高抽巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數(shù)值模擬

屈 昀 高錦彪 趙鵬翔 甘路軍 常 青

(1.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學(xué)安全學(xué)院，陜西省西安市，710054)

★ 煤礦安全 ★

高抽巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數(shù)值模擬

屈 昀1高錦彪2趙鵬翔2甘路軍1常 青1

(1.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學(xué)安全學(xué)院，陜西省西安市，710054)

將采空區(qū)看作多孔介質(zhì)，利用滲流力學(xué)等理論推導(dǎo)出采空區(qū)滲透率及采空區(qū)滲流控制方程。利用數(shù)值模擬軟件Fluent,以天池煤礦401工作面的相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)模擬高抽負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出和自燃“三帶”影響規(guī)律。從模擬結(jié)果得出，抽采率隨著高抽負(fù)壓的增大而增加，但隨著高抽負(fù)壓的增大，抽采率增加幅度越來(lái)越小；高抽巷瓦斯?jié)舛入S著抽放負(fù)壓升高而下降，但瓦斯抽放純量是增加的。隨著高抽負(fù)壓的增加會(huì)使可能自燃“三帶”寬度有所拉寬，但總體來(lái)說(shuō)隨著高抽負(fù)壓的增大并沒(méi)有使得采空區(qū)自燃“三帶”與工作面的相對(duì)位置有明顯的變化，為瓦斯抽放時(shí)火災(zāi)的防治提供理論依據(jù)。

高抽負(fù)壓 采空區(qū) 數(shù)值模擬 瓦斯?jié)舛?抽采率 瓦斯抽放純量 自燃“三帶”

AbstractTaking gob as porous medium, the permeability and the seepage control equation of gob were obtained by using the theory of seepage mechanics. The simulation software Fluent was used to simulate the influencing laws of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" gas emission and spontaneous combustion based on the related parameters of 401 work face in Tianchi Mine. The numerical results showed that the extraction rate increased with high negative suction increased but the increase rate was more and more small; gas concentration in high gas drainage roadway decreased while suction pressure increased but the pure amount of gas drainage increased; the width of "Three Zone" of spontaneous combustion would increase with high negative pressure pumping had been widened; but the increase of high pumping negative pressure did not change the location of spontaneous combustion in "Three Zone" and relative positions. The research provides a theoretical basis for the prevention and control of fire during gas drainage.

Keywordshigh negative pressure, gob, numerical simulation, gas concentration, drainage rate, pure gas drainage amount, "Three Zone" of spontaneous combustion

在煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中，礦井瓦斯和煤自燃是兩大主要危險(xiǎn)源，當(dāng)兩種危險(xiǎn)源同時(shí)存在時(shí)，對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)和礦井人員的人身安全存在巨大隱患。在開采高瓦斯易自燃煤層礦井過(guò)程中，由于瓦斯排放和瓦斯抽采而導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象和煤體破裂現(xiàn)象，從而引起采空區(qū)遺落煤體和破裂煤體長(zhǎng)時(shí)間處于有氧環(huán)境中并發(fā)生自燃現(xiàn)象，而煤體自燃又成為礦井瓦斯爆炸的引火源。本文利用Fluent模擬軟件以天池煤礦401工作面的基礎(chǔ)參數(shù)為對(duì)象，分析了高抽負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出和自燃“三帶”的影響規(guī)律，為瓦斯與煤自燃的協(xié)同防治提供依據(jù)。

1 理論模型

1.1 采空區(qū)滲流控制方程

在理論推導(dǎo)中，假設(shè)采空區(qū)為多孔介質(zhì)，在多孔介質(zhì)層流中，速度與壓力降呈負(fù)相關(guān)，用Darcy定律簡(jiǎn)化多孔介質(zhì)模型：

(1)

式中： ▽P——介質(zhì)層流兩端壓力差；

a——滲透率；

m——?dú)怏w黏性系數(shù)；

根據(jù)Fick定律，擴(kuò)散發(fā)生如下表示：

(2)

式中：Ji——第i種氣體的擴(kuò)散流量；

ρ——密度；

x——采空區(qū)深度；

Dim——擴(kuò)散系數(shù)；

Di——?dú)怏wi的擴(kuò)散系數(shù)；

Xi——?dú)怏wi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

T——溫度。

在混合氣體中，隨著局部混合氣體的變化而導(dǎo)致Dim的變化，可計(jì)算為：

(3)

式中：Yi——摩爾分?jǐn)?shù)。

式(2)可用多組分的擴(kuò)散公式代替：

(4)

