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      采空區(qū)注氮對瓦斯爆炸危險區(qū)的影響數(shù)值模擬

      2021-04-06 01:05:10李蕓卓蘇賀濤季淮君
      煤礦安全 2021年3期
      關鍵詞:危險區(qū)氧氣采空區(qū)

      李蕓卓,蘇賀濤,季淮君

      (1.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院,北京100083;2.中國地質(zhì)大學(北京)國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術重點實驗室,北京100083)

      采空區(qū)是煤礦災害事故的主要源頭[1]。在煤礦開采過程中,由于采空區(qū)遺煤和煤壁等瓦斯涌出使采空區(qū)發(fā)生瓦斯積聚,當這些積聚的瓦斯與通風口漏風進入采空區(qū)的新鮮空氣接觸,且一旦接觸到火源就會發(fā)生瓦斯爆炸的嚴重后果[2-3]?,F(xiàn)如今,隨著煤礦加大開采深度,大量的高瓦斯礦井出現(xiàn),采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合災害愈發(fā)增多[4-6]。注氮惰化工藝因其操作簡便且具有阻燃阻爆的特性,已成為現(xiàn)煤礦生產(chǎn)中普遍的技術手段[7-8]。采空區(qū)的特殊和復雜性,工作人員無法實地進入進行檢測,國內(nèi)外許多學者應用實驗或模擬仿真對不同注氮參數(shù)條件下采空區(qū)氣體分布規(guī)律等特征參數(shù)進行了一定的研究[9-15],但目前有關注氮對采空區(qū)瓦斯爆炸與自然耦合區(qū)域演變過程及采空區(qū)爆炸危險性演化趨勢尚未有深入研究。基于此,使用COMSOL 多物理場耦合模擬軟件對采空區(qū)不同注氮參數(shù)條件下,采空區(qū)氣體運移規(guī)律及瓦斯爆炸危險區(qū)分布特征進行研究分析,以期有助于防止采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合事故的發(fā)生。

      1 工作面概況

      許疃煤礦3235 工作面位于煤礦I 水平33 采區(qū),所采煤層為32 煤。工作面走向長度為2 158 m,傾斜長長度為140~178 m,平均長度為160.8 m。煤層厚度1.0~3.0 m,平均2.5 m,煤層傾角10°~20°,平均15°,傾斜度較小,可近似看成水平煤層。全礦井瓦斯絕對涌出量為42.79 m3/min,相對涌出量為15.82 m3/t,鑒定結果為高瓦斯礦井。從勘探地質(zhì)報告看,該礦井瓦斯成分以CH4為主,存在瓦斯局部富集帶。工作面所采煤層屬于I 類易自然發(fā)火煤層,自然發(fā)火期55 d。煤塵爆炸性指數(shù)為31.32%,具有爆炸性危險。工作面采用“U”型全負壓通風方式。

      2 基于COMSOL 的采空區(qū)注氮數(shù)值模擬

      2.1 物理模型

      根據(jù)3235 工作面資料及現(xiàn)場實測,利用COMSOL 模擬軟件建立采空區(qū)注氮物理模型,采空區(qū)注氮物理模型如圖1。

      圖1 采空區(qū)注氮物理模型Fig.1 Physical model of nitrogen injection in goaf

      在建立采空區(qū)幾何模型時,忽略了采煤工作面各種設備的影響,理想化參數(shù)條件下將工作面、進風和回風巷道以及采空區(qū)設計為矩形斷面,工作面長160 m,進、回風巷道長20 m、寬5 m,采空區(qū)長250 m。自由流動區(qū)由工作面和巷道組成,風流從進風口流入經(jīng)過工作面并由回風口流出,該流動過程遵循Navier-Stokes 方程。由于風流經(jīng)過工作面時會產(chǎn)生向采空區(qū)作用的漏風現(xiàn)象,采空區(qū)是一種多孔介質(zhì),垮落巖和殘余煤堆積在其中,其間存在復雜的裂隙和通道,選取Brinkman 方程以描述多孔介質(zhì)中流體的快速流動??紤]到混合氣體中的傳質(zhì)作用,其濃度梯度的變化引起氣體擴散。不斷漏入采空區(qū)的風流與從采空區(qū)涌出的瓦斯形成符合Fick 定律的動態(tài)平衡。

      2.2 邊界條件和模型參數(shù)

      根據(jù)現(xiàn)場勘察情況,選擇模型邊界條件和相關參數(shù)。將進風巷設置為入口邊界;回風巷設置為自由流動出口邊界。注氮口設定為速度入口,并取氮氣的濃度為98%。壁面邊界設置為無滑移絕熱邊界條件。采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)見表1。

