采空區(qū)氧化帶位置與注氮效果的數(shù)值模擬

劉星魁，楊書召

(河南工程學(xué)院 安全工程系，河南 鄭州451191)

煤炭自燃發(fā)火是礦井中較為常見的災(zāi)害之一，全國國有重點(diǎn)煤礦中有51.3%的礦井具有自燃發(fā)火危險(xiǎn)［1］.井下最易發(fā)生自燃的場(chǎng)所主要集中在工作面采空區(qū)附近，由于采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流微弱，經(jīng)常囤積大量瓦斯，一旦發(fā)生自燃，極易引發(fā)重大的爆炸事故［2］.

采空區(qū)特殊的封閉性和復(fù)雜的周邊環(huán)境導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集困難，測(cè)量過程操作復(fù)雜.因此，目前大多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法計(jì)算采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)、氣體濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，據(jù)此了解采空區(qū)的自燃發(fā)火規(guī)律并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)制定針對(duì)性的防火措施.文獻(xiàn)［3］利用FLUENT軟件對(duì)東灘煤礦某一工作面采空區(qū)的氧濃度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了采空區(qū)內(nèi)氧濃度場(chǎng)的分布存在三維空間特性.文獻(xiàn)［4］利用G3模型對(duì)采空區(qū)的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算，并基于溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“自燃三帶”劃分.文獻(xiàn)［5］詳細(xì)分析了在煤自燃產(chǎn)生的火風(fēng)壓作用下，在發(fā)火區(qū)與非發(fā)火區(qū)之間不斷形成瓦斯、一氧化碳與空氣充分混合和對(duì)流換熱的過程.文獻(xiàn)［6］考慮了采空區(qū)內(nèi)不同的流態(tài)分布，建立了包含紊流、過度流和層流的采空區(qū)多物理場(chǎng)數(shù)學(xué)模型.

基于先前的研究結(jié)論，氧氣濃度和溫度的分布是進(jìn)行采空區(qū)自燃區(qū)域判定的核心問題，嘗試?yán)脭?shù)值模擬方法計(jì)算假設(shè)物理模型的氧氣濃度分布和升溫過程，并對(duì)注氮的必要性和有效性進(jìn)行論證，期待所得的研究結(jié)論可以被實(shí)際防火工程所借鑒.

1 基本研究假設(shè)及模型說明

為了簡(jiǎn)化問題，將研究采空區(qū)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)問題進(jìn)行如下假設(shè):①假定層流為采空區(qū)內(nèi)主要流態(tài)，忽略多孔介質(zhì)中風(fēng)流的慣性損失，速度與壓力的耦合關(guān)系簡(jiǎn)化為達(dá)西定律［7］;②采空區(qū)內(nèi)垂直方向漏風(fēng)遠(yuǎn)小于水平方向漏風(fēng)，而且采空區(qū)冒落帶高度同采空區(qū)寬度和長度比很小，認(rèn)為二維計(jì)算模型可滿足工程需要［8］;③通常工作面兩端壓差不大，漏風(fēng)速度很小，認(rèn)為采空區(qū)氣體為不可壓流體，氣體密度保持不變;④假設(shè)冒落帶內(nèi)多孔介質(zhì)滲透率近似為各向同性，忽略骨架變形，孔隙率保持不變，氣體在空隙中的對(duì)流——擴(kuò)散除了受機(jī)械能影響外還受濃度差影響，符合菲克定律;⑤假定采空區(qū)為連續(xù)的飽和多孔介質(zhì)，忽略采空區(qū)內(nèi)各流體相變，僅考慮多孔介質(zhì)中流體的傳質(zhì)、傳熱和流動(dòng)問題［9］.

經(jīng)上述假設(shè)后，所研究的問題被假設(shè)為具有質(zhì)量源、動(dòng)量源和組分源的二維多孔介質(zhì)傳質(zhì)問題.本研究所建的物理模型包括計(jì)算區(qū)域(采空區(qū))、壓力進(jìn)口(進(jìn)風(fēng)巷)與壓力出口(回風(fēng)巷)和質(zhì)量入口(注氮管)，如圖1所示.

依據(jù)上述假設(shè)，采空區(qū)滲流模型可以表示為

圖1 采空區(qū)物理模型(單位:m)Fig.1 Physicmodel of gob(Unit:m)

式(1)為連續(xù)方程，式(2)為動(dòng)量方程，ρ為氣體密度，kg/m3;v為坐標(biāo)某個(gè)方向上的氣體流動(dòng)速度分量，m/s;Δ為沿某一方向的物理量變化的梯度符號(hào)，為空氣動(dòng)力黏度系數(shù)，常溫下取1.789 4×10-5Pa·s;k是滲透率，僅與多孔介自身質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，這里滲透率k按照文獻(xiàn)［6］提出的方法沿x和y軸進(jìn)行擬合取:

升溫模型和氣體輸送模型分別為

式中，cO2為混合氣體氧氣體積分?jǐn)?shù)，DO2為氧氣在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;VcO2(T)為煤樣在溫度T和氧氣濃度為c時(shí)的耗氧速率，kg/(m3·s);qcO2(T)為溫度T和氧氣濃度為c時(shí)的放熱強(qiáng)度，W/m3;T為實(shí)際環(huán)境溫度，K;根據(jù)煤樣升溫實(shí)驗(yàn)確定煤樣在新鮮空氣中不同溫度下的耗氧速度v0(T)和升溫強(qiáng)度q0(T)反推實(shí)際氧氣濃度為c時(shí)的參數(shù)v0(T)和q0(T)可以由下述實(shí)驗(yàn)步驟確定，首先把煤樣放入程序溫控箱，通入常溫常壓空氣，在溫度恒定的情況下煤樣與氧氣充分混合氧化.當(dāng)出口氣體的氧氣濃度基本不變時(shí)，程序開始升溫，到達(dá)給定溫度后，持續(xù)一段時(shí)間，當(dāng)出口氧氣基本恒定后再次進(jìn)行升溫.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中出口氣體始終用色譜儀進(jìn)行跟蹤，根據(jù)進(jìn)出口氧氣濃度的差異和供風(fēng)量計(jì)算耗氧速率.由于僅是理論研究，這里采用筆者之前整理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2 計(jì)算結(jié)果及討論

