特厚煤層自燃關(guān)鍵參數(shù)現(xiàn)場觀測及動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究

邢 震

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

采空區(qū)自然發(fā)火是煤礦的常見災(zāi)害，由于其致災(zāi)范圍廣、災(zāi)害后果嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間長、施救成本高、難以處理等特點(diǎn)長期困擾著煤礦技術(shù)人員，特別是特厚煤層放頂煤開采更是容易發(fā)生自然發(fā)火災(zāi)害，因此有必要深入研究其規(guī)律，為防滅火做出理論依據(jù)。礦井生產(chǎn)過程中，采空區(qū)內(nèi)部無法采取有效的監(jiān)測手段，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法又會(huì)受限于試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備，難以進(jìn)行有效的試驗(yàn)，而計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬由于具有低成本、高效率、可模擬任何工況的優(yōu)點(diǎn)，可有效的應(yīng)用于煤礦防滅火研究領(lǐng)域，協(xié)助研究人員充分的掌握煤自然發(fā)火規(guī)律，研究自燃關(guān)鍵參數(shù)變化情況，為自然發(fā)火預(yù)測及防治提供重要保障[1-3]。

1 現(xiàn)場概況

試驗(yàn)工作面沿走向長度約為1850m，沿傾向長度約為210m，煤層最大厚度達(dá)23m，平均厚度為19.2m，近水平分布，自然發(fā)火期約27d，極易自然發(fā)火，采用綜采放頂煤開采方式，全部垮落法管理頂板，采用“U”型通風(fēng)方式，配風(fēng)量1280m3/min。試驗(yàn)工作面煤層屬于特厚煤層分層開采，自然發(fā)火期較短，反復(fù)揭煤的待采區(qū)域的遺煤頻繁接觸O2，熱量容易積聚，成為煤自煤的危險(xiǎn)區(qū)域。自煤礦開始投產(chǎn)起，反復(fù)出現(xiàn)自然發(fā)火及征兆，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)，影響礦井開采進(jìn)度。據(jù)礦方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采空區(qū)自然發(fā)火是導(dǎo)致礦井停產(chǎn)的主要事故，約占90%。采空區(qū)煤自燃的監(jiān)測及治理成為該礦以及大部分自然發(fā)火礦井的重點(diǎn)工作。

2 綜放采空區(qū)現(xiàn)場觀測及分析

2.1 測點(diǎn)布置

通過在采空區(qū)內(nèi)布置束管監(jiān)測測點(diǎn)的方法研究采空區(qū)內(nèi)氣體分布規(guī)律，工作面掘進(jìn)至約1000m的位置沿工作面方向在后中部槽后方布置束管氣體監(jiān)測測點(diǎn)，兩列束管測點(diǎn)相距約60m，沿工作面方向的每列氣體監(jiān)測區(qū)域中相鄰兩傳感器的間隔為30m。埋設(shè)的束管需要用鋼管防護(hù)。氣體監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖1所示，從1#到8#束管每兩個(gè)點(diǎn)之間的距離大約是30m。其中分布在上隅角為7#點(diǎn)，1#以及9#這兩個(gè)點(diǎn)的進(jìn)氣端點(diǎn)相同。為防止采空區(qū)內(nèi)粉塵堵塞束管導(dǎo)致無法正常抽氣從而影響監(jiān)測結(jié)果，設(shè)計(jì)了束管測點(diǎn)布置專用的支架，將測點(diǎn)高度沿底板抬高至1.15～1.35m左右，1#、9#和10#這三點(diǎn)的束管進(jìn)氣口與底板之間不應(yīng)小于1.35m。

圖1 氣體監(jiān)測測點(diǎn)布置圖

2.2 采空區(qū)氣體濃度分布規(guī)律

現(xiàn)場累計(jì)觀測時(shí)間為2個(gè)月，觀測過程中，氣體束管測點(diǎn)保持不動(dòng)，而工作面的推進(jìn)速度遠(yuǎn)大于最小推進(jìn)速度，因此可以該觀測過程可以視為同時(shí)刻不同位置的氣體濃度分布情況。通過Sufer繪圖工具反映出采空區(qū)O2濃度分布等值線如圖2所示。

圖2 O2濃度分布規(guī)律

由圖2可以看出隨著測點(diǎn)與工作面距離加大，采空區(qū)內(nèi)O2濃度不斷變小。由于進(jìn)風(fēng)巷道頂板未垮落，形成了工作面漏風(fēng)通道，整個(gè)觀測過程中進(jìn)風(fēng)隅角一側(cè)的O2濃度未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

