王月紅，吳 怡，張九零

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

瓦斯災(zāi)害是我國最重要的煤礦災(zāi)害之一，雖然治理瓦斯的方法有很多種，但均存在一定的缺陷，導(dǎo)致抽采瓦斯效果不好[1]。因此，應(yīng)通過提高抽采工藝參數(shù)來增大煤層的瓦斯抽采量，其中抽采負(fù)壓是影響抽采效果的最重要因素之一。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于抽采負(fù)壓對瓦斯抽采效果的研究成果很多[2-6]張志榮[7]根據(jù)現(xiàn)場工藝測得不同負(fù)壓值的瓦斯?jié)舛扰c流量確定合理抽采負(fù)壓范圍。李淑敏[8]觀測了負(fù)壓對塑形變形區(qū)和彈性變形區(qū)的瓦斯抽采量的變化情況。周凱軍[9]采用軟件模擬不同負(fù)壓對瓦斯壓力和抽采率的影響情況。而關(guān)于負(fù)壓對采空區(qū)流場的變化規(guī)律上，李日富[10]運用地面鉆井的瓦斯抽采方式，模擬不同負(fù)壓下采空區(qū)內(nèi)部氣體流場的變化情況，得出高濃度瓦斯區(qū)域在井口附近，而高濃度氧氣區(qū)域向采空區(qū)深部移動。劉佳佳[11]研究了不同負(fù)壓對采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷附近的漏風(fēng)流場情況，得出在回風(fēng)巷側(cè)的漏風(fēng)風(fēng)速影響較大。以上研究均側(cè)重于抽采負(fù)壓對瓦斯抽采效果方面，忽視了對采空區(qū)自燃的影響。本文通過COMSOL模擬軟件研究不同負(fù)壓對采空區(qū)漏風(fēng)流場、氧濃度場、溫度場的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析抽采負(fù)壓對采空區(qū)遺煤自燃的影響規(guī)律。

1 工作面概況

呂家坨礦5877Y工作面所在7煤層走向長度370m，傾斜長度100m，煤層厚度2.75～4.2m，平均厚度3.72m。工作面瓦斯和二氧化碳的相對涌出量分別為1.23m3/t和1.85m3/t，工作面供風(fēng)量800m3/min，巷道實測風(fēng)速2.5m/s。該煤層為穩(wěn)定厚煤層，具有自燃的傾向性，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2 模型的建立

2.1 物理模型

結(jié)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(jìn)回風(fēng)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 工作面物理模型(m)

2.2 數(shù)學(xué)模型

1)氧濃度場。在采空區(qū)內(nèi)部中含有多組分氣體和各種形式氣體的運動，風(fēng)流為采空區(qū)松散煤體提供氧氣條件，在煤體中造成吸附面，且采空區(qū)遺煤氧化消耗大量氧氣，影響了采空區(qū)氧氣濃度的分布情況。因此采空區(qū)模擬研究中選取COMSOL軟件“稀物質(zhì)傳遞”物理場，相對應(yīng)的控制方程見式(1)。

式中，c為氧氣濃度，mol/m3；D為氧氣擴(kuò)散系數(shù)，通常取2.8810-5m2/s；u為速度矢量，m/s；R為通用氣體常數(shù)。

2)流場。采空區(qū)內(nèi)的新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷滲入后，經(jīng)過風(fēng)流風(fēng)壓與阻力的共同影響，在采空區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生滲流作用。由于在采空區(qū)中煤之間的滲流由巷道和滲流邊界處的風(fēng)流提供，模擬時還應(yīng)考慮采空區(qū)、工作面以及巷道邊界區(qū)域。而采空區(qū)內(nèi)的氣體流動符合COMSOL軟件中的κ-ε模塊，控制方程見式(2)。

式中，ρ為密度，kg/m3；ε為湍動耗散率；k為湍動能，J；μt為湍動粘度，N·s/m2；μ為動力粘度，N·s/m2；ui為時均速度，m/s；σk為湍動能k對于的Prandtl數(shù)；σε為湍動耗散率ε對于的Prandtl數(shù)；Gb為浮力造成的產(chǎn)生項；Gk為由平均速度梯度造成的湍流動能κ的產(chǎn)生項；Ym為湍流中脈動擴(kuò)張產(chǎn)生的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε分別為經(jīng)驗常數(shù)。

3)溫度場。采空區(qū)中流體的整體運動和空氣分子的不規(guī)則運動造成熱量不斷傳輸，而遺煤自燃氧化升溫釋放大量熱量。由于采空區(qū)內(nèi)氣體的復(fù)雜性和流動性，將采空區(qū)整體看作連續(xù)的多孔介質(zhì)，只把流動和傳質(zhì)問題考慮在內(nèi)。因此采空區(qū)模擬研究中選取COMSOL軟件“多孔介質(zhì)傳熱”物理場，相對應(yīng)的控制方程見式(3)。

