治創(chuàng)造良好的條件。

［1］張國樞，戴廣龍.煤炭自燃理論與防治實(shí)踐 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2002

［2］葉正亮.雙指標(biāo)劃分采空區(qū)自燃 “三帶”的數(shù)值模擬 ［J］.煤礦安全，2012（3）

［3］葉正亮.高位鉆孔瓦斯抽放采空區(qū)自燃 “三帶”的數(shù)值模擬 ［J］.中國煤炭，2012（7）

［4］李宗翔.高瓦斯易自燃采空區(qū)瓦斯與自燃耦合研究［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007