李洪先，王國芝，朱明凱，任廣意，劉學(xué)飛

(1.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700； 2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

瓦斯和煤自燃都是礦井生產(chǎn)過程中需要重點(diǎn)防范的自然災(zāi)害[1，2]。近年來，隨著切頂留巷技術(shù)的推廣應(yīng)用[3，4]，工作面采空區(qū)的漏風(fēng)狀況日趨復(fù)雜，采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高，甚至?xí)l(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸，造成災(zāi)害事故的擴(kuò)大[5，6]。對于煤自燃與瓦斯耦合災(zāi)害的研究，李宗翔[7]首次建立了二者相互作用的數(shù)學(xué)模型，并利用數(shù)值模擬對耦合災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析。周福寶[8]通過對致災(zāi)機(jī)理的研究，提出了裂隙場、溫度場、CH4濃度場、O2濃度場等四場交匯是發(fā)生耦合災(zāi)害的充要條件。郝宇[9]利用有限元數(shù)值模擬軟件分析了不同風(fēng)速和瓦斯條件下采空區(qū)三帶變化。丁仰衛(wèi)[10]建立了氣體變化和運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，并以數(shù)值模擬結(jié)合束管監(jiān)測結(jié)果綜合判定耦合危險(xiǎn)區(qū)域。程衛(wèi)民[11]等基于采空區(qū)氣體濃度數(shù)據(jù)利用插值法對耦合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行三維重建。目前，對于采空區(qū)自然發(fā)火及瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域判定的研究，多集中在“一進(jìn)一回”的U型通風(fēng)下的模擬研究[12，13]，而基于“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)條件下的研究較少。為此，本文以青龍煤礦21606工作面為例，利用COMSOL軟件對采空區(qū)流場、瓦斯?jié)舛葓鲞M(jìn)行了數(shù)值模擬，以采空區(qū)漏風(fēng)流場和瓦斯?jié)舛葓龇植紴橐罁?jù)，對瓦斯與自然發(fā)火耦合災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行了劃分，為煤礦瓦斯與自然發(fā)火耦合災(zāi)害的防治提供了理論支持。

1 工作面概況

青龍煤礦21606工作面為走向長壁工作面，運(yùn)輸巷長度為1556m，軌道巷長度為1383.5m，兩巷道均沿頂板布置，在運(yùn)輸巷進(jìn)行切頂留巷，預(yù)計(jì)留巷長度1556m。通風(fēng)方式為“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)，即：運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，軌道巷和切頂留巷回風(fēng)。工作面所采煤層為16號煤層，煤層厚度0.8～3.8m，平均2.4m；煤層原始瓦斯含量為29.65m3/t，自燃傾向等級為易自燃煤層，屬于高瓦斯易自燃煤層，存在著瓦斯與自然發(fā)火的雙重災(zāi)害。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 21606工作面巷道布置

2 數(shù)值模型構(gòu)建

為了對青龍煤礦21606綜采面采空區(qū)的耦合災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行判定，基于工作面的實(shí)際尺寸，用COMSOL軟件建立物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用“自由與多孔介質(zhì)流動”接口對邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對采空區(qū)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 物理模型建立

以青龍煤礦21606工作面為例建立了物理模型，忽略巷道及工作面內(nèi)相關(guān)設(shè)備。模型中，工作面傾向長度為156.9m；進(jìn)、回風(fēng)巷道斷面為矩形，寬4.5m，高2.7m；切頂留巷斷面也為矩形，寬4.1m，高2.7m；切頂留巷采空區(qū)側(cè)砌堵風(fēng)墻寬0.6m，高2.7m，采空區(qū)截取250m。利用COMSOL軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為自由四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格共包含559165個(gè)域單元、49490個(gè)邊界元和2739 個(gè)邊單元。

2.2 邊界條件設(shè)置

假定采空區(qū)為非均勻的多孔連續(xù)介質(zhì)，選取COMSOL軟件內(nèi)置的“自由與多孔介質(zhì)流動”作為求解器[14]。模型巷道內(nèi)風(fēng)流控制方程為Navier-Stokes方程：

-?μ(?u+(?u)T)+ρu·?u+?p=0

(1)

?·u=0

(2)

采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流控制方程為Brinkman方程：

式中，μ為黏性系數(shù)，kg/(m·s)；u為速度矢量，m/s；ρ為密度，kg/m3；φ為孔隙率；p為壓力，Pa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定義采空區(qū)空隙率與滲透率[15]，模型孔隙率與位置關(guān)系為：

φ=0.98z[0.2exp(-0.022x)+0.1]

