崔傳發(fā)

(鄭州信息科技職業(yè)學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

采空區(qū)漏風是工作面安全回采的重要隱患之一[1]。采空區(qū)漏風不僅會導致工作面有效風量降低、上隅角瓦斯?jié)舛仍黾?、溫度上升，同時也是引發(fā)采空區(qū)煤自燃的必要條件，嚴重危及井下作業(yè)人員的生命安全[2-3]。設置擋風簾具有成本低、易操作等特點，成為最常見的防治采空區(qū)漏風的方法。王小龍[4]、邢紀偉等[5]針對上隅角瓦斯超限問題，提出通過設置擋風簾來減小工作面漏風，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛取ｊ悂喼襕6]通過現(xiàn)場實測吊掛擋風簾前后的工作面風量和瓦斯體積分數(shù)，發(fā)現(xiàn)掛簾后二者降幅分別為88.5%，76.2%。王云龍等[7]利用有限元法對采空區(qū)進行數(shù)值模擬，得出設置擋風簾可減小采空區(qū)自燃危險區(qū)域的寬度。高建良等[8]研究了擋風簾長度對采空區(qū)瓦斯和自燃“三帶”分布的影響，結(jié)果表明，隨著擋風簾長度增加，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍黾樱煽諈^(qū)進風側(cè)自燃氧化帶逐漸向工作面移動，采空區(qū)中部自燃氧化帶的寬度明顯減小。張學博等[9]研究發(fā)現(xiàn)擋風簾可使“U+L”型通風工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛壬仙?，采煤機附近瓦斯?jié)舛冉档汀?/p>

白龍山煤礦10201工作面漏風嚴重且上隅角瓦斯?jié)舛绕?，本文以該工作面為研究背景，利用Fluent軟件模擬不同擋風簾長度下采空區(qū)流場，分析擋風簾長度對工作面漏風、工作面瓦斯?jié)舛?、采空區(qū)瓦斯分布及自燃氧化帶范圍的影響規(guī)律，從而確定工作面合理擋風簾長度，并對掛簾前后工作面風量及上隅角瓦斯和一氧化碳濃度進行現(xiàn)場考察。

1 采空區(qū)流場數(shù)學模型

1.1 基本假設

模型中流體視為不可壓縮流體；采空區(qū)視為各向同性的多孔介質(zhì)；采空區(qū)氣體流動符合達西定律，擴散運動遵循菲克定律；忽視采空區(qū)溫度和非定常因素對流場的影響。

1.2 采空區(qū)氣體流動控制方程

(1)質(zhì)量守恒方程。當不考慮流體密度的變化時，多孔介質(zhì)滲流場質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：ρ為采空區(qū)氣體密度，kg/m3；vi為i(i=x，y，z)方向滲流場達西速度分量，m/s；Sm為質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。

(2)動量守恒方程。定常流動動量守恒方程在一個慣性參考系(沒有加速度)內(nèi)可表示為

(2)

式中：μ為流體的動力黏度，N·s/m2；p為采空區(qū)內(nèi)靜壓力，Pa；Si為i方向動量源項，N/m3。

(3)組分輸運方程。對于定常流場，采空區(qū)氣體組分輸運方程為

(3)

式中：ωj為組分j的質(zhì)量分數(shù)；Dj為組分j的擴散系數(shù)，m2/s；Fj為組分j的生產(chǎn)率，1/s。

1.3 多孔介質(zhì)模型

在Fluent中，使用以經(jīng)驗假設為主的流動阻力即動量源項來表征多孔介質(zhì)屬性，對于各向同性多孔介質(zhì)，動量源項包括黏性損失項(式(4)中等號右邊第一項)和慣性損失項(式(4)中等號右邊第二項)。

(4)

(5)

(6)

式中：α為滲透性系數(shù)，m2；C為慣性阻力系數(shù)，1/m；v為滲流場達西速度，m/s；dp為介質(zhì)調(diào)和平均粒徑，m；n為孔隙率。

2 采空區(qū)物理模型

2.1 基本假設

在數(shù)值模擬中忽略工作面的采煤機、刮板輸送機等設備，對工作面、采空區(qū)進行以下簡化：忽略礦井周期來壓等特殊情況，只考慮通風、高抽巷抽采及擋風簾對采空區(qū)漏風規(guī)律及自燃“三帶”的影響；在不影響工程精度及基本規(guī)律的前提下，為了建模方便，將采空區(qū)簡化為梯臺體，將進風巷、回風巷、高抽巷空間視為長方體；將液壓支架視為只有慣性損失項的多孔介質(zhì)；假設已進入采空區(qū)部分的高抽巷未發(fā)生坍塌；認為設置擋風簾后，擋風簾部分不存在漏風。

