王月紅，吳 怡，張九零

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210)

瓦斯作為煤礦安全的重大危險源，嚴重制約著煤礦安全有序生產[1]。通過埋管抽采方法降低瓦斯?jié)舛仁怯行Х乐姑号c瓦斯災害發(fā)生的重要途徑之一。其中，埋管的半徑和長度是影響瓦斯抽采效果的主要參數(shù)，因此確定合理的抽采參數(shù)對提高瓦斯抽采效率具有重要的意義。

目前，瓦斯抽采參數(shù)對采空區(qū)自燃特性的影響研究成果很多。盧國斌[2]等采用數(shù)值模擬與理論相結合的方法確定不同抽放口位置對采空區(qū)自燃“三帶”和瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r；溫良秀[3]等研究不同鉆孔的位置對采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律影響；周西華[4]運用軟件模擬不同抽采量、不同抽采口位置對采空區(qū)氧化升溫帶的影響規(guī)律。以上研究均為抽采參數(shù)對采空區(qū)氧氣濃度變化的影響，對于影響流場的研究很少。因此，本文以開灤集團呂家坨煤礦5877Y工作面為研究對象，采用COMSOL軟件模擬不同埋管抽采參數(shù)對采空區(qū)流場和氧濃度場的影響規(guī)律，確定合理埋管抽采參數(shù)。

1 數(shù)值模擬參數(shù)設置

1.1 物理模型的建立

結合現(xiàn)場工作面的基本情況，采空區(qū)的長、寬、高為100m×150m×15m，進回風巷的長、寬、高為25m×5m×3m，工作面的長、寬、高為100m×5m×3m。根據(jù)上述參數(shù)建立工作面的物理模型如圖1所示。

圖1 采空區(qū)埋管抽放物理模型

1.2 關鍵參數(shù)的設定

(1)耗氧速率

(1)

式中，c為氧氣濃度，mol/m3；r0為煤體耗氧速率待定系數(shù)；c0為新鮮風流氧氣濃度，取值為9.375mol/m3；ε為采空區(qū)內松散煤體的孔隙率；b0取值為0.023℃-1；T為采空區(qū)內部多孔介質實際溫度。

(2)熱源項

(2)

(3)孔隙率

采空區(qū)孔隙率ε可由經驗公式(3)獲得。

(3)

(4)滲透率

根據(jù)Blake-Kozeny方程[5]建立滲透率關于孔隙率的方程，如公式4所示。

(4)

式中，K為采空區(qū)滲透率，m2;DP為平均粒子直徑，m；ε為多孔介質孔隙率。

(5)在數(shù)值模擬過程中用到一些關鍵參數(shù)，如表1所示。

表1 關鍵參數(shù)

1.3 邊界條件的設定

(1)進、回風巷以及工作面的溫度為常溫，取273K。而工作面提供的新鮮風流中的氧濃度為21%。

(2)工作面的入口風量按照800m3/min進行計算，進風巷采用速度進口邊界，為1.7778m/s，而回風巷為自由風流出口，采空區(qū)與工作面的邊界為內部邊界。

2 埋管長度對采空區(qū)自燃特性影響

在固定工作面通風量，保證采空區(qū)基本參數(shù)不變的前提下，通過改變埋管長度，模擬埋管長度分別為10m，30m，50m和70m時的采空區(qū)漏風流場和氧濃度場，如圖2，3所示。

圖2 不同埋管長度條件下流場

圖3 不同埋管長度條件下氧濃度場

2.1 流場模擬結果分析

由圖2中的漏風流場分布云圖和流線圖可以發(fā)現(xiàn)，相對于進風巷一側靠近回風巷區(qū)域的速度變化梯度較大。由于在回風巷處布置一條抽放管路，隨著回采進行埋入采空區(qū)中抽放瓦斯，埋管口一端的漏風量相比于其他位置較大。并且受到抽采負壓的作用，采空區(qū)中的瓦斯經抽采管路排出，導致在采空區(qū)回風巷附近形成漏風匯。

隨著埋管長度的增加，采空區(qū)漏風流向采空區(qū)深部，并逐漸影響附近區(qū)域的風流速度，最大風流速度達到6×10-4m/s。當埋管長度為10m時，瓦斯抽采效果不佳，只將靠近工作面區(qū)域的瓦斯排出而中深部仍遺留大量瓦斯，即埋管長度過短；當埋管長度為50m時，導致靠近工作面區(qū)域的瓦斯不易排出，易造成工作面上隅角瓦斯超限；當埋管長度為70m時，將采空區(qū)中深部存留的瓦斯排出但靠近工作面區(qū)域的瓦斯依然存在，即埋管長度過長；當埋管長度為30m時，采空區(qū)中的瓦斯大量排出并控制采空區(qū)漏風量。

