上隅角CO涌出防控數值模擬研究

劉 超，陳 真，楊 彪，毛少軍，張慧峰，楊程帆

(1.陜西小保當礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北地區(qū)不少礦井工作面存在上隅角CO異常涌出的現(xiàn)象，原因包括采空區(qū)遺煤氧化產生CO、工作面生產過程中產生CO、井下交通工具產生CO等在工作面上隅角聚集。CO作為一種有毒有害氣體，如果井下現(xiàn)場人員長期處于高CO狀態(tài)，體能會受到影響，甚至出現(xiàn)不良身體反應。因此，一旦CO在工作面上隅角聚集或涌出，會嚴重威脅工作面安全生產環(huán)境，危害井下工人的身體健康，影響工作面正常生產[1]。小保當一號井112207綜采工作面回采期間，在工作面無任何自然發(fā)火跡象的情況下，上隅角CO濃度較大，特別容易造成煤自燃火災預測預報的誤報，甚至出現(xiàn)CO超限的現(xiàn)象。針對這一問題，利用FLUENT流場數值模擬軟件，研究工作面上下端頭設置臨時密閉，對綜采面上隅角CO涌出的防控具有實用價值。

1 工作面概況

小保當一號井112207綜采工作面位于2-2煤11盤區(qū)，西部相鄰112201采空區(qū)，東部布置112208工作面正在掘進順槽，北至2-2輔運大巷，切眼中線距離南部井田邊界26 m。直接頂為厚度1.25～11.47 m的細粒砂巖，老頂為厚度4.07～35.29 m的中粒砂巖，直接底為厚度8.19～26.62 m的砂質泥巖及粉砂巖，老底為厚度2.9～14.37 m的砂質泥巖。煤層傾角不足1°，煤層厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，容重1.32×103kN/m3，根據井下實際情況設計采高5.7 m。

小保當一號煤礦開采方式為大采高煤層開采，回風隅角CO主要來源有煤層原生CO氣體、采空區(qū)遺煤氧化釋放CO、煤層采掘過程產生CO和礦用膠輪車產生CO。

2 采空區(qū)數值模擬三維模型及參數設置

2.1 控制方程

工作面開采過后，采空區(qū)頂板垮落，采空區(qū)內充滿了垮落下來的塊狀破碎巖石，覆蓋遺留在采空區(qū)內部的松散煤體，形成多孔流場區(qū)域。采空區(qū)內破碎巖體及松散煤體之間的裂隙在采空區(qū)內分布極為豐富，根據這些特征基本允許將松散煤體和巖體均視為均勻的多孔介質，僅需在模擬時設置不同的滲流參數作為區(qū)分即可[2 -5]。在滲流模型中，漏風強度僅考慮平均意義下的，也就是通過單位面積松散煤體的漏風量[6 -7]。在設定的計算區(qū)域內，流體的密度保持不變，空氣滲流應當符合達西定律[8 -9]。常溫常壓下松散煤體吸附平衡且氧化緩慢，氧化消耗的氧氣量和產生的氣體產物等量。根據菲克定律，空氣中各組分擴散是從濃度最高處向最低處進行的[10 -11]。因為煤自燃是一個非常緩慢的過程，所以工作面在正常推進時，可以將采空區(qū)的滲流、擴散及化學反應考慮成一個穩(wěn)態(tài)過程。因此采空區(qū)溫度基本可以認為保持不變[12]，故控制方程如下

2.2 采空區(qū)物理模型

根據現(xiàn)場觀測，112207綜采工作面采空區(qū)會有一定厚度浮煤，現(xiàn)階段因為采空區(qū)浮煤厚度分布的復雜性和采空區(qū)的封閉性，還沒找到準確測量浮煤厚度的方法。在預測煤自燃的過程中浮煤厚度的測量是通過間接測算的方法[13]。

112207綜采工作面位于小保當一號井2-2煤11盤區(qū)，煤層平均厚度為5.7 m，工作面走向長5 630 m，傾斜長350 m，采高為5.7 m。112207綜采工作面膠運順槽6.5 m×4.25 m(寬×高)，回風順槽5.4 m×4.4 m(寬×高)。工作面回采率在95%左右，遺煤的空隙率定為30%。根據現(xiàn)場觀測，估算出采空區(qū)平均浮煤厚度。

浮煤厚度：5.7×(1-0.95)/(1-0.3)=0.41 m。

采空區(qū)兩道浮煤厚度：進風側(5.7-4.25)/(1-0.3)=2.07 m?；仫L側(5.7-4.4)/(1-0.3)=1.86 m。

對采空區(qū)流場進行模擬，首先構建采空區(qū)幾何模型。本次所模擬的區(qū)域為一個350 m×300 m×30 m的立體區(qū)域，其中X軸方向為工作面傾向方向，Y軸為工作面走向方向，Z軸為垂直方向。三維模型如圖1所示。并在進回風端頭各設置一道臨時密閉，臨時密閉尺寸與現(xiàn)場實際相同，工作面臨時密閉位置如圖2所示。