式中，Cp為比熱容，J/(kg·K)；ρ為密度，kg/m3；T為溫度，K；v為流體流速，m/s；q為煤體氧化升溫后的放熱強(qiáng)度，kJ/(m3·s)；Q為總熱源，kJ/(m3·s)。

2.3 邊界條件的設(shè)置

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

2)工作面的入口風(fēng)量是按照800m3/min進(jìn)行計算，進(jìn)風(fēng)巷采用速度進(jìn)口邊界，為1.7778m/s，而回風(fēng)巷則為自由風(fēng)流出口，采空區(qū)與工作面的邊界為內(nèi)部邊界。

3)對于煤的耗氧速率、放熱強(qiáng)度和實際氧氣擴(kuò)散系數(shù)、新鮮風(fēng)流氧氣消耗速率和新鮮風(fēng)流放熱強(qiáng)度都是根據(jù)經(jīng)驗公式和參考文獻(xiàn)[12，13]進(jìn)行用戶自定義設(shè)置的。

2.4 模擬過程

運用COMSOL軟件建立采空區(qū)埋管抽放瓦斯的物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義物理模型的邊界條件。設(shè)置采空區(qū)的基礎(chǔ)參數(shù)和材料，建立多物理場。采用該軟件解算器先穩(wěn)態(tài)再瞬態(tài)求解，最后通過后處理對計算結(jié)果進(jìn)行完善。

3 模擬結(jié)果分析

通過COMSOL軟件模擬不同負(fù)壓條件下采空區(qū)溫度場、氧濃度場和流場分布的影響。

3.1 溫度場

抽放前溫度場變化如圖1所示，根據(jù)抽放前的溫度分布圖可知：工作面存在大量漏風(fēng)，為采空區(qū)的遺煤提供充足的氧氣，使煤與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放熱量。由于采空區(qū)淺部靠近工作面，產(chǎn)生的熱量隨著漏風(fēng)流被帶出采空區(qū)，不易出現(xiàn)積聚熱量的現(xiàn)象；在采空區(qū)中部時，漏風(fēng)流為煤氧化提供氧氣，但漏風(fēng)流又不足以將產(chǎn)生的熱量帶出采空區(qū)，造成該區(qū)域熱量積聚溫度升高；在采空區(qū)深部時，幾乎沒有漏風(fēng)流，氧氣濃度極低不足夠支撐煤的氧化反應(yīng)需求，產(chǎn)生的熱量很少。由分布圖還可看出，進(jìn)風(fēng)巷附近高溫區(qū)域大而回風(fēng)巷高溫區(qū)域小，由于進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入風(fēng)流后與煤充分反應(yīng)，到回風(fēng)巷時風(fēng)流減弱，高溫區(qū)域變小。

圖2 抽放前溫度場變化圖

當(dāng)加設(shè)不同抽采負(fù)壓時，由于回風(fēng)巷漏風(fēng)流的作用，采空區(qū)中散落的遺煤吸附氧氣釋放大量熱量，造成不同負(fù)壓條件下熱量積聚形成的溫度場發(fā)生了變化，且最高溫度點發(fā)生位移，如圖3所示。隨著負(fù)壓的增大，高溫區(qū)域不斷向回風(fēng)巷部擴(kuò)散，且負(fù)壓越大擴(kuò)散速率越明顯。最高溫度點隨負(fù)壓增大橫坐標(biāo)向回風(fēng)巷部發(fā)生位移明顯，縱坐標(biāo)位移變化較小。

圖3 不同抽采條件下溫度場變化圖

3.2 氧濃度場

在其它參數(shù)條件設(shè)置相同的情況下，僅改變抽放參數(shù)，通過對比模擬結(jié)果，得出不同抽放條件下對采空區(qū)氧濃度影響規(guī)律。通過軟件模擬得到采空區(qū)氧濃度分布立體圖，如圖4所示。由圖4分析可知，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)口處的氧氣濃度和空氣的氧氣含量相同，均為21%，流進(jìn)采空區(qū)內(nèi)部的氧氣經(jīng)過遺煤的消耗，氧濃度沿著采空區(qū)由淺入深逐漸減小，當(dāng)達(dá)到50m處降到極低水平，至更深部氧氣基本不存在。而在工作面后部40m范圍內(nèi)，雖然存在遺煤消耗氧氣，但該區(qū)域漏風(fēng)量較大為遺煤氧化提供充足的氧氣環(huán)境[14]。

