采空區(qū)瓦斯抽采量對(duì)自燃氧化帶影響的模擬分析

李瑞森

(陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

·試驗(yàn)研究·

采空區(qū)瓦斯抽采量對(duì)自燃氧化帶影響的模擬分析

李瑞森

(陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

為研究5212綜放工作面采空區(qū)瓦斯抽采量對(duì)遺煤自燃的影響，基于計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)理論，建立采空區(qū)二維數(shù)值模擬模型，采用COMSOL Multiphysics 5.0仿真軟件，對(duì)不同瓦斯抽采量下的采空區(qū)氧化帶寬度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明：氧化帶寬度與瓦斯抽采量成線性關(guān)系，現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝參數(shù)易誘發(fā)采空區(qū)遺煤自燃，可通過適當(dāng)加快回采速度和增加瓦斯抽采量來實(shí)現(xiàn)工作面的安全生產(chǎn)。

綜放采空區(qū)；瓦斯抽采量；氧化帶；數(shù)值模擬；回采速度

綜放工作面回采速度快，支撐壓力大，采空區(qū)遺留碎煤較多，工作面推進(jìn)后，碎煤解析釋放出大量的游離態(tài)瓦斯；且放頂煤冒落空間大，采空區(qū)裂隙發(fā)育，漏風(fēng)通道發(fā)達(dá)，在工作面通風(fēng)壓力差的影響下，采空區(qū)內(nèi)大量的游離態(tài)瓦斯經(jīng)漏風(fēng)通道逸散至工作面，造成上隅角瓦斯超限，嚴(yán)重威脅著工作面的安全生產(chǎn)[1-3]. 采空區(qū)瓦斯抽采是治理回采工作面瓦斯超限的有效技術(shù)，但抽采量過大，采空區(qū)漏風(fēng)量也大，易誘導(dǎo)采空區(qū)自然發(fā)火；抽采量過小，又不能滿足瓦斯排放要求。

因此，本文以某礦5212綜放工作面為工程背景，開展采空區(qū)瓦斯抽采量對(duì)自燃氧化帶寬度影響的研究，優(yōu)化抽采工藝，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

該礦核定年生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a，可采煤層共5層，分別為3#、5#、6#、9#、13#煤層，現(xiàn)主要開采5#煤層，煤種以褐煤為主，具有Ⅱ級(jí)自燃傾向性，根據(jù)取樣進(jìn)行理化分析，自然發(fā)火期20 d左右；煤層傾角平均19°，由南向北逐漸變薄，最大厚度11.35 m,最小厚度4.86 m，平均8.11 m. 煤層硬度f=2～3. 該礦5212工作面位于5#煤層的南翼，走向、傾斜長度分別為800 m、160 m，選用走向長壁后退式綜放技術(shù)進(jìn)行采煤，設(shè)計(jì)最大推進(jìn)速度為3 m/d，頂板穩(wěn)定性較好，采用全部垮落法進(jìn)行處理；工作面通風(fēng)方式設(shè)計(jì)為常規(guī)的U形通風(fēng)，風(fēng)量為820 m3/min；煤層瓦斯壓力為0.28 MPa，滲透系數(shù)λ=0.085 02 m2/(MPa2·d)，透氣性較差，瓦斯抽采難度較大，自工作面開切眼貫通以來，多次出現(xiàn)上隅角瓦斯超限問題，該礦組織技術(shù)人員進(jìn)行多次論證，采用采空區(qū)埋管抽采的方式來降低工作面瓦斯?jié)舛龋椴闪窟x擇為75 m3/min.

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

采空區(qū)松散煤巖塊體之間的空隙多呈現(xiàn)不規(guī)則分布，氣體在空隙通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)也比較復(fù)雜，為了研究問題的方便，參考文獻(xiàn)[4,5]，假設(shè)采空區(qū)內(nèi)滲透率變化與時(shí)間無關(guān)，氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視為不可壓縮的二維層流運(yùn)動(dòng)，運(yùn)移過程滿足Darcy定律，風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型主要控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(4)

(5)

組分傳輸方程：

(6)

其中，

(7)

式中：

u、v—速度矢量在x、y方向上的分量，m/s；

ρ—采空區(qū)氣流密度，kg/m3；

μeff—?dú)怏w有效黏性系數(shù)，μeff=μ+μt，Pa·s；

μ—?jiǎng)恿︷ば韵禂?shù)，Pa·s；

μt—湍流黏性系數(shù)，μt=ρCμk2/ε，Pa·s；

n—采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率；

e—采空區(qū)滲透率；

p—流體微源上的有效壓力，Pa；

k—湍流動(dòng)能，m2/s2；

ε—湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；

σk、σε—k-ε方程中的Prandtl數(shù)，分別取1.0、1.3；

Cε1、Cε2、Cμ—模型中的常系數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09；

Gk—層流剪切力變化產(chǎn)生的湍動(dòng)能，m2/s2；

r—單位體積浮煤耗氧速率，mol/(m3·s)；

r0—煤耗氧速率待定系數(shù)，mol/(m3·h)，取0.037；

D—采空區(qū)氧氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

c—采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，mol/m3；

c0—新鮮風(fēng)流氧濃度，mol/m3，取9.375；

b0—實(shí)驗(yàn)常數(shù)，℃-1，取0.023 5；

T—松散煤體的實(shí)際溫度，℃.

