李蕓卓，蘇賀濤，季淮君

（1.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術(shù)學院，北京100083；2.中國地質(zhì)大學（北京）國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京100083）

采空區(qū)是煤礦災(zāi)害事故的主要源頭[1]。在煤礦開采過程中，由于采空區(qū)遺煤和煤壁等瓦斯涌出使采空區(qū)發(fā)生瓦斯積聚，當這些積聚的瓦斯與通風口漏風進入采空區(qū)的新鮮空氣接觸，且一旦接觸到火源就會發(fā)生瓦斯爆炸的嚴重后果[2-3]。現(xiàn)如今，隨著煤礦加大開采深度，大量的高瓦斯礦井出現(xiàn)，采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合災(zāi)害愈發(fā)增多[4-6]。注氮惰化工藝因其操作簡便且具有阻燃阻爆的特性，已成為現(xiàn)煤礦生產(chǎn)中普遍的技術(shù)手段[7-8]。采空區(qū)的特殊和復(fù)雜性，工作人員無法實地進入進行檢測，國內(nèi)外許多學者應(yīng)用實驗或模擬仿真對不同注氮參數(shù)條件下采空區(qū)氣體分布規(guī)律等特征參數(shù)進行了一定的研究[9-15]，但目前有關(guān)注氮對采空區(qū)瓦斯爆炸與自然耦合區(qū)域演變過程及采空區(qū)爆炸危險性演化趨勢尚未有深入研究?；诖?，使用COMSOL 多物理場耦合模擬軟件對采空區(qū)不同注氮參數(shù)條件下，采空區(qū)氣體運移規(guī)律及瓦斯爆炸危險區(qū)分布特征進行研究分析，以期有助于防止采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合事故的發(fā)生。

1 工作面概況

許疃煤礦3235 工作面位于煤礦I 水平33 采區(qū)，所采煤層為32 煤。工作面走向長度為2 158 m，傾斜長長度為140～178 m，平均長度為160.8 m。煤層厚度1.0～3.0 m，平均2.5 m，煤層傾角10°～20°，平均15°，傾斜度較小，可近似看成水平煤層。全礦井瓦斯絕對涌出量為42.79 m3/min，相對涌出量為15.82 m3/t，鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井。從勘探地質(zhì)報告看，該礦井瓦斯成分以CH4為主，存在瓦斯局部富集帶。工作面所采煤層屬于I 類易自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期55 d。煤塵爆炸性指數(shù)為31.32%，具有爆炸性危險。工作面采用“U”型全負壓通風方式。

2 基于COMSOL 的采空區(qū)注氮數(shù)值模擬

2.1 物理模型

根據(jù)3235 工作面資料及現(xiàn)場實測，利用COMSOL 模擬軟件建立采空區(qū)注氮物理模型，采空區(qū)注氮物理模型如圖1。

圖1 采空區(qū)注氮物理模型Fig.1 Physical model of nitrogen injection in goaf

在建立采空區(qū)幾何模型時，忽略了采煤工作面各種設(shè)備的影響，理想化參數(shù)條件下將工作面、進風和回風巷道以及采空區(qū)設(shè)計為矩形斷面，工作面長160 m，進、回風巷道長20 m、寬5 m，采空區(qū)長250 m。自由流動區(qū)由工作面和巷道組成，風流從進風口流入經(jīng)過工作面并由回風口流出，該流動過程遵循Navier-Stokes 方程。由于風流經(jīng)過工作面時會產(chǎn)生向采空區(qū)作用的漏風現(xiàn)象，采空區(qū)是一種多孔介質(zhì)，垮落巖和殘余煤堆積在其中，其間存在復(fù)雜的裂隙和通道，選取Brinkman 方程以描述多孔介質(zhì)中流體的快速流動?？紤]到混合氣體中的傳質(zhì)作用，其濃度梯度的變化引起氣體擴散。不斷漏入采空區(qū)的風流與從采空區(qū)涌出的瓦斯形成符合Fick 定律的動態(tài)平衡。

2.2 邊界條件和模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，選擇模型邊界條件和相關(guān)參數(shù)。將進風巷設(shè)置為入口邊界；回風巷設(shè)置為自由流動出口邊界。注氮口設(shè)定為速度入口，并取氮氣的濃度為98%。壁面邊界設(shè)置為無滑移絕熱邊界條件。采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)見表1。

表1 采空區(qū)注氮模型的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of nitrogen injection model in goaf

