侯玉亭，曹升玲，董祥武

（兗礦集團(tuán)南屯煤礦，山東 鄒城 273515）

1 緒論

采空區(qū)瓦斯抽放是解決上隅角瓦斯超限的常規(guī)做法，但采空區(qū)瓦斯抽放易引起采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)流場(chǎng)紊亂，增加采空區(qū)的漏風(fēng)，導(dǎo)致氧氣濃度分布異常從而提升自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。為此，一些學(xué)者開(kāi)展了瓦斯抽放條件下采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律的研究。趙聰利用相似模擬技術(shù)研究了工作面瓦斯抽采條件下采空區(qū)內(nèi)部自然發(fā)火規(guī)律特征[1]，但實(shí)驗(yàn)分析成本高，難以系統(tǒng)全面的對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。劉振清[2]等一些學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了瓦斯與火災(zāi)綜合防治技術(shù)研究，而由于采空區(qū)環(huán)境復(fù)雜，具有極強(qiáng)的破壞性，直接進(jìn)行觀測(cè)采空區(qū)氣體場(chǎng)分布特征耗時(shí)費(fèi)力。與此不同，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以較好的解決對(duì)采空區(qū)氣體場(chǎng)規(guī)律的研究。李宗翔等利用有限元方法對(duì)采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行了劃分，并對(duì)采空區(qū)自燃發(fā)火的早期過(guò)程，綜放工作面的發(fā)火，綜放面煤柱內(nèi)的漏風(fēng)和耗氧過(guò)程等問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬[3～5]。肖揚(yáng)和朱毅[6,7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，擬合出孔隙率等參數(shù)的分段函數(shù)，建立了采空區(qū)漏風(fēng)松散提空隙分段分布方程，采空區(qū)不同深度的分段滲透系數(shù)方程等自燃發(fā)火預(yù)測(cè)模型。2007年，胡千庭[8]等人通過(guò)FLUENT軟件研究了實(shí)際工作面中的瓦斯分布規(guī)律并做了數(shù)值模擬，取得了一定的成果。2008年，李永存針對(duì)礦井風(fēng)流規(guī)律，運(yùn)用多種理論分析，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上論證了軟件模擬的正確性。

在本文中，將采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境模擬為簡(jiǎn)化之后的幾何模型，以有限體積法為基本思想，將采空區(qū)劃分為有限個(gè)獨(dú)立的體積單位，以每個(gè)體積單元中的很小的體積元作為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)所被賦予的物理參數(shù)是該體積單元的平均值，借助計(jì)算機(jī)按照采空區(qū)控制方程組進(jìn)行結(jié)算，加以邊界條件的設(shè)定，

2 抽采條件下采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型

前述將采空區(qū)環(huán)境假設(shè)為多孔介質(zhì)的基本條件是符合多孔介質(zhì)的特征，即空隙的相互連續(xù)性。任何氣體流動(dòng)都符合連續(xù)性方程，也稱為質(zhì)量守恒方程。采空區(qū)多孔介質(zhì)單相組分流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρ為環(huán)境中氣體的平均密度；xi為空間中某個(gè)質(zhì)點(diǎn)中的i在三維空間上各個(gè)方向的向量；t為時(shí)間；ui為在質(zhì)點(diǎn)向量三個(gè)方向上的速度分量；Sm為單位時(shí)間采空區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)量的總變化量。

流動(dòng)遵循動(dòng)量守恒方程

式中：p為單位氣流體積上的平均壓力；xj為空間中某個(gè)質(zhì)點(diǎn)中的j在三維空間上各個(gè)方向的向量；tij為單位氣流體積上所受到的粘性應(yīng)力；gi為i方向上所受的重力；Si為i方向上氣流由于阻力作用造成動(dòng)量損失，一部分為粘性的動(dòng)量損失，

流動(dòng)過(guò)程中氣體中各組分還遵守質(zhì)量守恒方程：

式中：Cs代表單位氣體的平均體積分?jǐn)?shù)，ρ代表單位氣體的平均密度，Ds代表氣體的的擴(kuò)散系數(shù)，Ss代表體積空間由于化學(xué)反應(yīng)生成的質(zhì)量變量的平均值。

反應(yīng)中能量對(duì)氣體組分場(chǎng)具有一定的影響，實(shí)際環(huán)境中遺煤自燃中煤氧緩慢氧化通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成了一定的熱量，在模擬中考慮能量的影響可以更準(zhǔn)確的對(duì)氣體場(chǎng)進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述和計(jì)算，能量方程可表示為：

式中：cp為氣體的比熱；T為空間的熱力學(xué)溫度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；ST為能量源。