2.2 氧濃度場模擬結果分析

圖3為不同埋管長度條件下采空區(qū)氧濃度分布。由圖可知，隨著埋管長度的增加，靠近工作面的O2濃度變高，且自燃帶向采空區(qū)深部方向移動3m，變化不明顯。

2.3 埋管長度優(yōu)化分析

隨著工作面開采的進行，由于壓力的作用，頂板發(fā)生垮落，導致采空區(qū)漏風嚴重，易造成采空區(qū)遺煤自燃[6]。埋管長度的增加，對瓦斯抽采區(qū)域造成影響，風流速度梯度逐漸增大。當埋管長度為30m時，氧濃度變化不明顯，但采空區(qū)中的瓦斯大量排出且漏風量不高，因此合理的埋管長度為30m。埋管參數(shù)的確定，對于提高瓦斯抽采率和預防采空區(qū)火災具有重要的意義。

3 埋管半徑對采空區(qū)自燃規(guī)律影響

在其他基本參數(shù)確定相同的情況下，模擬埋管半徑分別為100mm，120mm，140mm，160mm條件下的采空區(qū)漏風流場和氧濃度場，如圖4，5所示。

3.1 流場模擬結果分析

圖4 不同埋管半徑條件下流場

圖5 不同埋管半徑條件下氧濃度場圖

由圖4中的流場云圖和流線圖可知，由于回風巷一側頂板垮落且風阻較小，采空區(qū)回風巷一側漏風流速大于采空區(qū)進風巷一側。在埋管抽采瓦斯時，抽放口漏風嚴重，采空區(qū)內的風流順著煤的間隙進入采空區(qū)深部，造成采空區(qū)內風流速度整體變大，且越深入采空區(qū)內部風流速度越小，增大了采空區(qū)煤自燃的危險性[7]。

隨著埋管口半徑的增大，埋管口漏風速度明顯變大，嚴重威脅到煤礦的安全生產，因此很有必要找到合理的埋管口半徑。當埋管口半徑為100mm時，最大風流速度為1.3×10-4m/s，雖然漏風量較小但瓦斯抽采率較低；當埋管口半徑為140mm時，最大風流速度為2.5×10-4m/s，漏風速度較大；當埋管口半徑為160mm時，雖然瓦斯抽采率增大但漏風速度急劇增大為3.5×10-4m/s，易引起采空區(qū)遺煤自燃。而當埋管口半徑為120mm時，風流速度最大為2×10-4m/s，可將采空區(qū)內的瓦斯安全排出。

3.2 氧濃度場模擬結果分析

圖5為不同埋管半徑條件下采空區(qū)氧濃度場分布圖，按照氧氣濃度8%～18%的標準[8]劃分采空區(qū)自燃帶寬度。從模擬結果中提取數(shù)據(jù)可知，當埋管半徑為100mm時，在采空區(qū)深部12m進入自燃帶，在采空區(qū)深部25m時進入窒息帶，自燃帶寬度為13m；當埋管半徑為120mm時，在采空區(qū)深部24m進入自燃帶，在采空區(qū)深部44m時進入窒息帶，自燃帶寬度為20m；當埋管半徑為140mm時，在采空區(qū)深部32m進入自燃帶，在采空區(qū)深部56m時進入窒息帶，自燃帶寬度為24m；當埋管半徑為160mm時，在采空區(qū)深部40m進入自燃帶，在采空區(qū)深部67m時進入窒息帶，自燃帶寬度為27m。

由于依據(jù)氧濃度劃分的自燃帶范圍等同于采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域的范圍[9]，隨著埋管半徑的增加，采空區(qū)自燃帶寬度不斷增加且向采空區(qū)深部位移，該工作面的自燃危險區(qū)域也逐漸增大。當埋管半徑為120mm時，采空區(qū)自燃帶寬度適中，并將工作面推進速度控制較低時，可降低采空區(qū)自然發(fā)火的可能性。

3.3 埋管長度優(yōu)化分析

根據(jù)上述分析表明，當埋管半徑為120mm時，采空區(qū)漏風強度和“自燃帶”寬度適中，因此綜合考慮瓦斯與采空區(qū)自燃雙重災害得到合理的埋管口半徑為120mm。為了減少采空區(qū)漏風，應滿足工作面安全生產的情況下減少供風量，并選擇合理的抽采參數(shù)。尤其在工作面收作時期，因為工作面的推進速度慢，導致遺煤氧化反應時間過長，易引起采空區(qū)遺煤自燃。

4 結 論

(1)隨著埋管長度的增加，采空區(qū)漏風流匯集端向采空區(qū)深部移動，并逐漸影響附近區(qū)域的風流速度；靠近工作面區(qū)域的氧氣濃度變高，“自燃帶”寬度變化較小。

(2)隨著埋管半徑的增大，采空區(qū)漏風流速不斷增加，且回風巷一側漏風流速遠大于進風巷一側；采空區(qū)“自燃帶”變寬并向深部位移明顯。

(3)綜合考慮瓦斯和采空區(qū)自燃雙重災害，得到最合理的埋管長度為30m，埋管半徑為120mm。合理參數(shù)的確定對采空區(qū)災害防治具有重要意義。