采空區(qū)注N₂后采空區(qū)物理場(chǎng)變化數(shù)值模擬

摘要：為了研究注氮對(duì)采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，以某礦122106工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，分析注氮后采空區(qū)的物理場(chǎng)變化情況，結(jié)果表明：采空區(qū)注氮后，對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)影響較大，對(duì)采空區(qū)壓力場(chǎng)影響較小。注氮12min至30min內(nèi)，采空區(qū)降溫范圍和降氧惰化范圍沿工作面方向分別從25m和20m擴(kuò)展至整個(gè)工作面方向和70m，沿采空區(qū)方向分別從10m和30m擴(kuò)展至35m和40m。注氮防滅火技術(shù)是一種安全、高效的降溫降氧的防滅火技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：注N2;數(shù)值模擬;煤自燃

一直以來，礦井煤自燃事故頻發(fā)，給礦井帶來重大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失甚至血的教訓(xùn)。隨著煤炭行業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)的重視，各種煤礦防滅火技術(shù)、裝備、工藝、材料在全國(guó)各礦井廣泛應(yīng)用，其中，注氮防滅火技術(shù)是最早實(shí)踐、應(yīng)用最廣泛的一種防滅火技術(shù)之一。氮?dú)饩哂胁蝗肌⒉恢?、防爆、不分層等特性，是一種簡(jiǎn)單、安全、可靠、高效的防火措施。

為了優(yōu)化注氮防滅火工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，金永飛[1]利用Fluent軟件研究不同注氮參數(shù)對(duì)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域變化的影響，從而確定最合理的注氮參數(shù);文虎[2]為降低采空區(qū)氧濃度，達(dá)到防控采空區(qū)煤自燃的目的，采用多點(diǎn)間歇式注氮，保證工作面的安全回采;陳曉坤[3]運(yùn)用Fluent軟件研究了不同注氮量、注氮深度、注氮高度對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)的影響。

本文借助Fluent軟件，對(duì)注氮后采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)變化進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，考察注氮對(duì)采空區(qū)物理場(chǎng)的影響。

一、工作面概況

某礦122106工作面為走向長(zhǎng)度5910米，傾斜寬度350米，平均煤厚11m，可采走向長(zhǎng)度5910米，傾斜350m，平均采高7米，可采儲(chǔ)量為1750.57萬噸，服務(wù)年限17.9個(gè)月。122106工作面采用四巷式布置方式，分別包括內(nèi)回風(fēng)順槽、外回風(fēng)順槽、輔運(yùn)順槽、膠運(yùn)順槽。工作面風(fēng)量3000m3/min。122106工作面開采的2-2煤層為容易自燃煤層，最短自燃發(fā)火期為35天。

二、模型建立

遺留有大量遺煤的采空區(qū)是一個(gè)多組分組成的流體體系，該流場(chǎng)主要包括能量守恒方程、連續(xù)性方程、組分輸運(yùn)方程和動(dòng)量守恒方程等四個(gè)控制方程[1]。在數(shù)值模擬計(jì)算之前，需要確定研究對(duì)象的幾何模型、邊界條件、關(guān)鍵參數(shù)等[2]。

1.幾何模型

采空區(qū)為350m寬×300m深，在該區(qū)域煤壁10m內(nèi)浮煤的厚度7.14m，其余為1.82m。發(fā)生滲流的破裂帶位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口兩側(cè)煤壁之間、煤層底板上方15m以內(nèi)。由于滲流從整個(gè)工作面流向采空區(qū)，可以考慮工作面和上下巷40m深度，其中工作面尺寸為5m寬×3.2m高，兩條巷道尺寸為5.5m寬×4.3m高。工作面風(fēng)量為設(shè)計(jì)配風(fēng)量，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度20.98%，由風(fēng)量和巷道面積計(jì)算出進(jìn)風(fēng)速度為2.11m/s。在進(jìn)風(fēng)隅角處注N2，管路為4寸管，流量1200m3/h，出口壓力為0.6MPa，溫度20℃。除開進(jìn)風(fēng)巷，計(jì)算區(qū)域均是壁面，=0。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行三維幾何模型建立前，先要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即：對(duì)于漏風(fēng)滲透區(qū)域，工作面和垂直工作面網(wǎng)格步長(zhǎng)1m，垂直于工作面方向的網(wǎng)格步長(zhǎng)0.2m;而對(duì)于巷道區(qū)域及工作面的網(wǎng)格步長(zhǎng)為0.4m。據(jù)此，建立計(jì)算區(qū)域三維模型，如圖1所示。

2. 邊界條件

（1）對(duì)于壁面，則有

（2）對(duì)于暴露面，則有

其中，是流體壓能損失，是工作面摩擦風(fēng)阻力，是通風(fēng)流量。

計(jì)算區(qū)域巷道部分?jǐn)嗝婷娣e是基本保持不變的，是屬于暴露面，風(fēng)流在此處是紊流狀態(tài)，因而流體與井壁以及流體層間都會(huì)由于摩擦阻力造成流體壓能的損失。工作面摩擦風(fēng)阻與工作面及巷道長(zhǎng)度可以看做是正比關(guān)系，這是因?yàn)楣ぷ髅媸潜容^光滑的，而且綜放面基本是水平的，各處斷面的面積也是基本相同的。

