綜放工作面采空區(qū)自燃環(huán)境數(shù)值仿真研究

王 曄，朱 鍇，朱建芳

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

煤炭自燃是影響礦井安全生產(chǎn)的一個重要問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦火災(zāi)90%以上是煤層自燃火災(zāi)，其中70%發(fā)生在采空區(qū)[1]。近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對采空區(qū)遺煤自燃進(jìn)行了大量研究工作，將采空區(qū)劃分為“三帶”－散熱帶、氧化自燃帶和窒息帶[2]。目前，關(guān)于煤炭開采過程中采空區(qū)“三帶”的識別和判定研究主要有三種方法。一是現(xiàn)場測試采空區(qū)自燃“三帶”，該方法受限于煤礦現(xiàn)場條件，測點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)采集較為困難，操作復(fù)雜，難以推廣應(yīng)用;二是實(shí)驗(yàn)室模擬采空區(qū)遺煤自燃特性，該方法不能完全真實(shí)地模擬采空區(qū)的自燃條件，在解算中還需要測定煤、巖體溫度、耗氧強(qiáng)度等參數(shù)，在生產(chǎn)過程中現(xiàn)場測定這些參數(shù)難度較大，以此判定的自燃危險區(qū)域與現(xiàn)場實(shí)際存在較大的誤差;三是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值仿真方法，采空區(qū)的環(huán)境條件復(fù)雜多樣，許多數(shù)據(jù)將很難通過現(xiàn)場實(shí)測來獲取，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為采空區(qū)危險區(qū)域判定預(yù)分析提供了新的思路和途徑。

本文根據(jù)孔莊煤礦7354工作面的實(shí)際情況，建立物理模型，并以多孔介質(zhì)滲流力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建三維數(shù)學(xué)模型，對綜放工作面采空區(qū)自燃環(huán)境進(jìn)行仿真研究，模擬計(jì)算綜放工作面及采空區(qū)空氣流場、氧氣濃度分布規(guī)律，預(yù)測采空區(qū)自燃的危險區(qū)域，為制定有效的防滅火措施提供參考。

1 工作面概況

7354工作面位于孔莊煤礦Ⅱ水平，標(biāo)高為－609.487～693.9 m，平均煤厚5 m，工作面走向長度541 m，傾向長度145 m，采高2.3 m，平均傾角28°。煤層灰分12.4%，揮發(fā)分37.0%，容重1.35 t/m3，吸氧量為0.79 cm3/g干煤，自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬于容易自燃煤。

該工作面采用走向長壁采煤、放頂煤一次采全高，采用頂板全部垮落法管理頂板。兩巷采用留頂煤掘進(jìn)，在正常開采過程中兩巷頂煤直接跨落于采空區(qū)中，為工作面采空區(qū)自燃事故的發(fā)生提供了基本物質(zhì)條件。在本項(xiàng)目立項(xiàng)初期，7354工作面是一個封閉2年多的工作面，該工作面上方是7256水采工作面老空區(qū)，另外，回采工作面周圍還有多條老巷道存在，地質(zhì)條件復(fù)雜(斷層多、落差大)，小煤柱開采和煤層容易自燃等諸多不利因素，形成了復(fù)雜的多源多匯漏風(fēng)通道和較大的漏風(fēng)強(qiáng)度，良好的漏風(fēng)條件可為綜放面采空區(qū)浮煤自燃提供足夠的氧氣。

2 數(shù)學(xué)物理模型

因?yàn)榫C放工作面和采空區(qū)的物理?xiàng)l件非常復(fù)雜，影響因素繁多，為便于研究，所以做以下假設(shè):

1)采空區(qū)內(nèi)煤炭、冒落巖石與空氣等混合物視為各向同性的均勻一致的多孔介質(zhì)層，孔隙度為常數(shù);

2)忽略綜放工作面巷道內(nèi)的設(shè)備、管線的影響;

3)不考慮各巷道沿傾斜或者走向的坡度變化;

4)忽略空氣熱膨脹的影響，不計(jì)水蒸汽蒸發(fā)和瓦斯解吸，同時將固體、氣體的物理特性參數(shù)視作常數(shù)、不考慮其隨溫度的變化;

5)煤體中的同一位置風(fēng)流溫度與煤體溫度相等;

6)在氣流中不存在熱源、熱匯，氣流各組份之間沒有化學(xué)反應(yīng);

7)模擬解算過程中，煤的發(fā)熱強(qiáng)度與耗氧速率及煤溫的關(guān)系保持不變。

根據(jù)上述假設(shè)，結(jié)合多孔介質(zhì)理論、質(zhì)量守恒和能量守恒定律建立綜放工作面及采空區(qū)空氣流場、瓦斯等組分氣體濃度和能量方程，如式(1)～(3)所示。

其中:φ 代表守恒量 1、u、v、w、k、ε，分別代表連續(xù)性方程、動量方程、湍流k－ε方程;Γφ為擴(kuò)散系數(shù)，Yi為氧等待計(jì)算濃度氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ρi為氧氣等待計(jì)算濃度氣體的密度，Si為源項(xiàng)，T為溫度，c為定壓比熱容(下標(biāo)f、s分別表示流體和固體)Sφ、Si和 Sk為源項(xiàng)。