      表1 采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of nitrogen injection model in goaf

      隨著工作面不斷的推進,采空區(qū)四周的懸臂梁結構與煤壁、煤層底板形成“松散三角區(qū)”,進行回采工作時,互相連通便構成采空區(qū)漏風的主要通道-“O”型圈,“O”型圈內(nèi)垮落的煤巖具有更大的孔隙率,基于該理論構建采空區(qū)孔隙率經(jīng)驗擬合公式[16]:

      式中:n 為采空區(qū)孔隙率,%;nx、ny為沿采空區(qū)深度和工作面傾斜方向的孔隙率,%;x 為沿采空區(qū)深度方向的坐標;y 為沿工作面傾斜方向的坐標;L為工作面長度,m。

      采空區(qū)滲透率主要與孔隙率和粒度大小有關,基于達西流動定律下計算采空區(qū)滲透率K[17]:

      式中:K 為采空區(qū)滲透率,m2;d 為垮落煤巖平均粒度,取0.3 m。

      2.3 模擬方案

      為了研究為了研究注氮對采空區(qū)爆炸危險區(qū)的影響,進而優(yōu)化注氮方案,模擬時設定進風口通風量為1 000 m3/min、注氮管直徑為100 mm,注氮流量在360~900 m3/h 的范圍。通過分析流場可知,注入采空區(qū)的氮氣流動方向應與漏風風流保持一致,從而起到氮氣驅(qū)替漏風惰化采空區(qū)的效果,則模擬時分別設定在采空區(qū)進風側10~50 m,相鄰注氮口間隔為10 m,即注氮位置分為10、20、30、40、50 m。

      3 模擬結果

      3.1 瓦斯爆炸危險區(qū)的確定

      隨著采煤工作面的不斷推進,漏風稀釋采空區(qū)中的瓦斯,并為瓦斯爆炸提供了所需的氧氣。一旦采空區(qū)中的瓦斯體積分數(shù)達到爆炸極限,且遇到具有一定能量的火源,就會發(fā)生瓦斯爆炸事故。根據(jù)線性疊加的數(shù)學原理,將氧濃度、甲烷濃度、溫度等關鍵區(qū)域的交點視為耦合危險[18]。此外,由于體積分數(shù)大于18%的氧氣主要聚積在工作面附近,而工作面附近區(qū)域在高通風量條件下爆炸極限內(nèi)的瓦斯不易聚集且熱量累積條件較差,采空區(qū)深部通常是發(fā)生瓦斯爆炸的主要場所。因此,選取氧氣體積分數(shù)為12%~18%的區(qū)間和爆炸極限內(nèi)的甲烷進行耦合劃分出瓦斯爆炸危險區(qū)域,其表達式如下:

      式中:Se為瓦斯爆炸危險區(qū);SO2為氧氣達到瓦斯爆炸所需體積分數(shù)的區(qū)域;SCH4為瓦斯體積分數(shù)在爆炸極限內(nèi)的區(qū)域;ST為達到瓦斯爆炸所需要溫度的區(qū)域;CO2為氧氣的體積分數(shù);CCH4為甲烷體積分數(shù)。

      3.2 注氮流量的影響

      為研究注氮流量對采空區(qū)瓦斯爆炸區(qū)的影響,分別在采空區(qū)進風側采用鋪設束管方法,在注氮口位置為20 m,進風口通風量為1 000 m3/min 條件下,設置了5 種不同注氮流量(無注氮、360、540、720、900 m3/h)。根據(jù)式(3),并結合所模擬的采空區(qū)氧氣和甲烷濃度分布情況,對采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)進行劃分。不同注氮流量下采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分如圖2。其中藍色曲線氧氣為12%和18%的等值線,紅色曲線為甲烷5%和16%的等值線。紅色區(qū)域為瓦斯爆炸高危險區(qū)(一旦接觸火源就會發(fā)生爆炸);灰色區(qū)域為瓦斯爆炸較高危險區(qū)(氧氣達到爆炸所需最低濃度或瓦斯?jié)舛仍诒O限內(nèi));黃綠色區(qū)域為瓦斯含量過高不爆區(qū);深綠色區(qū)域為沒有爆炸成分的惰性區(qū)域。

      圖2 不同注氮流量下瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分Fig.2 Hazard area division of gas explosion under different nitrogen injection flow rates

