紀玉龍 時國慶 常緒華 高興生

（1.國網(wǎng)新疆準東煤電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市，831800；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

煤炭自燃是影響煤炭工業(yè)健康發(fā)展的重要原因之一，上世紀90年代以來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù)，在生產(chǎn)效率大幅提高的同時，也造成采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風嚴重的狀況，使得煤自燃火災發(fā)生頻繁。為防止瓦斯超限事故并提高瓦斯的抽采率，高瓦斯礦井普遍采用高負壓瓦斯抽放技術(shù)對采空區(qū)進行治理。在抽放過程中，抽放區(qū)域風流紊亂、漏風量增大，采空區(qū)氧氣分布規(guī)律和浮煤自然發(fā)火特性與常規(guī)工作面都不同，由瓦斯抽放引起的煤自燃問題更加突出。氧氣分布是煤自燃的主要影響因素，為研究瓦斯抽放條件下的自然發(fā)火規(guī)律，本文建立了采空區(qū)瓦斯抽放條件下風流場、氣體濃度場的數(shù)學模型，采用計算流體力學（CFD）模擬技術(shù)得出采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度場的分布特征，并通過現(xiàn)場觀測驗證模擬技術(shù)的可靠性，基于模擬結(jié)果提出了適合于高瓦斯煤層綜放面采空區(qū)抽放條件下自燃危險區(qū)域的判定技術(shù)。研究結(jié)論可用于指導抽放條件下自然發(fā)火危險區(qū)域的圈化，為進一步完善高瓦斯礦井抽放條件下綜放采空區(qū)防滅火技術(shù)提供一定的基礎。

1 采空區(qū)氣體運移分布的理論模型

采空區(qū)氣體流動主要遵循以下8個控制方程。

將i，j標記為（x，y，z）表示三維空間的三個方向，則連續(xù)性方程：

式中：t——時間，s；

u——氣體流動速度，ui為i（x，y，z）方向上的速度分量，m／s；

ρ——混合氣體密度，kg／m3；

Sm——采空區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)量增減量，kg。

式中：p——氣體壓力，Pa；

τij——分子作用而產(chǎn)生并作用在氣體上的粘性應力張量，N／m2；

gi——i方向上的重力體積力，m／s2；

Si——i方向上氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)運移過程中附加的動量損失源項，由括粘性損失和慣性損失兩部分構(gòu)成，可表示為：

式中：μ——采空區(qū)氣體的粘度，m2／s；

dij、Cij——分別為粘性損失系數(shù)、慣性損失系數(shù)矩陣。

vj——速度在x，y，z3個坐標方向上的分量，由此可見當流動速度足夠小時，式中慣性損失部分相對于粘性損失可看作無窮小項，附加動量損失源可簡化為達西（Darcy）公式表示。

組分質(zhì)量守恒方程：

式中：cs——組分s的體積濃度，%；

ρ——該組分的密度，kg／m3；

Ds——該組分的擴散系數(shù)，m2／s；

Ss——采空區(qū)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學反應產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量。