圖1 采空區(qū)三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of goaf

圖2 工作面臨時密閉位置Fig.2 Temporary sealing position of working face

通過ANSYS Workbenchd中的網格劃分軟件Mesh，對圖2中的幾何模型進行網格劃分。整體采用非結構化網格進行劃分，并對局部進行細化，非結構化網格主要以四面體網格為主，以六面體網格為輔。網格劃分結果如圖3所示，采空區(qū)立體空間劃分的網格質量良好，可以滿足采空區(qū)流場模擬的要求。

圖3 三維模型網格劃分Fig.3 Mesh division of 3D model

2.3 關鍵參數設置

2.3.1 材料設置

根據實驗測定的CO產生速率，編寫UDF，在數值計算過程中加載到遺煤區(qū)域的源項中。采空區(qū)松散煤體和巖體的相關參數見表1。

表1 材料設置

2.3.2 邊界條件

暴露面：進風口O2體積百分比為21%；質量百分比為23.3%；溫度為300 K。

進風口風速：根據工作面供風量計算得出進風巷風速為1.68 m/s。

回風巷出口：設定為自由出口。

3 數值模擬結果及分析

基于建立的數值模擬模型，在相同的邊界條件前提下，分別對端頭無臨時密閉和有臨時密閉的采空區(qū)流場進行模擬。

3.1 速度場分析

上述2種情況下的采空區(qū)速度場云圖，如圖4、5所示。兩圖對比可以看出，在無臨時密閉的情況下，工作面部分新鮮風流從進風端頭直接進入采空區(qū)中，采空區(qū)內的氣體從工作面回風端頭涌出，形成一個漏風源和一個漏風匯的過程。相比之下，在工作面進回風端頭增設臨時密閉后，工作面的風流速度略微增大，進風端頭流入采空區(qū)的風流減小，同時，因臨時密閉的影響，采空區(qū)氣體從回風端頭涌出受阻。這說明，工作面進回風端頭建立臨時密閉對采空區(qū)漏風封堵以及氣體涌出防控具有一定的作用。

圖4 無臨時密閉采空區(qū)速度云圖Fig.4 Velocity cloud map of goaf without temporary sealing

圖5 有臨時密閉采空區(qū)速度云圖Fig.5 Velocity cloud map of goaf with temporary sealing

3.2 CO濃度場分析

圖6為工作面進回風端頭無密閉和有密閉2種情況下，采空區(qū)內部空間的CO濃度場云圖。從圖中可以看出，在采空區(qū)中，采空區(qū)回風側區(qū)域積聚的CO濃度比采空區(qū)進風側區(qū)域積聚的CO濃度大。在采空區(qū)漏風流場的影響下，CO氣體從工作面上隅角涌出。總體來說，沿工作面傾向方向，距離回風側越近，采空區(qū)內部的CO濃度越大，上隅角處的CO濃度能達到0.035‰～0.040‰，這也與現(xiàn)場上隅角CO濃度較為吻合。沿工作面走向方向，采空區(qū)深部的CO濃度大于靠近工作面的CO濃度，這是由于新鮮風流從進風端頭進入采空區(qū)后，在采空區(qū)內形成流場，經過采空區(qū)遺煤后，O2不斷被消耗，CO不斷產生，CO濃度逐漸增大。

用Fluent軟件從CO濃度場云圖中提取采空區(qū)回風側CO濃度數據，如圖7所示，為采空區(qū)走向方向回風側CO濃度隨采空區(qū)深度的變化規(guī)律。

圖6 采空區(qū)CO濃度場Fig.6 CO concentration field in goaf

圖7 采空區(qū)走向方向回風側CO濃度Fig.7 CO concentration at the return air side in the goaf direction

從圖中可以看出，隨著采空區(qū)深度的加深，CO濃度迅速增大，這是由于模擬過程中，采空區(qū)遺煤氧化產生的CO在采空區(qū)積聚的表現(xiàn)。對比分析圖7(a)和圖7(b)，工作面上下端頭無臨時密閉時，采空區(qū)內的氣體從上隅角涌出，導致上隅角和回風巷道10 m范圍內出現(xiàn)CO，CO平均濃度沿回風巷風流方向逐漸降低。在工作面上下端頭設置臨時密閉后，上隅角CO濃度驟降，回風巷道10 m范圍內CO濃度最低為0.001‰。

由此表明，在工作面上下端頭建立臨時閉墻，一定程度上可以減小工作面向采空區(qū)漏風，同時可以減少采空區(qū)氣體向工作面上隅角涌出。

4 結論

(1)在工作面進回風端頭無臨時密閉時，工作面新鮮風流從下隅角流入采空區(qū)中，為采空區(qū)遺煤氧化供給氧氣，產生的CO從上隅角涌出。

(2)在工作面進回風端頭設置臨時密閉，一方面，可以減小采空區(qū)漏風，另一方面，可以減少采空區(qū)氣體向工作面上隅角涌出。因此，端頭密閉可對工作面上隅角CO防控起到一定作用。