式中：Mi——?dú)怏w分子量；

Mmix——混合氣體的分子量；

Dij——?dú)怏wj中氣體組分i的多組分?jǐn)U散系數(shù)。

1.2 采空區(qū)孔隙率及滲透率

根據(jù)Darcy定律，多孔介質(zhì)的滲透率和氣體的流動(dòng)速率呈反比。在采空區(qū)遺落煤體作為多孔介質(zhì)的模擬中，對(duì)于采空區(qū)遺落煤體和破碎煤巖的滲透率k的研究起著至關(guān)重要的作用。采空區(qū)垮落帶的滲透率值根據(jù)Blake-Kozeny公式可以估算出：

(5)

式中：DP——平均粒子直徑，m；

ζ——空間所占的分?jǐn)?shù)，取0.1～0.25。

由“砌體梁”理論推導(dǎo)出的內(nèi)部巖層移動(dòng)方程為：

(6)

式中： (Wx)i——第i組結(jié)構(gòu)的移動(dòng)曲線；

RT——第i組堅(jiān)硬巖層抗拉強(qiáng)度；

hi——第i組堅(jiān)硬巖層厚度；

q——自重及其上軟巖層載荷；

(W0)i——上覆巖層最大下沉量。

根據(jù)空隙率公式：

式中：H空間——孔隙總高度；

H——自然狀態(tài)下的總高度；

Kp——自然碎脹系數(shù)；

V空間——孔隙體積；

V——自然狀態(tài)下的總體積；

ε——自然碎脹條件下的空隙率。

(6)、(7)、(8)聯(lián)合可得老頂破段后垮落帶空隙率ε隨采空區(qū)深度x的變化規(guī)律為：

(9)

將(9)代入(5)得出滲透率隨采空區(qū)深度變化公式：

(10)

2 采空區(qū)模型建立及邊界條件設(shè)置

401工作面位于天池煤礦四采區(qū)第一區(qū)段，工作面為傾向回采，工作面長(zhǎng)180 m(凈煤柱平距)，傾向回采長(zhǎng)度1435 m，工作面開采太原組15#煤層。401工作面采空區(qū)屬于高瓦斯煤層采空區(qū)，其漏風(fēng)流中不僅含有氧氣和氮?dú)?，還包含一定體積分?jǐn)?shù)的瓦斯。在含瓦斯漏風(fēng)流的條件下，采空區(qū)遺煤易發(fā)生低溫氧化而出現(xiàn)自燃，因此，研究含瓦斯風(fēng)流條件下煤自燃指標(biāo)氣體產(chǎn)生規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化選擇，以便對(duì)高瓦斯采空區(qū)中煤自燃進(jìn)行準(zhǔn)確的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，成為高瓦斯礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 模型建立

根據(jù)天池煤礦401工作面的幾何尺寸建立三維CFD模型，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立的模型如圖1所示。

2.2 邊界條件設(shè)置

將速度入口設(shè)置為進(jìn)風(fēng)巷道入口邊界，按照具體的模擬方案設(shè)定入口速度，用標(biāo)準(zhǔn)空氣作為入口氣體，將自由出流(Fluent軟件術(shù)語(yǔ))設(shè)置為回風(fēng)巷、瓦斯尾巷和高抽巷出口邊界，其風(fēng)量分配值分別為0.55、0.4、0.05(回風(fēng)、瓦斯尾巷和高抽巷占總回風(fēng)的比例)，將多孔介質(zhì)區(qū)域作為采空區(qū)邊界，用UDF(編程語(yǔ)言)編入采空區(qū)空隙率和滲透率。無(wú)滑移靜態(tài)壁面作為壁面邊界，壁面溫度與圍巖溫度相同,都為289 K。

根據(jù)天池401工作面的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，建立的物理模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 401工作面采空區(qū)三維模型

表1 401工作面物理模型參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 高抽負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出影響

選取0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四組高抽負(fù)壓分別進(jìn)行模擬，探究高抽負(fù)壓對(duì)瓦斯抽排的影響規(guī)律，模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同抽放負(fù)壓下瓦斯抽排效果

由表2可知，高抽巷的抽放混合流量隨著抽放負(fù)壓升高顯著增加，而回風(fēng)巷和瓦斯尾巷的混合流量均呈現(xiàn)少許下降的狀況，其中，當(dāng)抽采負(fù)壓由-1000 Pa升高到-2000 Pa時(shí)，高抽巷的混合流量增加了131%，而回風(fēng)巷混合流量下降了3.5%，瓦斯尾巷混合流量下降了1.4%。高抽巷瓦斯?jié)舛入S著抽放負(fù)壓升高而逐漸下降，瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛入S著抽放負(fù)壓升高有大幅度的降低，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛入S著抽放負(fù)壓升高下降不明顯，其中，當(dāng)負(fù)壓由-1000 Pa增加到-3000 Pa時(shí)，高抽巷瓦斯?jié)舛扔?7.2%下降到36.4%，下降幅度為22.9%；瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛扔?.8%下降到0.56%，下降幅度達(dá)到80%。

