采空區(qū)煤自燃三帶數(shù)值模擬研究

楊國權(quán)

(陽泉煤業(yè)集團 五鑫煤業(yè)有限公司,山西 保德 036600)

采空區(qū)煤自燃三帶數(shù)值模擬研究

楊國權(quán)

(陽泉煤業(yè)集團 五鑫煤業(yè)有限公司,山西 保德 036600)

基于礦井綜放面采空區(qū)自燃“三帶”實測數(shù)據(jù), 利用FLUENT軟件對采空區(qū)流場的分布進行了數(shù)值模擬研究,得出:不同風量下工作面采空區(qū)漏風流場的形態(tài), 即不同供風條件下工作面采空區(qū)自燃“三帶”的區(qū)域分布;在氧氣濃度為7%～15%時,工作面的最大氧化帶寬度為28.00 m;綜放面的連續(xù)推進速度小于1.75 m/d(工作面月推進量小于52.5 m)時,工作面采空區(qū)將有發(fā)生自燃發(fā)火的危險。所得結(jié)果對預防采空區(qū)自燃,促進煤礦安全生產(chǎn)具有指導意義。

數(shù)值模擬;自燃“三帶”;流場分布;速度分布

礦井火災是煤礦的主要災害之一,大多發(fā)生在采空區(qū)附近[1]。因此,研究采空區(qū)自然發(fā)火的分布規(guī)律和自燃安全性,對提高煤炭自燃安全性,提高綜采工作面安全具有重要意義。

針對采空區(qū)煤自燃,有大量相關(guān)學者進行了研究。綜合來看,主要通過實測試驗以及數(shù)值模擬與實測相結(jié)合兩種方法來進行采空區(qū)煤自燃“三帶”的研究。孟憲銳等對鹿洼煤礦采空區(qū)煤自燃三帶分布規(guī)律進行了研究,得出煤自燃三帶分布范圍及防治煤自燃的最小推進速度[2];劉松等研究得出采空區(qū)自燃“三帶”會隨著工作面的推進不斷前移,而且自燃“三帶”的范圍也會有規(guī)律的循環(huán)的不斷變化[3],謝軍等利用氧氣濃度和浮煤厚度作為“三帶”劃分指標,對實際的采空區(qū)自燃三帶進行了劃分[4],

更多的還是采用數(shù)值模擬與實測相結(jié)合的方法研究采空區(qū)煤自燃“三帶”分布規(guī)律,有的學者利用FLUENT軟件模擬采煤工作面采空區(qū)的氧濃度場,通過雙指標法劃分采空區(qū)自燃“三帶”[5-6];有的學者在實測的基礎(chǔ)上運用數(shù)值模擬進行驗證,確定出采空區(qū)自燃氧化的“三帶”分布狀況[7-9]。

通常采用在井下埋管取樣測定的方法來確定采空區(qū)煤的自燃“三帶”劃分[10]。由于井下取樣點的位置和數(shù)量的限制,本文采用FLUENT數(shù)值模擬的方法,模擬結(jié)果的精度是由測量滲流場數(shù)據(jù)驗證,采空區(qū)自燃區(qū)的范圍由平面顯示技術(shù)手段給予進一步驗證了實際觀測結(jié)果的正確性。采用計算機模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法,分析了采空區(qū)內(nèi)流場的分布情況。利用風速指數(shù)和氧濃度分布范圍,得出綜放工作面采空區(qū)“三帶”范圍。

1 數(shù)值模擬基本參數(shù)及設(shè)置

根據(jù)從現(xiàn)場實測采集回來的數(shù)據(jù),建立三維采場物理模型見圖1,包括進風巷、工作面、采空區(qū)、回風巷。

1-a 采場物理模型(單位:m)

1-b 局部放大圖(單位:m)圖1 采場物理模型三維圖Fig.1 3D map of physical model of mining area

1) 進風巷寬4.7 m高3.5 m,回風巷寬4 m高3.5 m?；夭晒ぷ髅鎯A向長160 m,寬5 m,高3.5 m,傾角取6°。采空區(qū)走向長取200 m,豎直方向上,從底板向上分別是遺煤區(qū)、冒落帶其他部分和裂隙帶。遺煤區(qū)、冒落帶(包含遺煤區(qū))和裂隙帶分別取3 m、12 m、35 m。

2) 模型在設(shè)定重力加速度時考慮了采空區(qū)的傾角的影響,設(shè)定如下:

gx=0 m/s2;

gy=-9.81 m/s2sin6°=-1.025 4 m/s2;

gz=-9.756 26 m/s2.