2.2 物理模型

白龍山煤礦10201工作面開采的C7+8號煤層屬于高瓦斯自燃煤層，工作面內(nèi)煤層平均有益厚度為4.65 m，夾矸平均厚度為0.57 m，煤層厚度穩(wěn)定，可采性指數(shù)為1。工作面傾向平均長219.2 m，設計風量1 200 m3/min，在回風巷上方25 m內(nèi)錯30 m位置施工有3 m×3 m高抽巷用于工作面卸壓瓦斯治理，結(jié)合埋管抽采治理上隅角瓦斯，高抽巷抽采流量為48 m3/min，埋管抽采流量為36 m3/min。根據(jù)采煤工作面實際情況，利用SCDM軟件建立回采工作面采空區(qū)物理模型，參數(shù)見表1，并利用ICEM對模型進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

表1 模型參數(shù)

圖1 采空區(qū)物理模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及參數(shù)設置

(1)邊界類型設置。進風巷入口邊界條件為速度入口，風速設為1.33 m/s；回風巷、高抽巷和埋管抽采出口邊界條件為自由出口；工作面與采空區(qū)交界面分為2個部分，設置擋風簾部分為固壁邊界，未設置擋風簾部分為內(nèi)部邊界；其余邊界設為默認固壁邊界。

(2)多孔介質(zhì)參數(shù)設置。根據(jù)采空區(qū)“O”形圈理論[10]，可近似擬合出采空區(qū)垮落碎脹系數(shù)[11]：

KP=KP,min+(KP,max-KP,min)×

exp(-a1l1(1-exp(-ξ1)a0l0))

(7)

式中：KP,min為壓實后的垮落碎脹系數(shù)，取1.15；KP,max為初始垮落碎脹系數(shù)，取1.5；a0，a1分別為距離固壁和工作面的衰減率，分別取0.268，0.036 8；l0，l1分別為采空區(qū)任意點距固壁和工作面邊界的距離，m；ξ1為控制“O”形圈模型分布形態(tài)的調(diào)整數(shù)(應小于1)，取0.233。

采空區(qū)孔隙率為

(8)

(3)源項設置。工作面瓦斯源項主要包括工作面瓦斯涌出和采空區(qū)遺煤瓦斯涌出，分別為14.7，24.9 m3/min。假設工作面和采空區(qū)瓦斯為均勻涌出，采空區(qū)3 m以上巖層無瓦斯涌出和氧氣消耗，瓦斯密度取0.716 7 kg/m3，則工作面瓦斯質(zhì)量源項為3.326×10-5kg/(m3·s)，采空區(qū)瓦斯質(zhì)量源項為2.048×10-6kg/(m3·s)。

在不考慮溫度變化時，氧氣源項即遺煤耗氧速率。

ε=-ρO2λ(c-c0)

(9)

式中：ε為遺煤耗氧速率，kg/(m3·s)；ρO2為氧氣密度，取1.429 kg/m3；λ為與溫度和煤樣有關的實驗常數(shù)，取7.436×10-6s-1；c為氧氣體積分數(shù)；c0為遺煤氧化所需最低氧氣體積分數(shù)，取2%。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工作面風量及瓦斯?jié)舛茸兓?/h3>

擋風簾長度對工作面風量的影響如圖2所示，其中ΔQ為漏風量，“+”代表漏入工作面，“-”代表漏出工作面?？煽闯鲈诠ぷ髅婢噙M風巷0～170 m范圍內(nèi)工作面風量逐漸減小，在170 m至工作面回風口范圍內(nèi)，采空區(qū)向工作面涌出瓦斯風流，工作面風量逐漸增大；在工作面距進風巷0～80 m范圍內(nèi)，工作面風量隨擋風簾長度增加而逐漸增加；在工作面距進風巷80 m之后，擋風簾長度對工作面風量的影響較??；在工作面距進風巷170 m處工作面風量最小，不同擋風簾長度下最大漏風量均為125 m3/min，進回風巷風量均相差83 m3/min。