煤對氧的消耗是放熱過程，考慮產(chǎn)熱與耗氧速率的耦合作用，采空區(qū)能量守恒控制方程的形式如下：

式中：cp——比熱容，J／（kg·K）；

T——熱力學溫度，K；

k——采空區(qū)氣體的導熱系數(shù)，W／（m·K）；

ST——能量源項。

根據(jù)費克（FICK）定律，采空區(qū)各種氣體的擴散流量用下式表示，即：

式中：Ji——第i種氣體的擴散流量，主要由濃度梯度、熱力梯度引起，m3／s；

Dim——混合氣體的擴散系數(shù)，m2／s；

Xi——氣體i的質(zhì)量分數(shù)，%；

DTi——導熱系數(shù)，W／（m·K）。對于非稀薄氣體，式（6）可以采用多組分擴散公式代替，即：

式中：Mi——氣體i的分子量；

Mmix——混合氣體的分子量；

Dij——指氣體j中組分i的多組分擴散系數(shù)，m2／s。

低溫氧化階段浮煤對氧氣的消耗速率Rate可以采用下述公式來表示：

式中：E——反應活化能，取12～95kJ／mol之間；

A——反應指數(shù)，依煤級和測試方法不同；

n——常數(shù)，取值多在0.5～1之間；

R——氣體常數(shù)，J／（K·mol）；

［O2］——氧濃度，%。

采空區(qū)的滲透率是模型的另外一個關鍵參數(shù)，它主要受采動后采空區(qū)應力分布的影響，格瑞德（Greed）和克拉克（Clark）曾對采空區(qū)的滲透性進行了研究，認為采空區(qū)的滲透率取值在10－2～10－7m－2之間，并指出采空區(qū)邊緣的滲透率要比中部大的多。綜合考慮現(xiàn)場情況，結(jié)合前人研究成果，本文滲透率的取值處于10－2～10－9m－2范圍內(nèi)，采用雙曲正切函數(shù)進行分布規(guī)律的擬合。

2 綜放面采空區(qū)氣體抽放條件下氧氣濃度的實測與分析

2.1 采空區(qū)氣樣采集系統(tǒng)

抽氣系統(tǒng)主要有電動旋片式真空抽氣泵和束管組成。束管為單管直徑為?8mm的硬質(zhì)塑料管束，為防止束管進入采空區(qū)后被冒落巖石擊斷，在束管的外邊布設了無縫鋼管加以保護。為避免抽氣束管從鋼管內(nèi)抽氣，在保護鋼管和束管之間，采用密封膠泥進行封堵。

2.2 測點分布

在綜放工作面刮板輸送機后面布設測試束管對瓦斯抽放條件下采空區(qū)的氣體進行了現(xiàn)場測試，數(shù)據(jù)分別來自工作面進風巷側(cè)、回風巷側(cè)、距回風巷60m處（在圖中標記為采空區(qū)中部）3個測點，測點在采空區(qū)的分布如圖1所示，得到的3組氧氣濃度分布曲線，見圖2。

2.3 測試結(jié)果

通過抽氣泵抽取采空區(qū)氣體進入氣體收集球膽，采用KSS－200型氣相色譜分析系統(tǒng)對收集的氣樣進行分析，分析精度≤1.5%。

由采空區(qū)氧氣實測濃度數(shù)據(jù)曲線圖2可以看出，采空區(qū)進風巷側(cè)氧氣濃度較高，在采空區(qū)深部70m左右時，采空區(qū)氧氣濃度初次下降到18%左右，在采空區(qū)深部120m左右時氧氣濃度下降到8%；而在采空區(qū)回風巷側(cè)和采空區(qū)中部，它們的氧氣濃度分布特征基本相同，二者顯著低于采空區(qū)進風巷側(cè)氧氣濃度，氧氣濃度在采空區(qū)深部20m位置處下降到18%，在采空區(qū)深部70m位置處，氧氣濃度下降到8%，進而采空區(qū)可進入氧化窒息帶。

3 采空區(qū)氣體抽放條件下氧氣濃度場的模擬

3.1 模型的幾何特征

綜放工作面的CFD模型的幾何特征見圖3。模型右側(cè)為進風巷，左側(cè)為回風巷，在回風巷的右上方沿煤層頂板布置有瓦斯導流高位巷，圖中的1和2分別為上隅角的采空區(qū)瓦斯抽放管路和通過回風巷旁側(cè)灌漿巷布置的采空區(qū)瓦斯抽放管路。巷道高3m，寬4m，長30m；工作面長度為200m，采空區(qū)走向長度為500m，計算高度為20m；煤層傾角為0°，工作面沿走向2°俯采；工作面通風方式為U型通風，配風量為1400m3／min，進風側(cè)新鮮風流氧氣質(zhì)量分數(shù)23%，體積分數(shù)（濃度）20.7%；高抽巷配風量為200m3／min，上隅角的抽放管路1直徑為?325mm，流量為200m3／min，灌漿巷抽放管路2流量為180m3／h；2008年礦井絕對涌出量達到155.49m3／t，相對涌出量21.78 m3／t。礦井瓦斯主要來源于工作面瓦斯涌出、采空區(qū)底板及頂煤冒落瓦斯涌出，整個采空區(qū)的瓦斯涌出量約為21～24m3／min，本文假設沿采空區(qū)走向瓦斯的釋放強度呈線性衰減。