隨著工作面不斷的推進，采空區(qū)四周的懸臂梁結(jié)構(gòu)與煤壁、煤層底板形成“松散三角區(qū)”，進行回采工作時，互相連通便構(gòu)成采空區(qū)漏風的主要通道-“O”型圈，“O”型圈內(nèi)垮落的煤巖具有更大的孔隙率，基于該理論構(gòu)建采空區(qū)孔隙率經(jīng)驗擬合公式[16]：

式中：n 為采空區(qū)孔隙率，%；nx、ny為沿采空區(qū)深度和工作面傾斜方向的孔隙率，%；x 為沿采空區(qū)深度方向的坐標；y 為沿工作面傾斜方向的坐標；L為工作面長度，m。

采空區(qū)滲透率主要與孔隙率和粒度大小有關(guān)，基于達西流動定律下計算采空區(qū)滲透率K[17]：

式中：K 為采空區(qū)滲透率，m2；d 為垮落煤巖平均粒度，取0.3 m。

2.3 模擬方案

為了研究為了研究注氮對采空區(qū)爆炸危險區(qū)的影響，進而優(yōu)化注氮方案，模擬時設(shè)定進風口通風量為1 000 m3/min、注氮管直徑為100 mm，注氮流量在360～900 m3/h 的范圍。通過分析流場可知，注入采空區(qū)的氮氣流動方向應(yīng)與漏風風流保持一致，從而起到氮氣驅(qū)替漏風惰化采空區(qū)的效果，則模擬時分別設(shè)定在采空區(qū)進風側(cè)10～50 m，相鄰注氮口間隔為10 m，即注氮位置分為10、20、30、40、50 m。

3 模擬結(jié)果

3.1 瓦斯爆炸危險區(qū)的確定

隨著采煤工作面的不斷推進，漏風稀釋采空區(qū)中的瓦斯，并為瓦斯爆炸提供了所需的氧氣。一旦采空區(qū)中的瓦斯體積分數(shù)達到爆炸極限，且遇到具有一定能量的火源，就會發(fā)生瓦斯爆炸事故。根據(jù)線性疊加的數(shù)學原理，將氧濃度、甲烷濃度、溫度等關(guān)鍵區(qū)域的交點視為耦合危險[18]。此外，由于體積分數(shù)大于18%的氧氣主要聚積在工作面附近，而工作面附近區(qū)域在高通風量條件下爆炸極限內(nèi)的瓦斯不易聚集且熱量累積條件較差，采空區(qū)深部通常是發(fā)生瓦斯爆炸的主要場所。因此，選取氧氣體積分數(shù)為12%～18%的區(qū)間和爆炸極限內(nèi)的甲烷進行耦合劃分出瓦斯爆炸危險區(qū)域，其表達式如下：

式中：Se為瓦斯爆炸危險區(qū)；SO2為氧氣達到瓦斯爆炸所需體積分數(shù)的區(qū)域；SCH4為瓦斯體積分數(shù)在爆炸極限內(nèi)的區(qū)域；ST為達到瓦斯爆炸所需要溫度的區(qū)域；CO2為氧氣的體積分數(shù)；CCH4為甲烷體積分數(shù)。

3.2 注氮流量的影響

為研究注氮流量對采空區(qū)瓦斯爆炸區(qū)的影響，分別在采空區(qū)進風側(cè)采用鋪設(shè)束管方法，在注氮口位置為20 m，進風口通風量為1 000 m3/min 條件下，設(shè)置了5 種不同注氮流量（無注氮、360、540、720、900 m3/h）。根據(jù)式（3），并結(jié)合所模擬的采空區(qū)氧氣和甲烷濃度分布情況，對采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)進行劃分。不同注氮流量下采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分如圖2。其中藍色曲線氧氣為12%和18%的等值線，紅色曲線為甲烷5%和16%的等值線。紅色區(qū)域為瓦斯爆炸高危險區(qū)（一旦接觸火源就會發(fā)生爆炸）；灰色區(qū)域為瓦斯爆炸較高危險區(qū)（氧氣達到爆炸所需最低濃度或瓦斯?jié)舛仍诒O限內(nèi)）；黃綠色區(qū)域為瓦斯含量過高不爆區(qū)；深綠色區(qū)域為沒有爆炸成分的惰性區(qū)域。

圖2 不同注氮流量下瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分Fig.2 Hazard area division of gas explosion under different nitrogen injection flow rates