圖2 不同擋風簾長度下工作面風量變化曲線

擋風簾長度對工作面瓦斯?jié)舛鹊挠绊懭鐖D3所示?？煽闯龉ぷ髅孢M風側(cè)設置擋風簾可有效降低工作面瓦斯?jié)舛龋辉诠ぷ髅婢噙M風巷0～190 m范圍內(nèi)，隨著擋風簾長度增加，工作面瓦斯?jié)舛戎饾u下降；在工作面距進風巷190～220 m范圍內(nèi)，是否設置擋風簾對該區(qū)域瓦斯?jié)舛扔绊戄^大，而擋風簾長度對瓦斯?jié)舛扔绊戄^??；當擋風簾長度為0即不設置擋風簾時，工作面上隅角最大瓦斯體積分數(shù)為0.42%，設置5 m擋風簾后上隅角最大瓦斯體積分數(shù)降至0.37%，降幅達12%左右，當擋風簾長度增加至10，15，20 m時，擋風簾長度對上隅角最大瓦斯?jié)舛扔绊懖淮蟆?/p>

圖3 不同擋風簾長度下工作面瓦斯?jié)舛茸兓€

3.2 采空區(qū)瓦斯分布

不同擋風簾長度下采空區(qū)瓦斯分布云圖如圖4所示。從走向上來看，采空區(qū)瓦斯?jié)舛日w上隨采空區(qū)深度增加逐漸上升，由于高抽巷和上隅角埋管的抽采作用，在采空區(qū)回風側(cè)存在一個瓦斯聚集區(qū)，瓦斯體積分數(shù)達30%左右；從傾向上來看，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛日w上大于采空區(qū)進風側(cè)；擋風簾長度對采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的影響較小。

(a)擋風簾長度0 m

不同擋風簾長度下采空區(qū)進風側(cè)和回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€如圖5所示。由采空區(qū)進風側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€可看出，在采空區(qū)深度為0～140 m范圍內(nèi)，采空區(qū)進風側(cè)瓦斯?jié)舛入S擋風簾長度增加逐漸升高，這是由于擋風簾可有效降低進風側(cè)漏風量，漏風量越小對采空區(qū)瓦斯的稀釋作用就越弱；在采空區(qū)深度為140～220 m范圍內(nèi)，采空區(qū)進風側(cè)瓦斯?jié)舛入S擋風簾長度增加呈先升高后降低的趨勢，當擋風簾長度為10 m時，該區(qū)域瓦斯體積分數(shù)最高可達23%左右。由采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€可看出，在采空區(qū)深度為0～10 m范圍內(nèi)，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛纫蛏嫌缃锹窆艹椴勺饔枚焖俳档?，受擋風簾長度影響較??；在采空區(qū)深度為10～130 m范圍內(nèi)，擋風簾長度為0時，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸罡?，而當擋風簾長度分別為5，10，15，20 m時，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛入S擋風簾長度增加呈先升高后降低的趨勢，擋風簾長度為20 m時，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸钚?；在采空區(qū)深度為130～170 m范圍內(nèi)，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛扰c擋風簾長度并無明顯關系；在采空區(qū)深度為170～220 m范圍內(nèi)，采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛入S擋風簾長度增加呈先升高后降低的趨勢，當擋風簾長度為10 m時采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸畲螅敁躏L簾長度為0時采空區(qū)回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸钚　?/p>

圖5 不同擋風簾長度下采空區(qū)兩側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€

3.3 采空區(qū)自燃氧化帶

采空區(qū)自燃“三帶”劃分指標有采空區(qū)內(nèi)部漏風風速、氧氣體積分數(shù)和測點升溫特征3種，其中氧氣體積分數(shù)指標因其數(shù)據(jù)準確、可操作性強、代價低等優(yōu)點而被廣泛使用，因此本文選擇氧氣體積分數(shù)指標來劃分采空區(qū)自燃“三帶”，即氧氣體積分數(shù)大于18%為散熱帶，氧氣體積分數(shù)在10%～18%之間為氧化帶，氧氣體積分低于10%為窒息帶[12-13]。

不同擋風簾長度下采空區(qū)氧氣分布云圖如圖6所示。可看出采空區(qū)自燃氧化帶即氧氣體積分數(shù)為10%～18%區(qū)域呈條帶狀；采空區(qū)進風側(cè)和回風側(cè)自燃氧化帶向采空區(qū)深部凸起，且采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶寬度大于進風側(cè)。

(a)擋風簾長度0 m

不同擋風簾長度下采空區(qū)進風側(cè)和回風側(cè)氧氣濃度變化曲線如圖7所示。根據(jù)氧氣體積分數(shù)指標，可劃分出不同擋風簾長度下采空區(qū)進風側(cè)和回風側(cè)自燃氧化帶范圍，見表2。