3 幾何模型

圖1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

模擬對(duì)象工作面長(zhǎng)度為200m，進(jìn)回風(fēng)巷道高3m，寬4m，采空區(qū)走向長(zhǎng)度取500m，由跨落系數(shù)的分布計(jì)算采空區(qū)影響高度取30m；煤層無(wú)傾角沿走向采用后退式水平開(kāi)采；工作面采用U型通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量為1400m3/min，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%，體積分?jǐn)?shù)為20.7%，在回風(fēng)側(cè)距漏風(fēng)匯30m位置布置采空區(qū)瓦斯抽放管，整個(gè)采空區(qū)瓦斯涌出量約為25m3/min。模擬中取進(jìn)回風(fēng)巷道長(zhǎng)度為30m，采空區(qū)瓦斯抽放管簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為2m的正立方體，幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖所示。劃分網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格尺寸取6m，整個(gè)模型共包含網(wǎng)格41918個(gè)網(wǎng)格單元。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 不同瓦斯抽放條件下的氧氣分布

圖2 工作面配風(fēng)量1400m3/min,無(wú)瓦斯抽放條件下的氧氣分布云圖

圖3 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量140m3/h條件下氧氣分布云圖

圖4 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量280m3/h條件下氧氣分布云圖

圖5 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量420 m3/h條件下氧氣分布云圖

由模擬結(jié)果可以看出，氧氣在巷道中濃度最大，由于采空區(qū)漏風(fēng)有一定量的空氣從漏風(fēng)源進(jìn)入采空區(qū)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較大，風(fēng)壓較強(qiáng)，至采空區(qū)深部約50m的區(qū)域氧氣濃度較大，通過(guò)采空區(qū)跨落后落煤的空隙可以擴(kuò)散到約采空區(qū)深部約100m的位置；距進(jìn)風(fēng)口較近的位置由于采空區(qū)頂板的冒落還未經(jīng)充分的壓實(shí)，為自然堆積區(qū)，該區(qū)域孔隙率較大，滲透率較高，滲流阻力系數(shù)較小，因此該區(qū)域氧氣濃度梯度較小，分布較大；而隨著向采空區(qū)深部的蔓延，從50m到100m范圍采空區(qū)孔隙率呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系大幅下降，濃度梯度逐漸增大；在采空區(qū)中部，由采空區(qū)O型圈理論可知，采空區(qū)中部的孔隙率的壓實(shí)程度高于周圍兩側(cè)，氣體在采空區(qū)運(yùn)移所受阻力較大，采空區(qū)中部較進(jìn)風(fēng)側(cè)減小快；在回風(fēng)側(cè)由于該側(cè)是采空區(qū)漏風(fēng)的匯，故瓦斯多積聚于此處，造成瓦斯?jié)舛雀?，氧氣濃度相?duì)較低。

瓦斯抽放在一定程度上影響了采空區(qū)氣體濃度場(chǎng)的分布。在進(jìn)風(fēng)側(cè)不同抽放條件下對(duì)氧氣濃度的分布影響效果不大，即使進(jìn)入采空區(qū)深部位置，氧氣的擴(kuò)散距離和濃度變化都沒(méi)有太大改變。采空區(qū)中部呈現(xiàn)出明顯的氧氣濃度較小趨勢(shì)的降低變化，隨著瓦斯抽放強(qiáng)度的增加氧氣濃度的梯度在距工作面較近的位置開(kāi)始出現(xiàn)，由圖可以看出：無(wú)瓦斯抽放時(shí)，氧氣濃度開(kāi)始明顯降低點(diǎn)位于約采空區(qū)深部43m的位置，而當(dāng)工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量420m3/h條件下氧氣濃度明顯降低點(diǎn)位于約采空區(qū)距工作面30m的位置，這主要是由于隨著采空區(qū)瓦斯抽放管的流量增大，大量的空氣經(jīng)瓦斯抽放管從采空區(qū)側(cè)面被抽出，氧氣濃度的變化趨勢(shì)在走向上表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；在回風(fēng)側(cè)瓦斯抽放的影響最為明顯，首先在抽放管位置可見(jiàn)明顯的氧氣濃度和氧氣分布范圍的增大，高流量的瓦斯抽放強(qiáng)度在帶走大量瓦斯的同時(shí)，也帶走了進(jìn)入采空區(qū)的大量氧氣，也使工作面更多的空氣流入采空區(qū)。

合理的瓦斯抽放對(duì)防治瓦斯突出，預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃都有重要的布置意義。合理的瓦斯抽放要求盡可能的較多的抽出瓦斯，而降低抽放瓦斯中氧氣的含量。有模擬結(jié)果可知當(dāng)工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量140m3/h條件下進(jìn)行布置時(shí)，可以在對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)沒(méi)有太大影響的情況下進(jìn)行瓦斯抽放。