圖4 抽采前采空區(qū)氧濃度場分布圖

當(dāng)設(shè)置不同抽采負(fù)壓條件后，模擬得到采空區(qū)氧濃度場分布圖，如圖5所示。在采空區(qū)自燃“三帶”劃分方面，自燃帶的范圍是影響采空區(qū)遺煤自燃的最關(guān)鍵的因素之一[15]。從圖中可明顯看出，隨著負(fù)壓的增大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷部自燃帶寬度逐漸變寬，而回風(fēng)巷部自燃帶寬度呈先增大后減小的趨勢，且負(fù)壓值越大變化越明顯。

圖5 不同負(fù)壓條件下采空區(qū)氧濃度場分布圖

3.3 流場

由于工作面、巷道和采空區(qū)的漏風(fēng)流速相差很大，因此通過COMSOL軟件作出Y-Z軸的切面圖和抽放前流場分布云圖，如圖6所示。分析圖6可知，工作面以及巷道的風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空區(qū)內(nèi)部，最大風(fēng)速達(dá)到3.5m/s。在加設(shè)不同負(fù)壓之前，漏風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入，經(jīng)過采空區(qū)后匯集在回風(fēng)巷一端并排出采空區(qū)，且漏風(fēng)流速很均勻。

圖6 抽放前采空區(qū)流場分布圖

當(dāng)設(shè)置不同抽采負(fù)壓時，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流受到直接影響，漏風(fēng)速度發(fā)生變化，模擬的不同抽放條件下的流場分布云圖如圖7所示。由于受到埋入在回風(fēng)巷一端束管的負(fù)壓影響，采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)流從最初的涌向回風(fēng)巷變?yōu)橛肯蚵窆芸谝欢?。雖然埋管可有效的解決上隅角瓦斯超限問題，但增大負(fù)壓時，采空區(qū)邊界漏風(fēng)嚴(yán)重，易引起遺煤自燃。

圖7 不同負(fù)壓條件下采空區(qū)流場分布圖

4 現(xiàn)場驗證

為了驗證模擬的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場測試研究以開灤集團(tuán)呂家坨礦5877Y“U”型通風(fēng)工作面為背景，井下試驗主要以束管監(jiān)測為主，通過在采空區(qū)合理布置束管，定期用球膽抽檢氣體進(jìn)行氣相色譜分析，以了解采空區(qū)內(nèi)部不同位置O2濃度的變化情況。

圖8 5877Y工作面監(jiān)測布置示意圖

選取與模擬同樣工作面參數(shù)、風(fēng)量以及推進(jìn)速度，采用束管監(jiān)測方法對采空區(qū)中多種氣體指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測布置示意圖如圖8所示。沿著進(jìn)、回風(fēng)巷上、下隅角方向分別鋪設(shè)4路束管，束管必須懸掛敷設(shè)，且束管末端要加裝長度為70～100m、直徑為20mm的鋼制套管，以防束管被砸斷。監(jiān)測點1、2在上隅角位置，監(jiān)測點3、4在下隅角位置，分別相距25m。隨著回采的進(jìn)行，記錄隨著工作面推進(jìn)氧氣濃度的變化數(shù)據(jù)。

將束管實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，如圖9所示。在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，氧濃度下降急劇，到后期下降平緩。由于回風(fēng)巷一側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重，因此開采初期出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，到后期趨于穩(wěn)定平緩下降。由圖可看出實測氧濃度與模擬結(jié)果比較吻合，驗證了模擬的準(zhǔn)確性。

圖9 進(jìn)風(fēng)巷側(cè)和回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬對比

5 結(jié) 論

1)根據(jù)采空區(qū)氣體流場模擬結(jié)果，巷道和工作面的風(fēng)流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空區(qū)。埋管負(fù)壓抽采后，漏風(fēng)流的流出端由回風(fēng)巷部轉(zhuǎn)移到埋管口一端，且負(fù)壓越大流線越密集。

2)通過對比分析抽采前與抽采后的溫度場變化規(guī)律，采空區(qū)的高溫區(qū)域由進(jìn)風(fēng)巷部逐漸向回風(fēng)巷擴(kuò)散且最高溫度點的橫坐標(biāo)逐漸向回風(fēng)巷部發(fā)生位移，而縱坐標(biāo)則變化較小。

3)將現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析，得到氧濃度與現(xiàn)場的變化趨勢大體相同。隨著抽采負(fù)壓的增大，進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)的自燃帶寬度變寬而回風(fēng)巷一側(cè)的自燃寬度呈先變大后減小的趨勢變化。