      由圖2 可知,瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在距離工作面25 m 左右的采空區(qū),并且隨著注氮量的增加,沿工作面風流方向上的危險區(qū)長度明顯減小,相比較采空區(qū)深度方向,注氮對工作面風流方向上爆炸危險區(qū)影響較大。由于注氮所產(chǎn)生的驅(qū)替漏風現(xiàn)象,對比圖2(a)與圖2(e)可以明顯發(fā)現(xiàn),注氮量為900 m3/h 比未注氮時,氧氣12%的等值線有向工作面移動現(xiàn)象,爆炸極限內(nèi)的甲烷區(qū)間向采空區(qū)深處傾移,這說明注氮量增加,不僅抑制了工作面向采空區(qū)的漏風,稀釋采空區(qū)中的氧氣,并且還阻止了采空區(qū)瓦斯向工作面的蔓延。

      為了更加具體直觀的反應注氮對于爆炸危險區(qū)的影響,分別畫出了不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積的關系圖,不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積如圖3。

      圖3 不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積Fig.3 The maximum width and area of the high hazard explosion area under different nitrogen injection flows

      由圖3(a)可以看出,在無注氮條件下,瓦斯爆炸高危險區(qū)的最大寬度約為13 m,增加注氮量到360 m3/h 時危險區(qū)最大寬度變化不明顯,但繼續(xù)增加注氮量至900 m3/h,最大寬度只有約5 m。通過圖3(b)可以看出,當注氮流量從720 m3/h 增加至900 m3/h 時,危險區(qū)的面積變化梯度略有減小??傮w上注氮流量與危險區(qū)最大寬度和面積呈線性負相關。

      3.3 注氮位置的影響

      注氮量為540 m3/h 條件下,不同注氮位置(10、20、30、40、50 m)下的氧氣體積分數(shù)對比如圖4。由圖4 可知,隨著注氮口逐漸遠離工作面,采空區(qū)氧氣濃度變化梯度總體上在不斷增加。瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)(12%~18%)的危險區(qū)域統(tǒng)計分析的具體結果,不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析見表2。

      圖4 不同注氮位置下的氧體積分數(shù)對比Fig.4 Comparison of oxygen volume fraction at different nitrogen injection locations

      表2 不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of hazard zones at different nitrogen injection locations

      從圖4 與表2 可以看出,注氮位置對瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域有明顯的影響,當注氮位置由10 m 增加到40 m 時,該危險區(qū)域的分布范圍以及寬度為隨之減小,且起始點向工作面方向移動。當注氮口為10、20 m 時,危險區(qū)域起始點距工作面距離為11.1、12.1 m,危險區(qū)域的范圍明顯縮小了3.4 m。當注氮位置由30 m 變化到40 m,危險區(qū)域起始點由9 m 變?yōu)?.9 m,向工作面移動了2.1 m,而范圍幾乎未變化。值得注意的是,注氮口繼續(xù)向采空區(qū)深入10~50 m 時,相比較注氮位置為40 m 時危險區(qū)域的寬度增加了1.3 m。這是由于隨著采空區(qū)不斷深入,采空區(qū)的孔隙率和滲透率也會隨之減小,會影響氮氣采空區(qū)的擴散,從而影響注氮對氧氣稀釋的效果。從總體上來看,注氮位置在一定范圍內(nèi)與對應瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)的危險區(qū)域呈現(xiàn)負相關性。

      因此,應綜合考慮注氮流量和注氮位置以優(yōu)化注氮的效果,且注氮口不易過淺,以防止氮氣因注氮口局部高壓作用而快速回流至工作面,從而使工作面以及巷道新鮮風流遭受污染以至注氮效果不明顯,考慮到經(jīng)濟成本以及采空區(qū)壓實等問題,注氮口也不易過深。同時也應該考慮注氮流量的增加,注入采空區(qū)的氮氣存在一定泄露而影響注氮效率。

      4 結 論

      1)采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在工作面回風側附近,該區(qū)域氧氣和甲烷體積分數(shù)均達到瓦斯爆炸條件,一旦遇到火源便會發(fā)生爆炸。且隨著注氮量的增加,沿工作面走向方向上的危險區(qū)長度明顯減小。

      2)通過改變向采空區(qū)的注氮流量,可以顯著改變瓦斯爆炸危險區(qū)的分布,隨著注氮量的逐漸增大,12%~18%體積分數(shù)內(nèi)的氧氣和爆炸極限內(nèi)的甲烷瓦斯,分別向工作面和采空區(qū)移動,瓦斯爆炸危險區(qū)的最大寬度以及面積均呈現(xiàn)減小趨勢。

      3)注氮位置和瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域,總體上在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)負相關性。注氮位置在10~40 m 范圍內(nèi)離工作面距離越遠,采空區(qū)氧氣變化曲線梯度越大,瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域?qū)挾日w呈現(xiàn)遞減趨勢。

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