3 計(jì)算模型及邊界條件

采空區(qū)內(nèi)松散煤體整體自下而上承現(xiàn)空隙密度由大而小的趨勢，但同一水平面分布卻不規(guī)律，并且內(nèi)部漏風(fēng)通道非常復(fù)雜，礦井漏風(fēng)的源與匯不容易確定，所以，只分析漏風(fēng)強(qiáng)度的平均值，也就是通過單位面積松散煤體的漏風(fēng)量。通常情況下風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)部的密度假定保持固定值，在常溫常壓狀態(tài)下松散煤體對(duì)空氣的吸附狀態(tài)達(dá)到平衡，因此有：

松散煤體的空隙通道非常不規(guī)律，氣體在其中的流動(dòng)狀態(tài)異常復(fù)雜。蔣曙光分析了采空區(qū)冒落帶煤巖碎脹系數(shù)并分析了內(nèi)部氣體運(yùn)移規(guī)律，理論計(jì)算了不同區(qū)域的氣體流動(dòng)狀態(tài)。冒落帶內(nèi)松散煤體上部受壓較小，經(jīng)過計(jì)算內(nèi)部氣體承紊流狀態(tài)分布；松散煤體底部由于受上部煤體壓實(shí)，經(jīng)過計(jì)算內(nèi)部氣體承層流狀態(tài)分布；而居于壓實(shí)層與無壓層之間的中間層，內(nèi)部氣體承過渡流與紊流狀態(tài)分布。雖然在采空區(qū)松散煤體不同位置氣體的滲流狀態(tài)不同，但是由于其速率降低很快，其氣體的滲流狀態(tài)依然以層流狀態(tài)為主。其運(yùn)量方程服從Darcy定律，用下式表示：

由式(1)、式(2)得：

松散煤體內(nèi)氣體運(yùn)移過程要考慮擴(kuò)散滲流傳質(zhì)。由于滲流通常在空隙大的情況下發(fā)生，而此時(shí)速度不大，一般處于層流狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)理論，多孔介質(zhì)內(nèi)氣體的質(zhì)量平衡方程表示為：

上述式中，D表示為O2在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，D=2.88×10-5m2/s；V(T)表示煤體的耗氧速率，其中可以通過實(shí)驗(yàn)測得煤樣在空氣中的耗氧速率，表示為：

根據(jù)綜放面實(shí)際情況，工作面兩個(gè)巷道兩側(cè)各10m范圍內(nèi)存在較嚴(yán)重的漏風(fēng)，有煤層自燃危險(xiǎn)。煤層頂板以上16m以內(nèi)仍然存在裂隙，可以認(rèn)為是滲流區(qū)域。

根據(jù)礦井實(shí)測參數(shù)情況，數(shù)值模擬時(shí)通過Gambit建立幾何模型，設(shè)置風(fēng)流溫度為26℃，巷道圍巖溫度設(shè)置為27℃，進(jìn)風(fēng)巷道口設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，回風(fēng)巷道口設(shè)置為自由出流(outflow)，其他邊界設(shè)置為壁面(wall)，計(jì)算區(qū)域如圖3所示。數(shù)值模擬可以通過任意設(shè)置不同工況交叉試驗(yàn)，成本最低，且只要邊界條件設(shè)置得當(dāng)，模擬結(jié)果可趨近于現(xiàn)場情況。網(wǎng)絡(luò)劃分直接影響計(jì)算結(jié)果，如何合理、高效的劃分網(wǎng)格并進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證，是數(shù)值模擬成功的關(guān)鍵一步。采用Cooper網(wǎng)格化算法來自動(dòng)生成非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，由于計(jì)算區(qū)域大，如果都采用精細(xì)劃分，則計(jì)算時(shí)間顯然過長，因此對(duì)需要精細(xì)計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，在工作面區(qū)域網(wǎng)格步長設(shè)置為0.2m，而對(duì)其他區(qū)域網(wǎng)格步長設(shè)置為1m[6-8]。

圖3 計(jì)算區(qū)域

將上述設(shè)置好邊界條件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入至FLUENT模擬器進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置求解參數(shù)及模型，計(jì)算過程從進(jìn)風(fēng)側(cè)開始，迭代誤差與次數(shù)的關(guān)系如圖4所示，由圖4可以得到迭代約40次之后，計(jì)算所得的速度和O2濃度殘差均小于10-4，在以后的迭代過程中，殘差基本趨于穩(wěn)定，在可接受范圍內(nèi)，后續(xù)計(jì)算結(jié)果可信[9-11]。