圖3 CFD模型的幾何特征

3.2 模擬結(jié)果與分析

物理模型四周邊界氧氣濃度分布云圖見圖4，采空區(qū)不同水平氧氣濃度分布云圖見圖5，可以看出：隨著距底板高度的不斷增加，高氧氣濃度分布區(qū)域的范圍不斷減小。由圖5（a）的氧氣濃度分布云圖與實測數(shù)據(jù)的對比可以看出，二者具有較好的吻合度，這就表明數(shù)值模擬基本能夠反映采空區(qū)氧氣濃度的真實分布特征。對不同高度水平面上氧氣濃度分布的對比分析可知，在距采空區(qū)底板20 m高的水平面上，氧氣濃度只有在進風側(cè)能夠達到20%左右，在回風側(cè)氧氣濃度降至了15%左右。

圖6為采空區(qū)底板處按照氧氣濃度8%～18%的標準劃分的采空區(qū)自燃帶分布，從模擬結(jié)果中提取的數(shù)據(jù)表明：在進風側(cè)，到達采空區(qū)深部75m時浮煤進入自燃帶，當?shù)竭_采空區(qū)深部130m時，采空區(qū)進入窒息帶；在工作面中部，當達到采空區(qū)深部30m時，采空區(qū)浮煤進入自燃帶，當達到采空區(qū)深部67m時，采空區(qū)進入窒息帶；而在回風側(cè)，采空區(qū)進入自燃帶的距離則提前至采空區(qū)深部26m，當達到采空區(qū)深部70m時，采空區(qū)進入窒息帶；由于該工作面采用放頂煤的開采方式，采空區(qū)的浮煤厚度普遍較大，基本大于支持煤自燃的最小浮煤厚度。因此，以采空區(qū)氧氣濃度劃分出的自燃帶基本等同于采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域范圍。由此可見，該綜放面采空區(qū)自燃危險區(qū)域的最寬處在采空區(qū)進風側(cè)，寬度達到55m，而該礦的統(tǒng)計自然發(fā)火期為24d，因此只要工作面推進速度不低于2.29m／d，該工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性較小。

圖4 模型外表面氧氣濃度分布云圖

圖5 氧氣濃度分布云圖（距離底板不同的水平面）

圖6 采空區(qū)自燃帶內(nèi)氧氣分布云圖

圖7為距工作面不同深度位置的垂向剖面上的氧氣濃度云圖，可以看出，工作面底部的氧氣濃度要顯著高于頂部氧氣濃度，這說明靠近工作面時，采空區(qū)上部浮煤自然發(fā)火的幾率要高于底板浮煤自然發(fā)火的可能性；隨著向采空區(qū)的深入，采空區(qū)底板浮煤自然發(fā)火的可能性逐步增加，上部浮煤進入窒息帶的速率加快，自然發(fā)火的幾率降低。

根據(jù)能量平衡原理，采空區(qū)瓦斯抽放勢必造成采空區(qū)漏風量大，這種條件下依靠上下隅角堵漏或注氮縮短采空區(qū)自燃帶寬度的作用是有限的。因此，瓦斯抽放條件下的防火不能以堵漏和注氮作為主要手段。為防止采空區(qū)自然發(fā)火，最優(yōu)的做法是將采空區(qū)的煤體潤濕或覆蓋。泡沫防滅火技術(shù)灌注流量大，易向采空區(qū)高處堆積，泡沫發(fā)泡劑中本身含有阻化物質(zhì)，其對煤體具有阻化作用；另外，含固相介質(zhì)的三相泡沫破滅后，液膜上的粉煤灰形成致密的保護膜附著在煤體上，起到隔絕氧氣的作用。

圖7 采空區(qū)不同深度垂向剖面氧氣濃度分布云圖

4 結(jié)論

（1）綜放面采空區(qū)氧氣濃度分布模擬表明瓦斯抽放造成該工作面漏風量大， 采空區(qū)高氧濃度分布范圍較廣、自燃帶寬度大，在進風側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度為55m，在回風側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度與在進風側(cè)采空區(qū)自燃帶的寬度基本相當，為30～40m。按照自然發(fā)火期24d計算，該面回采速度大于2.29 m／d時，自然發(fā)火的危險性較小。

（2）采用CFD技術(shù)模擬得到的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度場的分布特征與實際情況基本相符。因此，證明了CFD技術(shù)是一項技術(shù)可行、操作性強的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度分布特征的研究手段。

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