采空區(qū)滲透率受介質(zhì)空隙及分布情況的影響，在本文中采用Blake-Kozeny經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]：

(8)

式中：

Dp—多孔介質(zhì)粒子直徑，m；

n—孔隙率。

采空區(qū)孔隙率變化與頂板冒落的碎脹特征有關(guān)，也受礦壓變化的影響，在此依據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式對(duì)采空區(qū)孔隙率進(jìn)行設(shè)定[7]：

(9)

2.2 物理模型

結(jié)合5212綜放工作面開采設(shè)計(jì)尺寸，利用COMSOL Multiphysics 5.0模擬仿真軟件建立一個(gè)二維采空區(qū)幾何模型，主要由運(yùn)輸順槽(進(jìn)風(fēng)巷)、回風(fēng)順槽(回風(fēng)巷)、工作面和采空區(qū)4部分構(gòu)成，整個(gè)計(jì)算區(qū)間工作面寬7.5 m，進(jìn)風(fēng)巷長10 m、寬4.7 m，回風(fēng)巷長10 m、寬3.8 m，瓦斯抽采口設(shè)置在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)150 m處。

2.3 參數(shù)設(shè)置

進(jìn)風(fēng)巷邊界條件設(shè)置為速度入口，根據(jù)工作面實(shí)際風(fēng)量820 m3/min，實(shí)測(cè)進(jìn)風(fēng)巷斷面積為12.2 m2，工作面風(fēng)速取1.12 m/s，入口風(fēng)流溫度22.6 ℃，空氣密度1.19 kg/m3，氧氣、氮?dú)夂屯咚?種氣體所占的體積分?jǐn)?shù)分別為20.15%、79%、0；氣體黏性系數(shù)取1.79×10-5kg/ms，擴(kuò)散系數(shù)取2.91×10-5m3/s，湍流強(qiáng)度為2.8%，水力半徑為4.43 m；回風(fēng)巷出口設(shè)置為自由出口。工作面和采空區(qū)的邊界設(shè)置為內(nèi)部邊界，網(wǎng)格劃分設(shè)置為非均勻三角形，選用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程組進(jìn)行離散化，氣體速度與壓力之間的耦合選用SIMPLE算法，利用UDF自定義函數(shù)編寫采空區(qū)滲透率及耗氧速率函數(shù)[8].

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在上述數(shù)值模擬模型建立的基礎(chǔ)上，分別對(duì)不同瓦斯抽采量下的采空區(qū)氧濃度分布和“三帶”分布范圍進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。其中，采空區(qū)氧化帶范圍的劃分借鑒文獻(xiàn)[9]中將氧濃度和風(fēng)速相結(jié)合的方法：以漏風(fēng)風(fēng)速0.004 m/s為前氧化帶邊界，以8%的氧濃度為后邊界。未進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)的模擬結(jié)果見圖1.

圖1 采空區(qū)未抽采瓦斯時(shí)的氧濃度及“三帶”分布圖

由圖1a)可看出，在正常通風(fēng)條件下，采空區(qū)整體氧濃度隨距工作面距離的增大而逐漸變??；采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)由于漏風(fēng)通道多，漏風(fēng)強(qiáng)度大，氧氣濃度較高；在工作面進(jìn)回風(fēng)壓差作用下，自采空區(qū)中部至回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度分布范圍逐漸減小。從圖1b)可知，未抽采瓦斯時(shí)，采空區(qū)氧化帶最大寬度處的前后邊界分別距離切頂線30 m、88.5 m，氧化帶的最大寬度為58.5 m.

