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均壓前后采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬研究*

郭丹丹 劉 偉 王文強 何 超

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

通過理論分析，建立了移動坐標下采空區(qū)流場、氧濃度場、氣體及冒落煤巖溫度場的數(shù)學模型，利用有限體積法進行耦合求解，模擬了均壓前后采空區(qū)自然發(fā)火情況。結果表明均壓能有效地減少采空區(qū)漏風，并能人為形成自燃三帶，使得高溫區(qū)由難以治理的兩側(cè)巷幫狹長區(qū)域集中到工作面附近，顯著降低了采空區(qū)自然發(fā)火的危險。最后，通過工作面風量測定，驗證了均壓堵漏的效果。

采空區(qū) 自然發(fā)火 均壓 數(shù)值模擬 漏風 自燃三帶

采空區(qū)自然發(fā)火是指有自燃傾向的煤層開采后，在常溫下與空氣接觸，發(fā)生氧化，產(chǎn)生熱量使其溫度升高，出現(xiàn)發(fā)火和冒煙的現(xiàn)象。相關研究表明，采空區(qū)漏風會使采空區(qū)自燃 “三帶”的范圍增大，增加采空區(qū)煤自燃的危險性。均壓是以風治火的一種行之有效的方法，但由于采空區(qū)地質(zhì)條件復雜，均壓效果的檢測極其困難，因此，在缺乏有效研究手段的情況下，采用數(shù)值模擬對采空區(qū)內(nèi)的流場、氧濃度場和溫度場進行預測,并通過檢測漏風進行驗證成為必然趨勢。

1 工作面概況

汾西礦業(yè)集團水峪煤礦六采區(qū)6122工作面開采10#+11#煤層，煤層具有自然發(fā)火傾向，最短發(fā)火期為6個月。試生產(chǎn)以來漏風問題嚴重，經(jīng)多次專項治理，仍存在多條漏風通道。為了解工作面漏風的具體情況，沿6122工作面布置測點，進行風量測定，得到均壓前的風量。均壓前6122工作面風量測定結果如圖1所示。

工作面距離小的風量是進風風量，距離大的為回風風量，回風與進風之差為漏風風量。由測風結果可知， 2015年3月17日工作面進風量為591 m3/min，回風量為723 m3/min，工作面回風量明顯大于進風量，存在嚴重漏風問題，漏風量達到132 m3/min；4月24日，進風量為517 m3/min，回風量為816 m3/min，漏風量為299 m3/min，可以看出，漏風在逐漸擴大。

圖1 均壓前6122工作面風量測定結果

2 均壓前后采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬

采空區(qū)自然發(fā)火是采空區(qū)內(nèi)的空氣流動、氧氣運輸與擴散、遺煤氧化放熱以及固體對流換熱等相互作用所造成的，是煤體放熱與環(huán)境散熱這對矛盾動態(tài)發(fā)展的結果。

2.1 移動坐標系及假設條件

隨著回采工作面不斷推進，采空區(qū)邊界不斷變化、空間范圍不斷擴大。為此，引入移動坐標系，將深度不斷擴展的采空區(qū)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)的、區(qū)域相對固定的研究對象。如圖2所示，以進風口為原點

(o)，y軸設置在工作面的切頂線上，x軸則沿采空區(qū)走向，可近似將工作面的移動速度看作是一個固定常數(shù)。

圖2 采空區(qū)移動坐標及煤巖溫度場邊界

采空區(qū)邊界如圖2所示，靠近工作面的邊界為Γ1，上下兩行煤柱是Γ2、Γ3邊界，深部邊界為Γ4，研究固體溫度場時，將采空區(qū)的事實邊界Γ2、Γ3外推到熱流通量為0的邊界Γ7、Γ8，視為絕熱邊界來處理。

2.2 數(shù)學模型

采空區(qū)自然發(fā)火是采空區(qū)內(nèi)壓力場、氧濃度場、氣體及固體溫度場等相互影響、相互作用的結果。

由達西定律和質(zhì)量守恒定律來建立采空區(qū)流場方程，由菲克定律和質(zhì)量守恒定律來建立采空區(qū)氧濃度場方程，由傅立葉定律和能量守恒定律建立采空區(qū)溫度場方程，得到采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合數(shù)學模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：K——多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，m/s；

