張 嬌，王智懿

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 前 言

采空區(qū)煤自燃發(fā)火是礦山重大災(zāi)害之一[1]，且煤礦大部分火災(zāi)的產(chǎn)生都是由于煤自燃所導(dǎo)致，采空區(qū)自燃往往會(huì)產(chǎn)生有害氣體(CO)，煤礦采空區(qū)一般密封不好，就會(huì)漏風(fēng)，回采工作面進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流入采空區(qū)，將采空區(qū)煤自燃產(chǎn)生的有害氣體從回風(fēng)巷帶出，這將威脅到井下作業(yè)人員的生命安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)煤自燃?xì)怏w蔓延進(jìn)行了相關(guān)的研究，李宗翔等[2]采用Bachmat方程對(duì)采空區(qū)煤自燃?xì)怏w鉆孔導(dǎo)流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，關(guān)萬(wàn)里[3]對(duì)神東礦區(qū)的采空區(qū)煤自然規(guī)律進(jìn)行了研究，劉偉等[4]對(duì)Y型通風(fēng)下采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)行了模擬研究，馬步才[5]對(duì)采空區(qū)煤自燃CO超限防治進(jìn)行了研究。但很少有學(xué)者對(duì)Y型通風(fēng)下采空區(qū)煤自燃CO蔓延規(guī)律進(jìn)行研究，本文采用PyroSim火災(zāi)仿真模擬軟件，構(gòu)建采空區(qū)煤自燃仿真模型，在不同工況下對(duì)采空區(qū)煤自燃蔓延規(guī)律進(jìn)行仿真模擬研究，以探明Y型通風(fēng)下采空區(qū)煤自燃CO蔓延規(guī)律，對(duì)于采空區(qū)CO鉆孔導(dǎo)流及人員的生命安全具有重要的意義。

1 仿真軟件介紹與控制方程

1.1 PyroSim介紹

PyroSim是專門用于火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬的軟件，它可以數(shù)值計(jì)算出溫度、煙霧、CO等多種物質(zhì)在火災(zāi)中的變化、運(yùn)動(dòng)規(guī)律[6]。它可以模擬同一個(gè)模型在不同工況下的火災(zāi)仿真結(jié)果，可為各種條件下的火災(zāi)研究及預(yù)測(cè)提供可能，故本文采用該火災(zāi)仿真軟件進(jìn)行建模仿真。

1.2 控制方程

PyroSim的數(shù)值計(jì)算是采用適合于低速流動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)的Navier-Stokes方程，采用大渦流流體力學(xué)模型處理紊態(tài)流動(dòng)；其中流體的能量、動(dòng)量和質(zhì)量控制偏微分方程如下[7]。

能量守恒：

(1)

動(dòng)量守恒：

(2)

質(zhì)量守恒：

(3)

式中：ρ為氣體的密度，g為重力加速度，u為速度矢量，τij為牛頓流體粘性應(yīng)力張量，f為外部矢量，p為壓力，h為顯焓，q"為熱通量矢量，q?為單位體積的熱釋放速率，Φ為耗散函數(shù)。

2 模型構(gòu)建

2.1 采空區(qū)自燃模型

采空區(qū)為回采工作面采完后留下的封閉區(qū)域，Y型通風(fēng)下采空區(qū)的氣體流動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。在此，建立一個(gè)規(guī)格為200 m×100 m×3 m的采空區(qū)，在采空區(qū)回采工作面進(jìn)風(fēng)巷頂端設(shè)置一個(gè)2 m×2 m的進(jìn)風(fēng)口，在Y型通風(fēng)采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)面均勻設(shè)置19個(gè)1 m×1 m的出風(fēng)口，用以研究巷道通風(fēng)對(duì)采空區(qū)煤自燃CO蔓延的影響，由于該模型體積龐大，考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，模型中每個(gè)網(wǎng)格的大小設(shè)置為1 m×1 m×1 m，共60 000單元個(gè)網(wǎng)格。

圖1 Y型通風(fēng)下采空區(qū)氣體流動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.2 邊界條件及火源設(shè)置

為研究不同工況下采空區(qū)煤自燃CO的蔓延情況，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分別為2，4，6 m/s，和兩處不同位置的火源，其中一處在采空區(qū)中間部位，另一處在靠近回采工作面一側(cè)，共6種工況；為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤自燃采空區(qū)內(nèi)CO、溫度的蔓延規(guī)律，故在Z=2.9 m處分別設(shè)置CO濃度切片和溫度切片；煤自燃發(fā)火是由慢到快的一種發(fā)火方式，其屬于t2型火，火源最大熱釋放功率為1 055 kW[8]，采空區(qū)環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，模擬時(shí)間設(shè)置為1 000 s。

2.3 火源熱釋放規(guī)律

采空區(qū)煤自燃發(fā)火屬于t2火，該火的發(fā)生規(guī)律符合公式4[9]：

Q=a·t2

(4)