由圖2 可知，瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在距離工作面25 m 左右的采空區(qū)，并且隨著注氮量的增加，沿工作面風流方向上的危險區(qū)長度明顯減小，相比較采空區(qū)深度方向，注氮對工作面風流方向上爆炸危險區(qū)影響較大。由于注氮所產(chǎn)生的驅(qū)替漏風現(xiàn)象，對比圖2（a）與圖2（e）可以明顯發(fā)現(xiàn)，注氮量為900 m3/h 比未注氮時，氧氣12%的等值線有向工作面移動現(xiàn)象，爆炸極限內(nèi)的甲烷區(qū)間向采空區(qū)深處傾移，這說明注氮量增加，不僅抑制了工作面向采空區(qū)的漏風，稀釋采空區(qū)中的氧氣，并且還阻止了采空區(qū)瓦斯向工作面的蔓延。

為了更加具體直觀的反應(yīng)注氮對于爆炸危險區(qū)的影響，分別畫出了不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積的關(guān)系圖，不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積如圖3。

圖3 不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積Fig.3 The maximum width and area of the high hazard explosion area under different nitrogen injection flows

由圖3（a）可以看出，在無注氮條件下，瓦斯爆炸高危險區(qū)的最大寬度約為13 m，增加注氮量到360 m3/h 時危險區(qū)最大寬度變化不明顯，但繼續(xù)增加注氮量至900 m3/h，最大寬度只有約5 m。通過圖3（b）可以看出，當注氮流量從720 m3/h 增加至900 m3/h 時，危險區(qū)的面積變化梯度略有減小。總體上注氮流量與危險區(qū)最大寬度和面積呈線性負相關(guān)。

3.3 注氮位置的影響

注氮量為540 m3/h 條件下，不同注氮位置（10、20、30、40、50 m）下的氧氣體積分數(shù)對比如圖4。由圖4 可知，隨著注氮口逐漸遠離工作面，采空區(qū)氧氣濃度變化梯度總體上在不斷增加。瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)（12%～18%）的危險區(qū)域統(tǒng)計分析的具體結(jié)果，不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析見表2。

圖4 不同注氮位置下的氧體積分數(shù)對比Fig.4 Comparison of oxygen volume fraction at different nitrogen injection locations

表2 不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of hazard zones at different nitrogen injection locations

從圖4 與表2 可以看出，注氮位置對瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域有明顯的影響，當注氮位置由10 m 增加到40 m 時，該危險區(qū)域的分布范圍以及寬度為隨之減小，且起始點向工作面方向移動。當注氮口為10、20 m 時，危險區(qū)域起始點距工作面距離為11.1、12.1 m，危險區(qū)域的范圍明顯縮小了3.4 m。當注氮位置由30 m 變化到40 m，危險區(qū)域起始點由9 m 變?yōu)?.9 m，向工作面移動了2.1 m，而范圍幾乎未變化。值得注意的是，注氮口繼續(xù)向采空區(qū)深入10～50 m 時，相比較注氮位置為40 m 時危險區(qū)域的寬度增加了1.3 m。這是由于隨著采空區(qū)不斷深入，采空區(qū)的孔隙率和滲透率也會隨之減小，會影響氮氣采空區(qū)的擴散，從而影響注氮對氧氣稀釋的效果。從總體上來看，注氮位置在一定范圍內(nèi)與對應(yīng)瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)的危險區(qū)域呈現(xiàn)負相關(guān)性。

因此，應(yīng)綜合考慮注氮流量和注氮位置以優(yōu)化注氮的效果，且注氮口不易過淺，以防止氮氣因注氮口局部高壓作用而快速回流至工作面，從而使工作面以及巷道新鮮風流遭受污染以至注氮效果不明顯，考慮到經(jīng)濟成本以及采空區(qū)壓實等問題，注氮口也不易過深。同時也應(yīng)該考慮注氮流量的增加，注入采空區(qū)的氮氣存在一定泄露而影響注氮效率。

4 結(jié) 論

1）采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在工作面回風側(cè)附近，該區(qū)域氧氣和甲烷體積分數(shù)均達到瓦斯爆炸條件，一旦遇到火源便會發(fā)生爆炸。且隨著注氮量的增加，沿工作面走向方向上的危險區(qū)長度明顯減小。

2）通過改變向采空區(qū)的注氮流量，可以顯著改變瓦斯爆炸危險區(qū)的分布，隨著注氮量的逐漸增大，12%～18%體積分數(shù)內(nèi)的氧氣和爆炸極限內(nèi)的甲烷瓦斯，分別向工作面和采空區(qū)移動，瓦斯爆炸危險區(qū)的最大寬度以及面積均呈現(xiàn)減小趨勢。

3）注氮位置和瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域，總體上在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)負相關(guān)性。注氮位置在10～40 m 范圍內(nèi)離工作面距離越遠，采空區(qū)氧氣變化曲線梯度越大，瓦斯爆炸所需氧氣體積分數(shù)區(qū)域?qū)挾日w呈現(xiàn)遞減趨勢。