ρg——控制體內(nèi)的氣體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

p——靜壓和速壓之和，Pa；

α——煤層的傾角，(°)；

n——采空區(qū)內(nèi)浮煤的孔隙率，%；

kO2——氧氣的擴散系數(shù)；

u(t)——單位時間單位體積的耗氧量，mol/(s·m3)；

cO2——氧氣摩爾濃度，mol/m3；

λy——采空區(qū)冒落煤巖導熱系數(shù)，W/(m·K)；

Ke——煤巖與氣體對流換熱系數(shù)，J/(m2·s·K)；

tg——氣體溫度，K；

ts——煤巖溫度，K；

ρs——煤巖的密度，kg/m3；

cs——煤巖的比熱容J/(kg·K)；

q(t)——單位時間內(nèi)控制體內(nèi)遺煤的放熱量，kJ/(mol·s)；

λg——氣體導熱系數(shù)，W/(m·K)；

cg——氣體的比熱容J/(kg·K)。

對于邊界Γ1，其每一點的全風壓值、氧濃度、溫度都可以現(xiàn)場測定，是第一類邊界條件。邊界Γ2、Γ3、Γ4是第二類邊界條件，固體溫度場中假定邊界Γ4至Γ10上的熱流通量為0，視為絕熱邊界來處理。

2.3 模型解算及結果分析

采用有限體積法對采空區(qū)自然發(fā)火模型進行求解。先確定模型的解算范圍，對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，再對模型及其邊界條件按有限體積法進行離散，得到了壓力、氧氣濃度和溫度的節(jié)點方程組，最后設計和編制了計算機程序?qū)?jié)點方程組進行了耦合求解。

圖3 均壓前后采空區(qū)內(nèi)各場的分布情況

以6122工作面為計算模型，根據(jù)6122工作面正常推進時的實際生產(chǎn)和供風量情況，進行均壓防滅火。工作面長度為190 m，推進速度為3.6 m/d。均壓前，進風量為300 m3/min，回風量為800 m3/min，通風阻力為20 Pa。均壓后設定進風量為750 m3/min，回風量為790 m3/min，通風阻力為45 Pa。

利用軟件設計平臺Visual Basic 6.0，編制解算程序，通過Tecplot 9.0等后處理軟件對數(shù)據(jù)文件進行處理，得到采空區(qū)壓力、氧氣濃度、溫度分布圖形顯示。數(shù)值模擬的結果如圖3所示。

從圖3(a)、(b)可以看出：均壓前，采空區(qū)端頭處壓力最大，風從采空區(qū)漏向工作面的情況相當嚴重，很容易造成采空區(qū)遺煤自燃；均壓后，進風口處的壓力最大，隨著采空區(qū)深度的增加，壓力逐漸減小，當深度達到160 m后，壓力不再變化。消除了采空區(qū)內(nèi)部向工作面的漏風，并人為形成采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”，大大減小了采空區(qū)自燃的危險。

從圖3(c)、(d)可以看出：均壓前，由于存在采空區(qū)深部向工作面漏風，巷幫附近垮落煤巖比較疏松，所以兩側(cè)沿巷幫區(qū)域氧濃度較大，使遺煤氧化反應加劇，產(chǎn)生的熱量向采空區(qū)中深部傳遞，而采空區(qū)深部冒落煤巖比較致密，煤巖氧化產(chǎn)生的熱量容易積聚，更加容易導致采空區(qū)自燃；均壓后，氧化帶分布正常，高氧濃度區(qū)域主要集中在工作面的進風段，該區(qū)域孔隙率大、漏風大，不會造成熱量積聚，隨著采空區(qū)深度的增加，氧濃度逐漸降低，減小了采空區(qū)自燃的危險。

從圖3(e)、(f)可以看出：均壓前，高溫區(qū)域靠近保護煤柱附近，沿兩側(cè)巷幫區(qū)域狹長分布，采空區(qū)自然發(fā)火治理難度很大；均壓后，采空區(qū)高溫區(qū)域靠近工作面附近，相對比較集中，且靠近進風側(cè)，這與現(xiàn)場采空區(qū)自燃火災多發(fā)生在進風側(cè)相符合。高溫區(qū)是以中心坐標(75 m，50 m)為原點、半徑為25 m的圓形區(qū)域，位于工作面附近，冒落煤巖處于自由堆積狀態(tài)，孔隙大、漏風大，遺煤氧化生成的熱量不易積聚，降低了采空區(qū)自然發(fā)火的危險。