工作面風(fēng)量取1 200 m3/min，空氣按照速度進(jìn)口條件從進(jìn)風(fēng)巷以一定速度流入，風(fēng)流中的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、溫度為300 K.除了工作面以外，假設(shè)不存在其他漏風(fēng)源，采空區(qū)四周設(shè)定為不透氣邊界，耗氧速率和放熱強(qiáng)度利用UDF函數(shù)加載至求解器中.因?yàn)檠鯕馀c漏風(fēng)風(fēng)速是影響采空區(qū)自燃的重要因素，所以應(yīng)首先計(jì)算穩(wěn)態(tài)的氧氣濃度與漏風(fēng)風(fēng)速的分布趨勢(shì)，潛在的自燃區(qū)域可以利用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行劃分，如圖2和圖3所示.

圖2 采空區(qū)氧氣分布計(jì)算結(jié)果及自燃區(qū)域示意圖Fig.2 Calculation result of oxygen concentration and easily spontaneous combustion region

圖3 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速分布計(jì)算結(jié)果及自燃區(qū)域示意圖Fig.3 Calculation result of air leakage speed and easily spontaneous combustion region

圖2和圖3為典型的采空區(qū)氧氣與漏風(fēng)速度分布情況，采空區(qū)前方氧氣較為集中，漏風(fēng)風(fēng)速較大，濃度和風(fēng)速向深部逐漸衰減，由于沿程耗氧，進(jìn)風(fēng)口的氧氣濃度顯著高于回風(fēng)口.按照目前采用的漏風(fēng)速度或者氧氣濃度自燃區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，大部分采空區(qū)氧化帶位置劃分標(biāo)準(zhǔn)為上限漏風(fēng)強(qiáng)度取0.004 m/s、下限漏風(fēng)強(qiáng)度取0.002 m/s，上限氧氣濃度取18%、下限氧氣濃度取10%.將二者范圍合并后，氧化帶最大寬度大致位于工作面靠后40～75 m，氧化帶至工作面之間為冷卻帶，氧化帶之后為窒息帶.

溫度的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，對(duì)于溫度的研究應(yīng)該采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方式，研究范圍取從初始時(shí)刻至采空區(qū)溫度達(dá)到80℃時(shí)的時(shí)間段，整個(gè)升溫過程的計(jì)算結(jié)果如圖4所示.

圖4 采空區(qū)升溫過程計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation result of heating process

從圖4可以看出，當(dāng)空氣滲流進(jìn)采空區(qū)后，由于氧化反應(yīng)采空區(qū)內(nèi)部開始升溫，前12天溫度僅上升22 K，但經(jīng)過一個(gè)緩慢過程后升溫速率開始逐漸加快，經(jīng)23天后溫度氧化帶內(nèi)達(dá)到356 K，之后如果持續(xù)升溫，采空區(qū)將有自燃的危險(xiǎn)，必須采取降溫措施.這里考慮對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮降溫，取4種注氮方案，注氮位置分別設(shè)置在距離工作面10 m，20 m，30 m和40 m處.注氮流量取30 m3/min，得到注氮后氧氣濃度分布的計(jì)算結(jié)果如圖5所示.

圖5 注氮后氧氣濃度分布Fig.5 Oxygen distribution after nitrogen injection

由圖5可知，在采空區(qū)密閉良好的前提下，注氮效果顯而易見，除了10 m處注氮沒有明顯效果外，其他位置的注氮都起到了對(duì)氧氣的稀釋作用，氧氣濃度為10%～18%的區(qū)域出現(xiàn)了回縮前移.對(duì)不同位置的注氮效果進(jìn)行比較，20 m處的注氮效果最佳，在注氮量相同的情況下氧化帶寬度可以額外減少20 m左右.由圖2和圖3可知，20 m處尚未進(jìn)入氧化帶，所以采空區(qū)注氮位置最好設(shè)計(jì)在氧化帶前方，這樣可以給氮?dú)庖粋€(gè)預(yù)留空間來充分破壞先前的流場(chǎng)分布，使氧氣重新分布.

3 結(jié)論

(1)由于采空區(qū)自身的阻力和沿途耗氧，“U”型通風(fēng)工作面采空區(qū)氧氣分布在進(jìn)風(fēng)側(cè)較回風(fēng)側(cè)更集中，這造成氧化帶的不均勻分布.氧化帶內(nèi)氧氣充足、漏風(fēng)風(fēng)速不高，故自燃危險(xiǎn)區(qū)域主要位于進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣富集區(qū)域，范圍大小從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)遞減.

(2)在不存在防火措施的條件下，采空區(qū)溫度非穩(wěn)態(tài)過程呈加速趨勢(shì)，高溫區(qū)位于距漏風(fēng)邊界數(shù)十米的進(jìn)風(fēng)側(cè).起初溫度梯度很小、分布均勻，隨著自燃進(jìn)程的發(fā)展，溫度越發(fā)集中，形成發(fā)火點(diǎn).

(3)注氮的位置對(duì)降溫效果有重要影響，在氧化帶適當(dāng)靠前的位置注氮，可以給氮?dú)庖粋€(gè)預(yù)留空間來充分破壞先前的流場(chǎng)分布，使氧氣重新分布.

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