式中：Q為火源的熱釋放速率；a為火災(zāi)發(fā)展系數(shù)；t為時(shí)間。

t2火具有4種類型：超快速、快速、中速和慢速，4種類型的火災(zāi)增長(zhǎng)速度對(duì)應(yīng)的火災(zāi)發(fā)展系數(shù)分別為：0.187 8、0.046 89、0.011 27、0.002 931，煤自然發(fā)火增長(zhǎng)速度緩慢，其火災(zāi)的發(fā)展速度屬于慢速；故其系數(shù)a為0.002 931，在這種情況下，煤自燃發(fā)火火源熱釋放功率達(dá)到1 055 kW則需要600 s，煤自然發(fā)火的火源熱釋放規(guī)律如圖2所示。

圖2 火源熱釋放規(guī)律曲線

3 煤自燃發(fā)火規(guī)律

在PyriSim軟件中建立a、b、c、d、e、f 6種工況的采空區(qū)煤自燃發(fā)火模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬，工況a風(fēng)速為2 m/s、火源在采空區(qū)中間部位，工況b風(fēng)速為2 m/s、火源在采空區(qū)左側(cè)部位，工況c風(fēng)速為4 m/s、火源在采空區(qū)中間部位，工況d風(fēng)速為4 m/s、火源在采空區(qū)左側(cè)部位，工況e風(fēng)速為6 m/s、火源在采空區(qū)中間部位，工況f風(fēng)速為6 m/s、火源在采空區(qū)左側(cè)部位，對(duì)6種工況下采空區(qū)煤自然發(fā)火溫度、CO的蔓延規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

3.1 溫度分布規(guī)律

火源熱釋放功率為1 055 kW，600 s火源熱釋放達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此，取火源穩(wěn)定狀態(tài)900 s時(shí)的溫度分布圖進(jìn)行比較，如圖3所示，其中(a)(b)(c)(d)(e)(f)分別對(duì)應(yīng)著工況a、b、c、d、e、f在900 s的瞬時(shí)溫度分布圖；由圖可知，在兩種火源位置下，不同風(fēng)速的采空區(qū)溫度分布都是以相對(duì)圓形的等溫線向外遞減，溫度的分布與回采工作面進(jìn)風(fēng)巷漏進(jìn)的風(fēng)量無(wú)關(guān)；由此，故可以得出采空區(qū)煤自燃發(fā)火溫度的分布與采空區(qū)的風(fēng)速及火源位置關(guān)系不大。

3.2 CO分布規(guī)律

取火源穩(wěn)定狀態(tài)900 s時(shí)的CO分布圖進(jìn)行比較，如圖4所示，其中(a)(b)(c)(d)(e)(f)分別對(duì)應(yīng)著工況a、b、c、d、e、f在900 s的瞬時(shí)CO分布圖；由圖可知，當(dāng)火源位于采空區(qū)中間部位時(shí)，不同風(fēng)速下CO會(huì)向回風(fēng)巷蔓延，但隨著風(fēng)速的增加CO有向回采工作面蔓延的趨勢(shì)，此時(shí)若進(jìn)風(fēng)巷漏進(jìn)采空區(qū)的風(fēng)量不大，采空區(qū)煤自燃發(fā)火產(chǎn)生的CO都會(huì)進(jìn)入回風(fēng)巷被帶走，不會(huì)對(duì)工作面人員造成影響，若漏進(jìn)的風(fēng)量過(guò)大，則需要采取措施加以控制；當(dāng)火源位于采空區(qū)左側(cè)部位時(shí)，不同風(fēng)速下CO會(huì)向回采工作面蔓延，且隨著風(fēng)速的增加CO向回采工作面蔓延越嚴(yán)重，這將對(duì)工作面作業(yè)人員的生命安全造成威脅，需要采取措施減少漏風(fēng)，或采取CO鉆孔導(dǎo)流，將鉆孔鉆在靠近回采工作面一側(cè)最有利于CO的導(dǎo)流。

圖3 不同工況下900 s采空區(qū)溫度分布圖

圖4 不同工況下900 s采空區(qū)CO分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)設(shè)置6種工況對(duì)Y型通風(fēng)下采空區(qū)煤自燃發(fā)火時(shí)溫度、CO的蔓延、分布情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比研究。發(fā)現(xiàn)采空區(qū)煤自燃發(fā)火時(shí)溫度的分布與火源位置及風(fēng)速的關(guān)系不大，都是以近似于圓形的等溫線向外擴(kuò)散；當(dāng)火源位于采空區(qū)中間時(shí)，CO向回風(fēng)巷蔓延，但風(fēng)速越大CO越有向工作面蔓延的趨勢(shì)；火源位于采空區(qū)左側(cè)時(shí)，CO向回采工作面?zhèn)嚷樱L(fēng)速越大CO蔓延越嚴(yán)重；故改善采空區(qū)的密封性對(duì)于井下作業(yè)人員的安全具有重要作用；當(dāng)不清楚采空區(qū)煤自燃發(fā)火火源的具體位置時(shí)，若需要對(duì)CO進(jìn)行鉆孔導(dǎo)流，則鉆孔的位置最好靠近回采工作面一側(cè)，這將最有利于CO的導(dǎo)流。