綜上可知，均壓通風系統(tǒng)對減少工作面漏風，降低采空區(qū)自然發(fā)火危險有良好的效果。

3 均壓方案及堵漏效果驗證

3.1 均壓防滅火具體方案

為防止6122工作面漏風引起采空區(qū)遺煤自燃，保證6122工作面回采期間的通風安全，需建立均壓通風系統(tǒng)。在6122材料巷及運輸巷各砌筑三道調(diào)壓風門墻，風門墻均采用磚進行砌筑且用水泥全部抹面。在6122材料巷安裝兩臺55 kW×2調(diào)壓通風機，通風機通過6122材料巷內(nèi)U型棚上進行吊掛安裝。利用回風側(cè)均壓風門的調(diào)節(jié)風窗進行均壓區(qū)域內(nèi)的風量調(diào)節(jié)。均壓通風系統(tǒng)的布置方式如圖4。

圖4 6122工作面均壓通風系統(tǒng)

3.2 堵漏效果驗證

均壓后風量測定結果如圖5所示。

圖5 均壓后6122工作面風量測定結果

由測風結果可知，2015年8月21日測定的工作面進風量為636.48 m3/min，根據(jù)通風報表上2015年8月20日6122工作面進風量為670 m3/min，可以看出這兩個數(shù)據(jù)接近，認為測定的風量可靠性較大；2015年8月27日測定的風量與8月21的基本相同，最大風速也基本相同，說明通風系統(tǒng)比較穩(wěn)定。并且兩次測風的漏風量約為40 m3/min，較均壓前的漏風量小，說明均壓通風系統(tǒng)對減少工作面漏風有良好效果。

4 結論

(1)根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒原理等建立了移動坐標下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學模型，編制了相應的解算軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)采空區(qū)壓力場、氧濃度場、氣體和固體溫度場的數(shù)值模擬。采用數(shù)值模擬方法有力地彌補了采空區(qū)現(xiàn)場試驗的不足，為現(xiàn)場防滅火工作的實施提供了重要的參考依據(jù)。

(2)通過數(shù)值模擬對比分析均壓前后的壓力場、氧濃度場和固體溫度場變化規(guī)律，得出采取均壓通風能有效地改變氧濃度分布，使得高溫區(qū)由兩側(cè)巷幫狹長區(qū)域轉(zhuǎn)移到工作面附近，治理難度降低，且均壓后采空區(qū)溫度較之前顯著降低，減小了采空區(qū)自然發(fā)火危險。均壓前后漏風風量測定結果表明，采取均壓措施可以顯著減小采空區(qū)的漏風量，且效果穩(wěn)定。

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朱紅青,李峰,張悅等.自動均壓防滅火系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計與氣壓分布模擬.煤炭科學技術, 2013(3)

唐明云,戴廣龍,秦汝祥等.綜采工作面采空區(qū)漏風規(guī)律數(shù)值模擬.中南大學學報(自然科學版), 2012(4)

葉正亮.高位鉆孔瓦斯抽放采空區(qū)自燃 “三帶”的數(shù)值模擬.中國煤炭,2012(7)

朱建芳,蔡衛(wèi),秦躍平.基于移動坐標的采空區(qū)自然發(fā)火模型研究.煤炭學報,2009(8)

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李憲人.有限體積法基礎.北京:國防工業(yè)出版社,2008

(責任編輯 張艷華)

Numerical simulation research on spontaneous fire at gob before and after pressure balance

Guo Dandan, Liu Wei, Wang Wenqiang, He Chao

(College of Resource and Safety Engineering, China University of Mining & Technology,

Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to simulate the condition of spontaneous fire at gob before and after pressure balance, Theoretical analysis helped establish mathematical field model of airflow, oxygen concentration, gas and temperature of caving coal at gob based on moving coordinates, solving coupling equation with finite volume method. The result showed that pressure balance could effectively reduce air leakage at gob and artificially form three spontaneous fire zones, which gathered high temperature area from the long and narrow roadsides to where near working faces, mitigating the potential of spontaneous fire at gob. In addition, the performance of pressure balance was verified by measuring the quantity of airflow through working face.

gob, spontaneous fire, pressure balance, numerical simulation, air leakage, three spontaneous fire zones

國家自然科學基金資助項目(51604277, 51574249, 51174211)

TD75

A

郭丹丹(1992-)，女，山東臨沂人，中國礦業(yè)大學(北京)碩士研究生，現(xiàn)從事安全技術及工程方面的研究。