3)采場模型采用submap方法進行網(wǎng)格劃分,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法,網(wǎng)格間距設(shè)為1.5 m,由于對采場的局部需要細化,使用y+自適應網(wǎng)格對局部進行細化,網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)約為50萬個。

4)考慮浮力的影響,利用Realizable型k-ε湍流模型計算工作面采空區(qū)地表流場。

5)考慮到整個組分的擴散效應,采用Species Model模型計算工作面采空區(qū)濃度場,將混合氣體設(shè)置為methane-air。

6)采空區(qū)遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶均設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)“O”形圈在采空區(qū)開采斷裂面的理論,孔隙中多孔介質(zhì)的孔隙度和滲透率是空間的函數(shù)。本文基于Visual Studio 2012環(huán)境,根據(jù)相關(guān)公式對Fluent進行了兩次開發(fā),并對遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶的孔隙度和滲透率不均勻分布的UDF函數(shù)進行了匯總。

7)考慮到遺煤區(qū)O2的衰減,CH4的涌出及CO、CO2的生成,根據(jù)模擬結(jié)果編寫了相對應的源項UDF函數(shù)。

進風巷進風口設(shè)定為速度入口(velocity-inlet),風速設(shè)為1 000 m3/min,即1 m/s,混合氣體的組分設(shè)為氧氣21%,其余為氮氣;根據(jù)現(xiàn)場的測定數(shù)據(jù),回風巷出風口設(shè)定為為壓力出口(pressure-outlet),相對壓力值設(shè)為-21 Pa;區(qū)域之間的交界面設(shè)為內(nèi)面界面(interior);壁面邊界設(shè)為無滑移靜態(tài)壁面(wall)。

模型解算初始化時,將遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶的瓦斯?jié)舛瘸踔翟O(shè)為100%;將工作面的氧氣濃度初值設(shè)為21%(質(zhì)量分數(shù)為23.23%),使用CFF(Custom Field Function)將工作面相對風壓初值設(shè)為p=-10.5-0.131 25x.

2 結(jié)論分析

2.1采空區(qū)漏風流場的分析與討論

采空區(qū)內(nèi)流場的分布是影響采空區(qū)的成分、濃度分布和“三帶”劃分的重要因素。氧氣供給和持續(xù)蓄熱是煤自燃的主要條件,風速的大小決定了煤的蓄熱程度。對采場漏風的研究中[11-12],人們普遍認為,風速在礦區(qū)之間[0.1 m/min～0.24 m/min],是煤發(fā)生自燃的危險區(qū)域。

通過計算機數(shù)值模擬繪制綜放面采空區(qū)風速分布的速度云圖、矢量圖及等值線圖,見圖2,圖3,圖4所示。

圖2 風速矢量圖Fig.2 Vector diagram of wind speed

圖3 采空區(qū)風速[0.1,0.24]云圖Fig.3 Cloud map of wind speed in goaf [0.1, 0.24]

圖4 風速[0.1,0.24]等值線圖Fig.4 Contour map of wind speed [0.1, 0.24]

由圖2-圖4可知,工作面空氣泄漏到采空區(qū)是客觀存在的,給工作面通風時,工作面端頭入風處將有部分風流漏向采空區(qū),有時采空區(qū)內(nèi)也存在其它一些漏風地點,漏風量的多少直接影響采空區(qū)風速流場分布,風速大小對遺煤的氧氣供給也有重要影響,因此,這些漏風往往是采空區(qū)自燃的隱患[13],采空區(qū)遺煤涌出的氣體和漏風風流混合,混合后的氣流從采空區(qū)的回風巷排出。根據(jù)對采空區(qū)漏風流場風速模擬,得出距回風巷0 m、40 m、80 m和120 m時氧化自燃的分布范圍,匯總?cè)绫?所示。

表1 氧化自燃的分布范圍Table 1 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.2采空區(qū)氧氣濃度分布的分析與討論

通常認為,氧氣濃度下限值為7%才能夠抑制煤自燃的發(fā)生[14]。為了顯示綜放面采空區(qū)氧化散熱帶,氧化自燃帶,缺氧窒息帶三帶的氧氣濃度分布,繪制圖5、圖6、圖7來分別顯示采空區(qū)不同氧氣濃度分布范圍。