圖4 迭代過程的殘差變化

根據(jù)測算得知工作面的上端和下端之間的壓差是21Pa，正式開采時(shí)工作面每分鐘所需要的空氣的流通量是615m3，采空區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的O2濃能夠通過在其內(nèi)部配置束管檢測點(diǎn)來獲得。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將上面的數(shù)值模型結(jié)果離散處理，定解的過程可用差分方法。工作面不斷推動(dòng)的過程可利用坐標(biāo)軸移動(dòng)法，坐標(biāo)軸移動(dòng)與工作面移動(dòng)的速度應(yīng)該相匹配。進(jìn)行模擬時(shí)設(shè)定的初始溫度為27℃，隨著工作面的移動(dòng)迭代40次時(shí)溫度呈現(xiàn)出收斂狀態(tài)[12，13]。

4.1 采空區(qū)O2濃度場及滲流場模擬結(jié)果

經(jīng)過模擬和計(jì)算后，得到濃度場和滲流場的結(jié)果如圖5所示。

圖5 距離煤層底板0.4m高處O2濃度

由圖5能夠得出，與進(jìn)風(fēng)側(cè)比，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的O2濃度呈現(xiàn)下降的趨勢。可以看出在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面的區(qū)域O2濃度接近20%，隨著與工作面距離的增大，也就是隨著深入采空區(qū)內(nèi)部的距離變大，O2濃度逐漸變小，并且O2濃度遞減幅度逐漸減緩，其中距離工作面115m的位置O2濃度達(dá)到4%，處于窒息帶范圍，而同樣在回風(fēng)側(cè)，O2濃度同樣展現(xiàn)出類似規(guī)律，也就是隨著距離工作面的距離的增大，O2濃度處于遞減的趨勢，與進(jìn)風(fēng)側(cè)所不同的是，回風(fēng)側(cè)O2濃度遞減幅度相對(duì)較大且均勻。采空區(qū)兩道的漏風(fēng)程度相對(duì)高，中部的漏風(fēng)程度低一些。與工作面相距25m的地方，兩道處的滲流的速度值為0.0024m/s；與工作面相距36m的地方滲流的速度值為0.0023m/s。

4.2 采空區(qū)溫度場發(fā)展規(guī)律

采空區(qū)溫度場數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，由圖6可以看出工作面推進(jìn)過程中采空區(qū)內(nèi)溫度變化規(guī)律。當(dāng)工作面的推進(jìn)速度不是特別快時(shí)，高溫火源點(diǎn)首先出現(xiàn)在采空區(qū)的進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域，但是整體來講回風(fēng)側(cè)溫度要高于進(jìn)風(fēng)側(cè)的溫度。不同回采速度下最高溫變化情況如圖7所示，當(dāng)回采速度為每天0.5m時(shí)約30d后，或當(dāng)回采速度為每天2m時(shí)約3個(gè)月后，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高溫點(diǎn)約180℃，可以判斷為明顯的自然發(fā)火現(xiàn)象；回采速度為每天3m時(shí)，100d后采空區(qū)溫度升高到約80℃并維持穩(wěn)定，回采速度小于每天3m時(shí)，高溫點(diǎn)朝工作面方向移動(dòng)，并且溫度有升高的趨勢。因此為避免采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高溫點(diǎn)發(fā)生自然發(fā)火災(zāi)害，務(wù)必保證回采速度要高于每天3m。該數(shù)值模擬的結(jié)果與多年現(xiàn)場觀測的結(jié)果是一致的[14，15]。

圖6 采空區(qū)溫度場數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 不同回采速度下最高溫變化情況

5 結(jié) 語

通過現(xiàn)場觀測分析了試驗(yàn)工作面采空區(qū)內(nèi)O2濃度分布規(guī)律，根據(jù)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)找出在各種采情況下，隨著時(shí)間的推進(jìn)采空區(qū)的氣體濃度分布規(guī)律、溫度分布規(guī)律以及速度分布規(guī)律，以及工作面的回采速度必須大于每天3m才能保障工作面不會(huì)發(fā)生煤層的自燃現(xiàn)象。綜上所述，采用動(dòng)態(tài)數(shù)值模型的方法對(duì)于研究特厚煤層采空區(qū)的自燃規(guī)律效果顯著。