對(duì)工作面各點(diǎn)的風(fēng)量和工作面兩端的壓差進(jìn)行測(cè)定，然后代入上式，就可以計(jì)算出工作面的壓力及其分布。

①進(jìn)口1：暴露面氧氣的濃度：體積比21%， 質(zhì)量比23.0%;進(jìn)風(fēng)速度2.11m/s。

②進(jìn)口2：

壓注液態(tài)N2濃度：100%

流速：42.5m/s

3.關(guān)鍵參數(shù)

（1）空隙率

采空區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)的空隙率在豎直方向上變化不大，故可假設(shè)其只在水平方向上有變化?？障堵蕁隨距工作面距離x的關(guān)系如式：

（2）耗氧速率與放熱強(qiáng)度

在新鮮風(fēng)流中采空區(qū)松散煤體的放熱強(qiáng)度和耗氧速率分別為：

放熱強(qiáng)度：（2）

耗氧速率：（3）

（3）相關(guān)參數(shù)設(shè)置

如表1為相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.注氮后采空區(qū)氮?dú)鉂舛葓?chǎng)變化特征

從圖2可以看出，注入N2后，滲入采空區(qū)很明顯，在12min時(shí)，其范圍大概在沿工作面方向20m左右，沿采空區(qū)方向30m左右。在28.8min后，其范圍擴(kuò)展得很明顯，沿工作面方向大概70m，沿采空區(qū)方向40m左右，可以看出，注氮沿工作面方向擴(kuò)散較快。因此，注入N2后，擴(kuò)散效果比較理想。

（1）注入時(shí)間12min（2）注入時(shí)間28.8min

圖2 N2濃度場(chǎng)

2.注氮后采空區(qū)氧濃度場(chǎng)變化特征

如圖3，注入N2后采空區(qū)氧濃度向后擴(kuò)散。在注入12min后，對(duì)采空區(qū)氧濃度的降低有限，范圍不大，而在注入28.8min后，惰化效果比較明顯，沿工作面方向約80m，沿采空區(qū)方向在70m左右，氧氣濃度均明顯降低，起到了明顯的惰化降氧效果。

3.注氮后采空區(qū)溫度場(chǎng)變化特征

從圖4可以看出：采空區(qū)發(fā)生溫度交換的場(chǎng)范圍不大，新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行能量交換受限很大，自身能量有限，根據(jù)能量守恒定律，能發(fā)生能量交換及其范圍并不大。發(fā)生能量交換比較明顯的是在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)20-30m處。在注入N2為12min后，降溫范圍大概在沿工作面方向25m，沿采空區(qū)方向約10m。在28.8min后降溫范圍進(jìn)一步加大，沿著整個(gè)工作面幾乎都有，沿采空區(qū)方向約35m，起到了明顯的降溫效果。

4. 注氮后采空區(qū)壓力場(chǎng)

從圖5可以看出，采空區(qū)里壓力場(chǎng)變化不大，比較穩(wěn)定，兩端壓差為50Pa，對(duì)于采空區(qū)復(fù)雜多孔松散介質(zhì)體系，新鮮風(fēng)流壓降非常明顯，在進(jìn)風(fēng)隅角處，采空工距隅角約30m時(shí)，壓力為6.56Pa，40m時(shí)約5.64Pa。

四、結(jié)論

1）采空區(qū)注氮沿工作面方向擴(kuò)散速度比沿采空區(qū)方向快。采空區(qū)注氮后，對(duì)采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)影響較大，對(duì)采空區(qū)壓力場(chǎng)影響較小。

2）注氮12min至30min內(nèi)，采空區(qū)降溫范圍沿工作面方向從25m擴(kuò)展至整個(gè)工作面方向，沿采空區(qū)方向從10m擴(kuò)展至35m。

3）注氮12min至30min內(nèi)，采空區(qū)降氧惰化范圍沿工作面方向從20m擴(kuò)展至70m，沿采空區(qū)方向從30m擴(kuò)展至40m。

參考文獻(xiàn)：

[1]金永飛，楊正偉，孫超，劉文永，郭軍.基于FLUENT的注氮參數(shù)對(duì)采空區(qū)煤自燃防治的影響研究[J].煤炭技術(shù)，2018，37（11）：230-233.

[2]文虎，胡偉，劉文永，張澤，程雙禮.色連二礦12205工作面收作期間防火技術(shù)[J].煤礦安全，2017，48（04）：75-78.

[3]陳曉坤，張華威，翟小偉，趙彥輝，王棟.注氮對(duì)采空區(qū)氧氣分布影響的數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2014，45（11）：23-26.

[4]文虎，張澤，趙慶偉，劉文永，郭軍.煤層分層前后采空區(qū)自燃“三帶”的數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2017，48（03）：178-181.

作者簡(jiǎn)介：楊彪（1986-），男，漢，陜西合陽人，本科，2010年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，中級(jí)通風(fēng)安全工程師，現(xiàn)從事“一通三防”工作。