4.2 不同抽放條件下采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律

采空區(qū)自燃三帶的確定為采空區(qū)煤自燃工作提供了重要的依據(jù)。目前依據(jù)采空區(qū)氧氣濃度來(lái)劃分采空區(qū)自燃三帶，本文以氧氣濃度＞0.15散熱帶，氧氣濃度處于0.05～0.15之間為自燃帶，氧氣濃度小于0.05為窒息帶來(lái)劃分自燃三帶并分析抽放對(duì)自燃三帶的影響。

圖6 工作面配風(fēng)量1400m3/min,無(wú)瓦斯抽放條件下的自燃帶模擬結(jié)果

圖7 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量140 m3/h條件下的自燃帶模擬結(jié)果

圖8 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量280 m3/h條件下的自燃帶模擬結(jié)果

圖9 工作面配風(fēng)量1400m3/min，抽放流量420 m3/h條件下的自燃帶模擬結(jié)果

按氧氣濃度劃分的方法確定的自燃帶范圍較小，就該方法確定的自燃三帶在不同瓦斯抽放條件下的自燃帶變化主要表現(xiàn)在寬度和濃度，以及位置三個(gè)方面。在無(wú)瓦斯抽放條件下，進(jìn)風(fēng)口氧氣濃度較大，風(fēng)壓較大，采空區(qū)內(nèi)部在距工作面位置較近的位置難以形成有利的氧化自燃環(huán)境，因此在圖中表現(xiàn)為在近漏風(fēng)源一側(cè)采空區(qū)深部約80m位置開(kāi)始出現(xiàn)自燃帶，漏風(fēng)經(jīng)采空區(qū)流回漏風(fēng)匯，自燃帶隨氧氣濃度變化向工作面靠近，這種情況的分布在不同條件下的分布基本一致，與瓦斯抽放強(qiáng)度關(guān)系不大，但是隨著瓦斯抽放強(qiáng)度的增加，可以看出在回風(fēng)側(cè)自燃帶的分布轉(zhuǎn)移到瓦斯抽放口的位置，這主要是瓦斯抽放帶走大量瓦斯的同時(shí)，也導(dǎo)致大量氧氣隨漏風(fēng)的流入導(dǎo)致抽放口附近氧氣濃度發(fā)生改變，在瓦斯抽放口易形成遺煤自燃所需的有利環(huán)境，同時(shí)也可以看出隨著瓦斯抽放強(qiáng)度的增加，并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，這說(shuō)明瓦斯抽放對(duì)采空區(qū)自燃的影響范圍并不大主要局限于瓦斯抽放口附近。

5 結(jié) 論

1）隨著瓦斯抽放強(qiáng)度的增大，氧氣在抽放管中的平均濃度所占比例逐漸增大，瓦斯反之，模擬中發(fā)現(xiàn)當(dāng)抽放流量約為140m3/h時(shí)，抽放出的瓦斯量最大，抽放效果較好?；仫L(fēng)側(cè)的毗鄰工作面的采空區(qū)區(qū)域的氧氣含量較小，而進(jìn)風(fēng)側(cè)的毗鄰工作面的采空區(qū)區(qū)域氧氣含量較大，回風(fēng)隅角瓦斯具有聚集的特征。

2）瓦斯抽放可以較大范圍內(nèi)的改變采空區(qū)漏風(fēng)匯一側(cè)氧氣濃度的分布，主要表現(xiàn)為隨著抽放強(qiáng)度的增大，采空區(qū)中部氧氣濃度降低，梯度變化增大，采空區(qū)漏風(fēng)匯一側(cè)抽放口濃度逐漸增大，濃度變化梯度增大，對(duì)漏風(fēng)源一側(cè)影響較小。

3）本文中采用了依據(jù)漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣濃度的兩種方式劃分采空區(qū)“自燃帶”，并對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，兩種劃分范圍雖然有較大的出入，但是不同瓦斯抽放條件對(duì)他們范圍分布的影響是相同的；但也存在一定的差異，具體表現(xiàn)為按氧氣濃度確定的自燃帶寬度窄，濃度梯度大，按風(fēng)速劃分的自燃帶分布寬度較大，速度變化較緩。

4）采空區(qū)自燃帶在傾向上是不對(duì)稱的，在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面較遠(yuǎn)，在回風(fēng)側(cè)距離工作面較近，且在進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度要大于在回風(fēng)側(cè)的寬度。在漏風(fēng)源一側(cè)自燃帶主要分布在距工作面70～100m的采空區(qū)深部，沿傾向漏風(fēng)匯位置距工作面距離逐漸減小。

5）按照風(fēng)速的劃分標(biāo)準(zhǔn)，在瓦斯抽放口位置不易形成自燃帶；隨著瓦斯抽放強(qiáng)度的增大，依風(fēng)速和氧氣濃度劃分的自燃帶都隨抽放強(qiáng)度的增大都有明顯的后移現(xiàn)象，但按風(fēng)速確定的自燃帶后移距離更大。