圖5 采空區(qū)氧氣濃度[0,7%]云圖Fig.5 Cloud map of oxygen concentration in goaf [0, 7%]

圖6 采空區(qū)氧氣濃度[7%,15%]云圖Fig.6 Cloud map of oxygen concentration in goaf [7%, 15%]

圖7 采空區(qū)氧氣濃度[15%,21%]云圖Fig.7 Cloud map of oxygen concentration in goaf [15%, 21%]

根據(jù)采空區(qū)氧氣濃度模擬結(jié)果,得出距回風巷0 m、40 m、80 m和120 m時氧化自燃的分布范圍,匯總見表2。

表2 氧化自燃的分布范圍Table 2 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.3基于“三帶”的工作面最小推進速度

采用了計算機數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測采集數(shù)據(jù)方法,通過對漏風風速和氧氣濃度變化進行數(shù)值模擬、對氧氣濃度變化實測三種手段,計算并且預算工作面 “兩道一線”自燃“三帶”的分布規(guī)律。 三種方法的計算和預測結(jié)果總結(jié)在表3中。

表3 自燃三帶分布結(jié)果匯總表Table 3 Distribution of Three-zone of spontaneous combustion

根據(jù)表3所得結(jié)果,工作面采空區(qū)氧化自燃帶寬度通過優(yōu)化并最終確定為28.00 m,氧化自燃帶寬度的確定以便于能夠有效及時地識別采空區(qū)自燃氧化狀態(tài),對可能出現(xiàn)的自燃危險及時采取有效的防范措施,預防煤自燃的發(fā)生。

綜采放頂煤工作面13號煤,煤的自燃傾向性為容易自燃,自燃發(fā)火期為3～6個月,根據(jù)現(xiàn)場情況確定最短發(fā)火期為20 d。由此可以看出,降低自燃的工作面的最低推進率下式計算為[15]:

式中:Vmin為降低自燃的工作面的最低推進率,m/d;Lmax為氧化自燃帶最大寬度,m;k為備用富余系數(shù),取1.25;Tmin為最短發(fā)火期,d。

通過上述分析與計算可以得出:綜采工作面的推進速度是影響煤自燃的重要因素,當綜采工作面的連續(xù)推進速度超過1.75 m/d(工作面月推進量大于52.5 m)時,達不到自燃發(fā)火的條件,故工作面采空區(qū)沒有自燃發(fā)火危險。當綜放面的連續(xù)推進速度小于1.75 m/d(工作面月推進量小于52.5 m)時,自燃發(fā)火的條件就容易達到,工作面采空區(qū)將有發(fā)生自燃發(fā)火的危險,綜采工作面的推進速度確定對煤自燃防范有重要意義。

3 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場實際測得的數(shù)據(jù),利用FLUENT軟件模擬了漏風量變化、漏風速率變化和氧濃度變化的自燃“三帶”分布。在氧氣濃度為7%～15%時,得到工作面最大的氧化帶寬度為28.00 m,得出了綜放面的最低推進速度,當綜采工作面連續(xù)推進速度不超1.75 m/d(工作面月推進量小于52.5 m)時,工作面采空區(qū)將有自燃發(fā)火的危險。研究結(jié)果對防止采空區(qū)自燃,促進煤礦安全生產(chǎn)具有指導意義。

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NumericalSimulationonThree-zoneofSpontaneousCombustioninGoaf

YANGGuoquan

(WuxinCoalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,Baode036600,China)

Based on the field data of spontaneous combustion three-zone in goaf in fully-mechanized working face,FLUENT was used to simulate flow field distribution.The form of air leakage flow field was obtained under different wind volume,that is the regional distribution of the spontaneous combustion three-zone in different air supply conditions.When the oxygen concentration ranges from 7% to 15%,the maximum width of the oxidizing zone is 28.00 meters.When continuous advancing speed of the working face is less than 1.75 m/d (advancing distance per month is less than 52.5 meters),there will be fire risk in the goaf. The research results are useful for the control and prevention of the spontaneous combustion in the goaf and safe production in the mines.

numerical simulation;three-zoneof spontaneous combustion; flow field distribution; velocity distribution

1672-5050(2017)04-0061-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.018

2017-06-23

楊國權(quán)(1972-)，男，山西盂縣人，大學本科，助理工程師，從事通風與安全工作。

TD752

A

(編輯:樊 敏)