3 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

根據(jù)研究工作面有關(guān)參數(shù)，選擇工作面、工作面運(yùn)輸順槽、工作面回風(fēng)順槽、采空區(qū)組成計(jì)算物理模型，為減少計(jì)算難度，忽略巷道內(nèi)的設(shè)備、管線，暫不考慮各巷道沿傾斜或者走向方向的坡度變化，得到其簡化物理模型，然后利用著名商用CFD軟件Fluent求解上文建立的數(shù)學(xué)模型，開展仿真研究工作。計(jì)算模型及相關(guān)幾何尺寸如圖1所示，圖2給出了計(jì)算模型網(wǎng)格分布情況，網(wǎng)格數(shù)目為122，640。計(jì)算條件如表1所示，模擬計(jì)算了采取、未采取羅克休封堵隅角措施兩種情況下7354工作面采空區(qū)流場、氧氣濃度場及三帶分布情況，并且對采取抽放措施后的工況進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3－6圖所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域物理模型示意圖

圖2 綜放面采空區(qū)計(jì)算模型網(wǎng)格

圖3 壓力分布云圖

圖4 根據(jù)氧氣濃度分布劃分三帶

圖5 根據(jù)空氣流速分布劃分三帶

圖6 采取抽放7354工作面采空區(qū)三帶分布模擬結(jié)果

表1 計(jì)算邊界條件

圖3－5給出了y=1.5 m(距離采空區(qū)底板1.5 m處)相對壓力、空氣速度、氧氣濃度分布情況及根據(jù)氧氣濃度、空氣流速劃分“三帶”云圖，從圖中可以看出:

1)采空區(qū)靜壓進(jìn)風(fēng)側(cè)高于回風(fēng)側(cè)，進(jìn)風(fēng)側(cè)壓力向采空區(qū)深部遞減，回風(fēng)側(cè)壓力向采空區(qū)遞增。風(fēng)流由高壓區(qū)域向低壓區(qū)域流動，即采空區(qū)內(nèi)空氣由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)流動。在進(jìn)、回風(fēng)隅角處滲流速度較大，且滲流分布呈對稱分布。對比未采取羅克休封堵技術(shù)前、后隅角間壓差，明顯后者較低，說明封堵技術(shù)對于控制采空區(qū)漏風(fēng)效果良好。

2)采空區(qū)氧濃度在進(jìn)風(fēng)側(cè)比較高，在回風(fēng)側(cè)相對較低。未采取羅克休封堵技術(shù)前，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積濃度在距離工作面40 m左右處達(dá)到18%，65m左右達(dá)到下限氧濃度(約為10%)，采取封堵技術(shù)后，可能自燃帶范圍明顯減小;采空區(qū)內(nèi)氣體流速在采取封堵技術(shù)之后，速度為0.1 m/min～0.24 m/min區(qū)域范圍明顯減小，并且向工作面方向前移。對比根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度、空氣流速劃分“三帶”情況，與現(xiàn)場實(shí)測基本一致，證明采用數(shù)值模擬技術(shù)研究綜放工作面三帶分布、乃至危險區(qū)域判定都具有重要的實(shí)際意義。但是也存在一定的差異，這是因?yàn)閿?shù)值模擬過程中簡化了現(xiàn)場復(fù)雜幾何、物理?xiàng)l件以及孔莊礦7354工作面復(fù)雜的漏風(fēng)情況。

圖6給出了采取瓦斯抽放措施時，y=1.5 m截面(距離采空區(qū)底板1.5 m處)根據(jù)氧氣濃度、空氣流速劃分“三帶”云圖。從圖中可以看出，抽放系統(tǒng)作用下，采空區(qū)氧氣濃度分布受到影響，回風(fēng)側(cè)散熱帶與可能自燃帶交界面向工作面方向移動，可能自燃帶寬度有所減少;而且，增大了工作面?zhèn)鹊目諝饬魉?，按照空氣流速劃分?biāo)準(zhǔn)，散熱帶寬度增加，可能自燃帶與散熱帶交界面向采空區(qū)深部移動，可能自燃帶區(qū)域移向采空區(qū)深部方向，因此，應(yīng)該綜合氧氣濃度、漏風(fēng)風(fēng)流判斷標(biāo)準(zhǔn)判定三帶分布，僅僅依靠單方面的判定是不合適的。綜上，抽放系統(tǒng)的加入對于采空區(qū)三帶的影響是較為復(fù)雜的過程，它改變了采空區(qū)空氣流場和三帶的分布規(guī)律，從而使煤層自燃危險性增強(qiáng)，自燃危險區(qū)域范圍增大，容易產(chǎn)生大范圍采空區(qū)自燃，建議綜合考慮，制定合理的防治措施。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了綜放工作面采空區(qū)空氣流動與傳熱三維數(shù)值仿真模型，研究了7354工作面采用羅克休堵漏風(fēng)技術(shù)前后采空區(qū)三帶分布情況。研究表明:

(1)采取羅克休封堵技術(shù)后，隅角間壓差降低，封堵技術(shù)對于控制采空區(qū)漏風(fēng)效果改進(jìn);

(2)采取羅克休封堵技術(shù)后，可能自燃帶范圍明顯減小，進(jìn)一步論證了堵漏技術(shù)的有效性;

(3)采用抽放措施時，采空區(qū)氧氣濃度分布受到影響，自燃帶向工作面方向移動，可能自燃帶寬度有所減少;而且，增大了工作面?zhèn)鹊目諝饬魉?，按照空氣流速劃分?biāo)準(zhǔn)，散熱帶寬度增加，可能自燃帶與散熱帶交界面向采空區(qū)深部移動，可能自燃帶區(qū)域移向采空區(qū)深部方向。

2)采空區(qū)“三帶”的形態(tài)和范圍的確定，為深入分析綜采面采空區(qū)自然發(fā)火危險程度和火源可能產(chǎn)生位置提供了科學(xué)依據(jù)。所確定的氧化帶是采取防火措施的重點(diǎn)地帶，是防火管理工作的關(guān)鍵。

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