黃巖匯礦綜放面采空區(qū)三維抽采條件下氧濃度數(shù)值模擬研究

朱興攀文 虎王 凱喬懿麟

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710065; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054)

黃巖匯礦綜放面采空區(qū)三維抽采條件下氧濃度數(shù)值模擬研究

朱興攀1文 虎2王 凱2喬懿麟1

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710065; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054)

以黃巖匯煤礦15109工作面為研究背景,從高瓦斯礦井抽放條件下綜放采空區(qū)浮煤自燃的特點(diǎn)出發(fā),對其采空區(qū)在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)運(yùn)行條件下的氧濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M測定煤層自然發(fā)火相關(guān)特性參數(shù),利用相關(guān)學(xué)科知識,建立綜放采空區(qū)在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)運(yùn)行條件下氣體滲流預(yù)測模型,對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算;通過改變高抽巷抽采負(fù)壓來研究其對采空區(qū)“三帶”的影響。

采空區(qū) 氧濃度 分布規(guī)律 數(shù)值模擬 抽采負(fù)壓

1 綜放面抽放條件下采空區(qū)分析

黃巖匯煤礦主采15＃煤層,屬于高瓦斯不易自燃煤層,煤種為無煙煤,采用走向長壁后退式綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。煤層平均厚度為4.9 m,采高2.6 m,上部頂煤采用液壓支架尾梁擺動(dòng)、插板伸縮放頂煤,放煤高度2.3 m,采放比1︰0.88,工作面推進(jìn)約8 m初次放煤。

黃巖匯15109工作面兩巷(指進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道)及兩端頭支架處不放頂煤,且兩巷頂部及兩巷巷壁均采用錨網(wǎng)支護(hù),當(dāng)工作面推進(jìn)、頂板垮落后,該處留有大量遺煤,且兩巷處由于錨網(wǎng)的作用遺煤垮落不完全,造成大量的漏風(fēng)裂隙。此外,由于15109工作面屬于高瓦斯煤層,故在距回風(fēng)巷一側(cè)20 m處開掘了一條瓦斯排放專用巷(即尾巷)對采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行排放,為了保證尾巷的排瓦斯效果,在上隅角處隨著工作面的推進(jìn)不斷扎設(shè)木垛,以防回風(fēng)巷處頂板垮落壓實(shí)巷道。尾巷與回風(fēng)巷之間每30 m有一條聯(lián)絡(luò)巷相連,且始終保持采空區(qū)內(nèi)有兩條聯(lián)絡(luò)巷是相通的,當(dāng)下一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采空區(qū)后,及時(shí)對采空區(qū)內(nèi)最前一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行密閉。由此可知在采空區(qū)內(nèi)部回風(fēng)巷一側(cè)60 m左右的區(qū)域內(nèi)頂板垮落不完全,具有良好的通風(fēng)條件。

另外,在距回風(fēng)巷水平間距50 m、垂直間距46 m處開掘一條高抽巷同時(shí)對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采,這就導(dǎo)致采空區(qū)不可避免的存在大量漏風(fēng),為遺煤氧化自燃提供了良好的供氧條件。

在煤層開采過程中,老頂初次來壓、垮落后,發(fā)生周期性來壓、垮落,引起頂部巖層產(chǎn)生冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,前兩者為破裂帶。由于煤層頂部巖體垮落而產(chǎn)生大量裂隙,使工作面空氣可以滲流到采空區(qū)內(nèi)部,在足夠的蓄熱環(huán)境下,可能會(huì)引起工作面采空區(qū)浮煤自燃,因此破裂帶所形成的裂隙成為空氣滲流的主要通道。

2 綜放面采空區(qū)氣體滲流及擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

2.1 采空區(qū)氣體滲流控制方程

高瓦斯礦井綜放面采空區(qū)內(nèi)部松散煤體和圍巖層組成的多孔介質(zhì)區(qū)域,其內(nèi)部空隙分布并不均勻,并且在高抽巷及尾巷的立體抽采條件下,采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度增大,風(fēng)流紊亂,難以對其漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯進(jìn)行確定,因此,為建立其三維數(shù)學(xué)模型,僅考慮平均意義下的漏風(fēng)強(qiáng)度。假設(shè)在滲流區(qū)域內(nèi)風(fēng)流在通過松散煤體的空隙時(shí),密度不會(huì)發(fā)生改變,則有:

式中:x、y、z——坐標(biāo)軸方向;

盡管采空區(qū)松散煤巖體中的空隙是錯(cuò)綜復(fù)雜的,但漏風(fēng)風(fēng)流流經(jīng)空隙通道時(shí),漏風(fēng)速度是很小的,所以采空區(qū)內(nèi)部的滲流主要還是層流狀態(tài),采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)的動(dòng)量方程近似服從達(dá)西定律,在三維條件下可表示為:式中:H——總水頭,Pa;

P——靜壓力,Pa;

ρ——空氣密度,常溫常壓下,取1.2946 kg/m3;

k——絕對滲透率,m2;

μ——空氣粘性系數(shù),取1.7894×10－5kg/ (m·s);

K——多孔介質(zhì)中的滲透系數(shù),m3·s/kg。

2.2 采空區(qū)氧濃度場數(shù)學(xué)模型

滲流入采空區(qū)風(fēng)流中的氧氣與煤體接觸后,會(huì)在松散煤體表面形成大面積的吸附面,由于采空區(qū)內(nèi)部破碎的煤巖體破碎的粒度大小不一,導(dǎo)致煤巖體自身的滲透率、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)不確定,漏風(fēng)風(fēng)流在破碎的煤巖體中的傳熱、傳質(zhì)、漏風(fēng)及熱力過程極其復(fù)雜,這些過程受松散煤巖體所處的內(nèi)在及外在條件影響,采空區(qū)浮煤的自燃過程是一個(gè)十分復(fù)雜的三維問題,但仍然遵循著能量守恒原理。為了便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,需要對采空區(qū)內(nèi)氧濃度場數(shù)學(xué)模型的建立作一些假設(shè):

(1)采空區(qū)內(nèi)松散煤體屬于均勻的各向同性多孔介質(zhì);

(2)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)流僅在破碎的煤巖體內(nèi)流動(dòng);

(3)忽略實(shí)際條件下因煤溫及環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致的輻射傳熱;

(4)滲流入采空區(qū)的風(fēng)流溫度與松散煤巖體溫度相同;

(5)忽略采空區(qū)內(nèi)部浮煤中的瓦斯解吸所吸取的熱量的影響及熱膨脹的影響;

(6)忽略松散煤體內(nèi)因風(fēng)流的脈動(dòng)而引起的機(jī)械彌散影響;

基于上述的假設(shè),根據(jù)多孔介質(zhì)傳質(zhì)學(xué)理論,建立了綜放面采空區(qū)內(nèi)氧氣的質(zhì)量平衡方程為:

式中:D——氧氣在松散煤體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù),取2.88×10－5m2/s;

C——實(shí)際的氧氣濃度(體積百分比),%;

C0——新鮮風(fēng)流中的氧氣濃度,取21%;

V(T)——煤體體在氧濃度為C時(shí)的耗氧速率,mol/(s·cm3);

V0(T)——煤體在新鮮風(fēng)流中的耗氧速率,mol/(s·cm3)。

2.3 工作面及采空區(qū)兩巷壓力分布

經(jīng)過對15109綜放面的進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、尾巷及高抽巷處的壓力進(jìn)行測定,得到進(jìn)風(fēng)巷絕對壓力為94980 Pa,回風(fēng)巷絕對壓力為94780 Pa。因該工作面傾角較小,煤層賦存基本水平,且各處斷面面積基本相等,比較光滑,因此,可近似認(rèn)為工作面各點(diǎn)處的絕對壓強(qiáng)基本呈線性變化。以工作面中部為坐標(biāo)原點(diǎn),向進(jìn)風(fēng)側(cè)方向?yàn)閤方向,向采空區(qū)深部為y方向,垂直向上為z方向,則其工作面及采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)壓力分布為:

工作面壓力:

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)壓力:

采空區(qū)回風(fēng)側(cè)壓力:

2.4 滲流及計(jì)算區(qū)域

為了正確建立綜放面在高抽巷及尾巷同時(shí)抽采條件下采空區(qū)氣體滲流的數(shù)學(xué)模型,可將采空區(qū)內(nèi)部的滲流區(qū)域做一些合理假設(shè):

(1)因?yàn)?5109工作面是15＃煤層開采的第一個(gè)工作面,周圍的煤層及圍巖體并未受到較大的破壞,因此,在計(jì)算模型中可以只將采空區(qū)內(nèi)部認(rèn)為是滲流區(qū)域,其邊界面定義為壁面,即不與外界環(huán)境發(fā)生對流傳熱及物質(zhì)交換,工作面、高抽巷和瓦斯排放專用巷都作為計(jì)算區(qū)域;

(2)采空區(qū)浮煤內(nèi)部存在著大量空隙,其上部相當(dāng)高的巖層內(nèi)也存在一定的漏風(fēng)通道,加之高抽巷對采空區(qū)內(nèi)部瓦斯進(jìn)行不斷抽采,增加了圍巖層的滲透能力,也屬于滲流區(qū)域,因而采空區(qū)氣體滲流在三維方向都發(fā)生改變;

(3)采空區(qū)內(nèi)部浮煤與滲流入采空區(qū)內(nèi)部的氧氣發(fā)生吸附和化學(xué)反應(yīng)并消耗一部分氧氣,氧氣濃度會(huì)隨著與采空區(qū)距離的增加逐漸減小;

(4)采空區(qū)內(nèi)部浮煤發(fā)生自燃的過程非常緩慢,在正常生產(chǎn)過程中,可以近似認(rèn)為采空區(qū)內(nèi)氧濃度的擴(kuò)散及傳熱過程是穩(wěn)態(tài)的,并遵循Fick定律,氧濃度最終會(huì)達(dá)到擴(kuò)散與反應(yīng)的平衡。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測及計(jì)算可知,采空區(qū)距兩巷道煤壁11 m內(nèi)的浮煤厚度為2.53 m左右,中部為0.61 m左右。工作面風(fēng)流在采空區(qū)滲流的破裂帶邊界區(qū)域在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷及尾巷兩側(cè)以內(nèi)煤壁之間、煤層底板以上55 m內(nèi)的范圍,其中進(jìn)風(fēng)巷高3 m、寬4.5 m;回風(fēng)巷和尾行高3 m、寬3.8 m;高抽巷與回風(fēng)巷水平間距50 m、垂直間距46 m,斷面寬4 m、高3 m,高抽巷抽放管伸進(jìn)采空區(qū)10 m;采空區(qū)寬224 m、高55 m、深200 m;工作面風(fēng)量為設(shè)計(jì)配風(fēng)量,進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3.92 m/s,進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度為20.98%。據(jù)此,建立三維數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域簡化物理模型

2.5 邊界條件的設(shè)定

綜放面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)抽采采空區(qū)條件下氣體滲流模型的邊界條件包括進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷、瓦斯排放專用巷(尾巷)及工作面風(fēng)流的流量、氧氣濃度、壓力及模型其余表面參數(shù)的設(shè)置,根據(jù)以上分析可以得出其氣體滲流、擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的邊界條件如下:

(2)暴露面:

進(jìn)口(此模型中將進(jìn)風(fēng)巷設(shè)定為進(jìn)口):氧氣濃度體積百分比21%,質(zhì)量百分比23.0%,溫度300 K,由現(xiàn)場測得進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速平均為3.92 m/s。

回風(fēng)巷出口:設(shè)定為負(fù)壓出口,壓力94780 Pa。

高抽巷出口:設(shè)定為負(fù)壓出口,壓力26000 Pa?？赏ㄟ^改變高抽巷壓力,研究綜放面采空區(qū)在不同抽采負(fù)壓條件下采空區(qū)氧濃度分布場、流場分布規(guī)律及對采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍的影響。