圖7 不同擋風簾長度下采空區(qū)兩側(cè)氧氣濃度變化曲線

表2 不同擋風簾長度下采空區(qū)自燃氧化帶劃分

從表2可看出，采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶寬度整體大于采空區(qū)進風側(cè)，這是由于高抽巷和上隅角埋管抽采的擾動效應使得采空區(qū)回風側(cè)漏風流局部加速，自燃氧化帶寬度有所增加；采空區(qū)回風側(cè)進入自燃氧化帶的時間較采空區(qū)進風側(cè)早；在進風側(cè)設置擋風簾使得采空區(qū)進風側(cè)自燃氧化帶寬度變大，而采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶寬度減?。划敁躏L簾長度分別為5，10，15，20 m時，采空區(qū)進回風側(cè)自燃氧化帶寬度隨擋風簾長度增加呈先增大后減小的趨勢，且均在擋風簾長度為15 m時自燃氧化帶寬度最大；隨著擋風簾長度增加，采空區(qū)進風側(cè)自燃氧化帶逐漸向工作面靠近，即進入自燃氧化帶時間變早，而擋風簾長度對采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶的影響主要體現(xiàn)在進入自燃氧化帶的位置，但并無明顯規(guī)律。

4 現(xiàn)場應用效果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擋風簾對工作面風量和瓦斯?jié)舛扔绊戄^大，對采空區(qū)瓦斯?jié)舛群妥匀佳趸瘞У挠绊戄^小。考慮到擋風簾越長則實施難度越大，在保證有效降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊那疤嵯?，盡量減小擋風簾長度，確定在白龍山煤礦10201工作面進風側(cè)布置5 m擋風簾，略大于進風巷寬度，如圖8所示。

圖8 白龍山煤礦10201工作面擋風簾布置

為驗證白龍山煤礦10201工作面進風側(cè)擋風簾的應用效果，在擋風簾布置前后，對工作面進行風量測定和上隅角瓦斯及一氧化碳濃度監(jiān)測。

風量測定共布置10個測點，測定結(jié)果如圖9所示?？煽闯鲈诓贾? m擋風簾后，工作面距進風巷0～86 m范圍內(nèi)風量有明顯增加，工作面距進風巷約5 m處風量增加60 m3/min；在工作面距進風巷86 m之后風量變化不大；在工作面距進風巷167 m處工作面風量最小。

圖9 掛簾前后風量對比

從2018年10月5日至11月4日，對工作面上隅角瓦斯及一氧化碳濃度進行為期30 d的監(jiān)測，監(jiān)測值均取早中晚三班最大值，結(jié)果如圖10所示?？煽闯鲈谠O置擋風簾前，瓦斯體積分數(shù)平均值為0.602%，一氧化碳體積分數(shù)平均值為2.46%；于2018年10月15日布置擋風簾后，瓦斯體積分數(shù)平均值為0.521%，降幅達13.5%，一氧化碳體積分數(shù)平均值為2.26%，降幅為8.1%。

圖10 上隅角瓦斯和一氧化碳體積分數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

(1)在工作面距進風巷0～80 m范圍內(nèi)，工作面風量隨擋風簾長度增加而逐漸增加，而在工作面距進風巷80 m之后，擋風簾長度對工作面風量的影響較??；當不設置擋風簾時，工作面上隅角最大瓦斯體積分數(shù)為0.42%，而設置5 m擋風簾后上隅角最大瓦斯體積分數(shù)降至0.37%，降幅達12%左右，當擋風簾長度增加至10，15，20 m時，擋風簾長度對上隅角最大瓦斯?jié)舛扔绊懖淮蟆?/p>

(2)擋風簾可降低采空區(qū)回風側(cè)淺部和中部(采空區(qū)深度小于130 m)的瓦斯?jié)舛?，進而減小采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，而對于采空區(qū)進風側(cè)和回風側(cè)深部(采空區(qū)深度大于170 m)區(qū)域，擋風簾會使瓦斯?jié)舛壬仙?/p>

(3)在進風側(cè)設置擋風簾會使采空區(qū)進風側(cè)自燃氧化帶寬度變大，而采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶寬度減?。浑S著擋風簾長度增加，采空區(qū)進風側(cè)自燃氧化帶逐漸向工作面靠近，即進入自燃氧化帶時間變早，而擋風簾長度對采空區(qū)回風側(cè)自燃氧化帶的影響主要體現(xiàn)在進入自燃氧化帶的位置，但并無明顯規(guī)律。

(4)在白龍山煤礦10201工作面進風側(cè)布置5 m擋風簾，增加了工作面有效風量，瓦斯體積分數(shù)平均值為0.521%，降幅達13.5%，一氧化碳體積分數(shù)平均值為2.26%，降幅為8.1%，降低了上隅角瓦斯超限和采空區(qū)自然發(fā)火的危險性。