采空區(qū)不同瓦斯抽采量下的“三帶”分布規(guī)律見圖2.從圖2可以看出，隨著采空區(qū)瓦斯抽采量的不斷增加，采空區(qū)氧化帶的前邊界和后邊界均向采空區(qū)深部推進(jìn)，且后邊界移動(dòng)的速度要快于前邊界，導(dǎo)致氧化帶范圍呈現(xiàn)“拉伸擴(kuò)大”狀態(tài)。

不同瓦斯抽采量下的氧化帶范圍具體數(shù)據(jù)見表1. 由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)通風(fēng)量一定，采空區(qū)瓦斯抽采量為60 m3/min時(shí)，較與不抽采瓦斯時(shí)，氧化帶寬度明顯增加。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到采空區(qū)氧化帶寬度隨瓦斯抽采量變化的趨勢(shì)見圖3，當(dāng)瓦斯抽采量在70～150 m3/min時(shí)，隨著瓦斯抽采量的增加，采空區(qū)氧化帶的寬度近乎呈正比例線性增加，采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性也相應(yīng)增加。因此，從預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃的角度出發(fā)，在滿足工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯不超限的前提下，應(yīng)盡可能降低采空區(qū)瓦斯抽采量。

工作面采空區(qū)不發(fā)生自然發(fā)火的必要安全條件為：

(10)

式中：

L—自燃氧化帶寬度，m；

V—工作面推進(jìn)速度，m/d；

t—采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間，d；

t*—煤的最短發(fā)火期，d.

5212工作面煤層最短自然發(fā)火周期為20 d，設(shè)計(jì)最大推進(jìn)速度為3 m/d，工作面月推進(jìn)長度最大為60 m，根據(jù)圖3中的擬合公式，當(dāng)瓦斯抽放量Q<31.3 m3/min時(shí)，采空區(qū)自燃氧化帶寬度L<60 m，此時(shí)才不易發(fā)生遺煤自燃。而5212工作面采空區(qū)實(shí)際抽采量75 m3/min，遠(yuǎn)大于31.3 m3/min，超出了合理的瓦斯抽采量，在當(dāng)前的回采進(jìn)度下易誘發(fā)火災(zāi)；同時(shí)，考慮到5#、6#煤層間的距離較近，若降低5212工作面采空區(qū)瓦斯抽采量，會(huì)使后期6#煤層回采因臨近層采空區(qū)瓦斯擴(kuò)散而造成瓦斯超限。

工作面推進(jìn)速度越慢，采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性越大，由公式(10)可得，當(dāng)工作面推進(jìn)速度V>L/t*時(shí)，可降低采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃的概率。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)和公式(10)，可得到工作面不同推進(jìn)速度下的采空區(qū)極限瓦斯抽采濃度，見圖4. 從圖4可以看出，采空區(qū)瓦斯抽采量與工作面推進(jìn)速度呈線性關(guān)系，工作面的推進(jìn)速度越快，采空區(qū)極限瓦斯抽采量越大。

圖2 不同瓦斯抽采量下的采空區(qū)“三帶”分布圖

圖3 采空區(qū)氧化帶寬度與瓦斯抽采量之間的擬合關(guān)系圖

圖4 工作面推進(jìn)速度和瓦斯極限抽放量關(guān)系圖

因此，可以通過優(yōu)化采煤工藝、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)管理等手段，加快工作面回采速度，進(jìn)而在不引起采空區(qū)自燃的前提下，提高瓦斯抽采量，從而達(dá)到了預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃和瓦斯抽采治理的雙重目標(biāo)。

4 結(jié) 語

1) 由于采空區(qū)環(huán)境的特殊性，無法實(shí)地考察不同瓦斯抽采量下的自然發(fā)火情況，而CFD數(shù)值模擬仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用，有效解決了該問題，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，耗時(shí)少，過程可重復(fù)。

2) 當(dāng)5212工作面風(fēng)量一定時(shí)，采空區(qū)自燃氧化帶寬度隨著瓦斯抽采量的增加而快速增加，且在現(xiàn)有的75 m3/min抽采量作用下，采空區(qū)漏風(fēng)速度會(huì)加快，易誘發(fā)采空區(qū)遺煤自燃，埋下安全隱患。

3) 5212工作面采空區(qū)極限瓦斯抽采量與推進(jìn)速度呈正相關(guān)，可通過加快推進(jìn)速度和增加抽放采量等措施來保證工作面的安全性。

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SimulationAnalysisforInfluenceofGasExtractiononSpontaneousCombustionOxidationZoneinGoaf

LIRuisen

In order to study the influence of gas extraction on residual coal spontaneous combustion in the goaf of 5212 fully mechanized top coal caving face. The two dimensional numerical simulation model for goaf was established on the basis of the correlation principle of computational fluid dynamics with the use of COMSOL Multiphysics 5 simulation software, the width of oxidation zone in goaf under different gas extraction was simulated. The results show that the width of oxidation zone is linearly related to gas extraction, and the existing production under the current parameters can induce spontaneous combustion of residual coal in goaf. The safe production of the working face can be achieved by appropriately increasing the speed of extraction and increasing the amount of gas extraction.

Goaf in fully mechanized caving face; Gas extraction volume; Oxidized zone; Numerical simulation; Mining speed

2017-08-11

李瑞森(1991—)，男，山西陽泉人，2013年畢業(yè)于陽泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦一通三防技術(shù)管理工作

(E-mail)2144211469@qq.com

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B

1672-0652(2017)11-0052-05