瓦斯排放專用巷(尾巷)出口:設(shè)定為負(fù)壓出口,壓力94520 Pa。

3 抽放條件下采空區(qū)氧濃度數(shù)值模擬

采用ANSYS FLUENT12.1流體動(dòng)力學(xué)軟件,通過建立綜放面采空區(qū)在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)抽采條件下的氣體滲流模型及邊界條件的確定,使用UDF用戶自定義函數(shù)對采空區(qū)的空隙率、耗氧速率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自定義,從而對采空區(qū)滲流場、氣體濃度場和漏風(fēng)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。此外,通過改變高抽巷抽采負(fù)壓的大小來研究其對采空區(qū)氣體滲流場的影響,以此來指導(dǎo)黃巖匯15109綜放面采空區(qū)及同類條件下礦井的防滅火工作。

3.1 采空區(qū)三維建模及參數(shù)設(shè)置

由上可得采空區(qū)滲流區(qū)域?yàn)橄虿煽諈^(qū)方向深200 m,工作面寬224 m、高55 m的一個(gè)六面體,由于計(jì)算模型范圍較大,考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力,故將浮煤層網(wǎng)格步長劃分為0.5 m,巖石層網(wǎng)格步長劃分為1 m。

3.2 參數(shù)設(shè)置

相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 15109綜放面抽采條件下采空區(qū)氧濃度數(shù)值模擬

15109工作面煤層瓦斯含量較大,采用高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)對采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行立體抽采,采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)極其復(fù)雜,基于以上采空區(qū)模型的建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)定對其進(jìn)行了Fluent數(shù)值模擬。得出采空區(qū)不同位置氧濃度分布及壓力分布,如圖2和圖3所示。

圖2 距離煤層底板z＝0.5 m處氧氣濃度分布圖

圖3 采空區(qū)立體氧氣濃度分布圖

由圖2可知,15109工作面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)抽放條件下,采空區(qū)氧濃度分布在進(jìn)風(fēng)側(cè)較高,回風(fēng)側(cè)相對較低,然而在尾巷的作用下,回風(fēng)巷側(cè)風(fēng)流會(huì)向尾巷方向流動(dòng),致使回風(fēng)側(cè)氧濃度在距工作面50 m左右范圍內(nèi)保持在一個(gè)較高的值,在50 m之后隨著采空區(qū)深度的增加氧濃度迅速降低,當(dāng)深度達(dá)到130 m左右時(shí),氧濃度下降為3%。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度在165 m左右時(shí),氧濃度下降為4.5%,此與采空區(qū)內(nèi)部浮煤的空隙率和礦山壓力有關(guān)。

圖3顯示,在高抽巷附近,氧濃度有向巷口流動(dòng)的趨勢,這是由于高抽巷抽采負(fù)壓的作用使采空區(qū)氣體向負(fù)壓高處流動(dòng)。在尾巷的引排作用下,采空區(qū)風(fēng)流中一部分也會(huì)向尾巷處流動(dòng)。

4.2 改變高抽巷抽采負(fù)壓時(shí)采空區(qū)氧濃度數(shù)值模擬

當(dāng)高抽巷抽采負(fù)壓為23000 Pa時(shí),采空區(qū)不同位置的氧濃度分布如圖4所示。當(dāng)高抽巷抽采負(fù)壓為20000 Pa時(shí),采空區(qū)不同位置的氧濃度分布如圖5所示。

圖4 抽采負(fù)壓為23000 Pa時(shí),采空區(qū)不同位置處氧濃度分布圖

圖5 抽采負(fù)壓為20000 Pa時(shí),采空區(qū)內(nèi)不同位置的氧濃度分布圖

由圖4和圖5可以得出:

(1)隨著高抽巷抽采負(fù)壓的減小,采空區(qū)底部浮煤層氧濃度會(huì)隨之減小,進(jìn)風(fēng)側(cè)及回風(fēng)側(cè)氧濃度都會(huì)相對降低,由此可知當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度達(dá)到一定值時(shí),在較好的蓄熱環(huán)境下采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍會(huì)減小。

(2)氧濃度在向采空區(qū)深度及垂直工作面方向都會(huì)隨著距離的增加而減小,但是由于高抽巷的抽采作用,上部采空區(qū)在距工作面100 m左右的區(qū)域,氧濃度較底部浮煤層有增大的趨勢,且在高抽巷負(fù)壓口附近位置表現(xiàn)尤為明顯。