高抽巷瓦斯純量隨著抽放負(fù)壓升高呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，且增加了很多。抽采率也得到了很大地提升，當(dāng)抽放負(fù)壓由-1000 Pa增加到-3000 Pa時(shí)，抽采率由45%升高到了86%，抽采率雖然隨著高抽負(fù)壓的增大而明顯增加，但提升幅度卻越來(lái)越小，當(dāng)抽放負(fù)壓由-2000 Pa增加到-3000 Pa時(shí)，抽采率只提高了6.6%。

3.2 高抽負(fù)壓對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”影響

選擇0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四組高抽負(fù)壓分別進(jìn)行數(shù)值模擬，研究高抽負(fù)壓對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”的影響規(guī)律。不同高抽負(fù)壓對(duì)自燃帶的影響如圖2所示。

圖2 不同高抽負(fù)壓對(duì)自燃帶的影響

由圖2可知，從自燃帶的寬度來(lái)看，進(jìn)風(fēng)側(cè)的可能自燃帶寬度由負(fù)壓0 Pa增加到-3000 Pa時(shí)拉寬了13 m；中部拉寬了10 m，回風(fēng)側(cè)拉寬了22 m，401工作面的平均回采速度為2.5 m/d。由此可知，浮煤在升溫氧化帶內(nèi)停留的時(shí)間在進(jìn)風(fēng)側(cè)增加了5.2 d，采空區(qū)中部增加了4 d，回風(fēng)側(cè)增長(zhǎng)了8.8 d。

不同高抽負(fù)壓時(shí)自燃“三帶”范圍如圖3所示。由圖3可以看出，高抽負(fù)壓為0 Pa時(shí)，由于瓦斯尾巷的存在使得回風(fēng)側(cè)的“三帶”比進(jìn)風(fēng)側(cè)更加深入采空區(qū)，在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)有細(xì)長(zhǎng)的“兩道”可能自燃帶；高抽巷附近可能自燃帶在高抽負(fù)壓為-3000 Pa時(shí)，明顯向采空區(qū)深部推移，可能自燃帶邊界向采空區(qū)深入了7 m左右。

圖3 不同高抽負(fù)壓時(shí)自燃“三帶”范圍

4 結(jié)論

(1)由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隨著抽放負(fù)壓升高，高抽巷瓦斯?jié)舛认陆担咚钩榉偶兞吭黾?，抽采率隨著高抽負(fù)壓的增大而明顯增加，但隨著抽放負(fù)壓的增大，抽采率的提升幅度卻越來(lái)越小。

(2)由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)高抽負(fù)壓增加后，使得可能自燃“三帶”寬度整體上均有所拉寬，但總體來(lái)說(shuō)隨著高抽負(fù)壓的增大并沒(méi)有使得采空區(qū)的可能自燃帶與工作面的相對(duì)位置有明顯的變化。

[1] 鄧軍，徐精彩，阮國(guó)強(qiáng)等．國(guó)內(nèi)外煤炭自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)綜述[J]．西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(4)

[2] 李宗翔，王繼波等．曉南礦W2702面采空區(qū)自然發(fā)火安全控制與管理[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)， 2003(12)

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Numericalsimulationofinfluenceofnegativepressureathighpumpinglaneon"ThreeZone"ofgasemissionandspontaneouscombustioningob

Qu Yun1， Gao Jinbiao2， Zhao Pengxiang2， Gan Lujun1， Chang Qing1

(1. Shanxi Heshun Tianchi Engergy Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 032700, China; 2. School of Safety Science & Engineering, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

TD712.5 TD752.2

A

國(guó)家自然科學(xué)基金(51604219)，中國(guó)博士后科學(xué)與基金項(xiàng)目 (2016M602843)

屈昀，高錦彪，趙鵬翔等. 高抽巷負(fù)壓對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數(shù)值模擬[J].中國(guó)煤炭，2017,43(9)：98-101，143. Qu Yun, Gao Jinbiao, Zhao Pengxiang, et al. Numerical simulation of influence of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" of gas emission and spontaneous combustion in gob[J]. China Coal, 2017，43(9):98-101，143.

屈昀(1972-)，男，山東微山人，高級(jí)工程師，工程碩士，2013年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，現(xiàn)任山西和順天池能源有限責(zé)任公司總經(jīng)理，主要從事瓦斯災(zāi)害防治研究。