(3)由于尾巷的引排作用,尾巷內(nèi)壓力表現(xiàn)為負(fù)壓,采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)側(cè)流向回風(fēng)側(cè)時(shí),部分風(fēng)流會(huì)被引入尾巷而排出。因此,在尾行負(fù)壓的作用下回風(fēng)側(cè)部分氧氣會(huì)向尾巷一側(cè)流動(dòng)。

5 結(jié)論

(1)黃巖匯煤礦15109工作面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時(shí)抽放條件下采空區(qū)氧濃度分布在進(jìn)風(fēng)側(cè)較高,回風(fēng)側(cè)相對較低,然而在尾巷的作用下,回風(fēng)側(cè)風(fēng)流會(huì)向尾巷方向流動(dòng),致使回風(fēng)側(cè)氧濃度在距工作面50 m左右范圍內(nèi)保持在一個(gè)較高的值,在50 m之后隨著采空區(qū)深度的增加氧濃度迅速降低,當(dāng)深度達(dá)到130 m左右時(shí),氧濃度下降為3%。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度在深度為165 m左右時(shí),氧濃度下降為4.5%。由于高抽巷抽采負(fù)壓的作用,在高抽巷附近,氧濃度有向巷口流動(dòng)的趨勢。在尾巷的引排作用下,采空區(qū)風(fēng)流中一部分也會(huì)向尾巷處流動(dòng)。

(2)15109綜放面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)在距工作面約120 m處氧濃度仍保持在18%左右,在165 m左右處氧濃度下降為4.5%左右;回風(fēng)側(cè)在100 m左右處,氧濃度保持在18%左右,在130 m左右處下降為4.5%左右。因此,在足夠的浮煤厚度條件下,其采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)120～165 m、回風(fēng)側(cè)100～130 m范圍內(nèi)為煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域,在持續(xù)的時(shí)間增加條件下,浮煤很可能會(huì)發(fā)生自燃。

(3)隨著高抽巷抽采負(fù)壓的減小,采空區(qū)底部浮煤層氧濃度會(huì)隨之減小,進(jìn)風(fēng)側(cè)及回風(fēng)側(cè)氧濃度都會(huì)相對降低,由此可知當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度達(dá)到一定值時(shí),采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍會(huì)減小。氧濃度在向采空區(qū)深度及垂直工作面方向都會(huì)隨著距離的增加而減小,但是由于高抽巷的抽采作用,上部采空區(qū)在距工作面100 m左右的區(qū)域,氧濃度較底部浮煤層有增大的趨勢,且在高抽巷負(fù)壓口附近位置表現(xiàn)尤為明顯。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

《全國工業(yè)能效指南(2014年版)》發(fā)布

近日,工信部發(fā)布《全國工業(yè)能效指南(2014年版)》,指南涵蓋了主要工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)識等,主要內(nèi)容包括:

一、工業(yè)能效概況;

二、行業(yè)和地區(qū)工業(yè)能效概況;

三、重點(diǎn)行業(yè)產(chǎn)品和工序能效;

四、高耗能設(shè)備(終端用能產(chǎn)品)能效。

3D numerical simulation of oxygen concentration in goaf at fully mechanized mining face in Huangyanhui Coal Mine

Zhu Xingpan1,Wen Hu2,Wang Kai2,Qiao Yilin1
(1.Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710065,China; 2.College of Energy,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

Aimed at No.15109 working face in Huangyanhui Coal Mine,the oxygen concentration distribution in the goaf was numerically simulated under the condition of simultaneous gas drainage in the high-level drainage roadway and the special roadway for the gas emission,based on the characteristics of floating coal spontaneous combustion in the goaf of high-gas mine after the gas drainage.Through the experimental simulation,the related characteristic parameters of coal spontaneous combustion were determined.In addition,the forecasting model of oxygen seepage was set up too and the numerical simulation was carried out on it.The influence of oxygen seepage on the“three zones”in the goaf was researched by changing the negative pressure for the gas drainage in the high-level roadway.

goaf,oxygen concentration,distribution law,numerical simulation,negative pressure for gas drainage

TD712

A

朱興攀(1987－),男,甘肅張掖人,碩士,主要從事煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)及煤礦火災(zāi)災(zāi)害防治理論與技術(shù)的研究。