式中，x，y，z為模型坐標(biāo)；L為工作面傾向長度，m。

采空區(qū)滲透率方程為：

式中，kp為滲透率，m2；dp為煤顆粒直徑，m。

封堵墻孔隙率與滲透率為定值，分別為0.3%和0.006。

結(jié)合青龍煤礦21606工作面的實(shí)際條件，在“自由與多孔介質(zhì)流動”接口下，進(jìn)行邊界條件設(shè)置。運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)口為入口邊界，法向流入速度3m/s，切頂留巷與通風(fēng)立眼為流出邊界，其他邊界為無通量邊界。初始值設(shè)置為P0=0.101MPa，u=0。

3 耦合災(zāi)害區(qū)域的劃分

3.1 煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分

在采空區(qū)自燃“三帶”劃分中，一般采用氧氣濃度或風(fēng)速作為劃分氧化帶的主要依據(jù)，在高瓦斯礦井中由于瓦斯涌出會對氧氣濃度場分布產(chǎn)生影響，因此，利用風(fēng)速場作為劃分自燃危險(xiǎn)區(qū)域的指標(biāo)更為合理。故本文以風(fēng)速為依據(jù)，同時(shí)考慮采空區(qū)浮煤厚度和推進(jìn)速度，對煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分。

根據(jù)COMSOL數(shù)值解算，可得出采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速場，模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)條件下，采空區(qū)漏風(fēng)分布比較復(fù)雜。在傾向上，從進(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)風(fēng)流逐漸減?。辉谧呦蛏?，從工作面至采空區(qū)深處漏風(fēng)呈減小趨勢，但由于通風(fēng)立眼處風(fēng)流匯集，風(fēng)速短暫增加。

圖2 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速場切面

采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火必須同時(shí)具備以下條件：浮煤厚度大于煤自燃的最小厚度；有足夠的漏風(fēng)且漏風(fēng)強(qiáng)度不能過大；工作面推進(jìn)速度小于煤自燃的極限速度[16]。對于21606工作面，其采空區(qū)浮煤厚度為0.6m，大于煤自然發(fā)火極限厚度，同時(shí)21606工作面推進(jìn)250m時(shí)過一個(gè)落差5m的斷層，推進(jìn)速度緩慢，故當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度適宜時(shí)，采空區(qū)極易發(fā)生遺煤自然發(fā)火。根據(jù)21606采空區(qū)的遺煤厚度分布，選取Z=1m時(shí)的漏風(fēng)風(fēng)速分布場，以漏風(fēng)強(qiáng)度為0.1～0.24m/min的范圍作為氧化帶判定依據(jù)，對21606采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域自回風(fēng)側(cè)向進(jìn)風(fēng)側(cè)大體呈L型分布。沿煤層走向，靠近工作面附近漏風(fēng)強(qiáng)度大，采空區(qū)散熱快，為散熱帶；氧化帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)位于距工作面50m后，在回風(fēng)側(cè)處于距工作面20～50m的范圍內(nèi)；采空區(qū)深部漏風(fēng)量很小，為窒息帶。

圖3 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域

3.2 瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)域分析

采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移主要受擴(kuò)散作用、升浮運(yùn)動和漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動綜合作用[17]。在垂直方向上，受升浮與擴(kuò)散作用影響，低處瓦斯沿采空區(qū)孔隙上升，積聚于采動裂隙帶；在水平方向上，瓦斯的運(yùn)移主要由漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動決定。故基于采空區(qū)漏風(fēng)速度與方向可初步斷定瓦斯積聚區(qū)域。采空區(qū)漏風(fēng)方向數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出，漏風(fēng)風(fēng)流在巷道與通風(fēng)立眼壓差的作用下，從進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷與通風(fēng)立眼方向流動，故進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊陀诨仫L(fēng)側(cè)與通風(fēng)立眼；采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)由下隅角與留巷進(jìn)入，并匯集于上隅角與通風(fēng)立眼附近，上隅角與通風(fēng)立眼不僅是風(fēng)流出口，也是采空區(qū)瓦斯的涌出口，容易積聚瓦斯。其次，由于采空區(qū)深部風(fēng)量較小，也容易導(dǎo)致高濃度瓦斯積聚。

圖4 采空區(qū)漏風(fēng)方向

在21606采空區(qū)模型中加入“多孔介質(zhì)稀物質(zhì)流動”物理場，耦合求解采空區(qū)瓦斯分布，選取Z=1m，Z=2m兩個(gè)高度的模擬結(jié)果，如圖5所示，由圖5可以看出，采空區(qū)瓦斯積聚區(qū)域位于采空區(qū)深部、上隅角及通風(fēng)立眼處。

圖5 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/p>

根據(jù)21606采空區(qū)Z=1m時(shí)的瓦斯?jié)舛确植迹酝咚節(jié)舛葹?%～16%的范圍作為瓦斯可爆區(qū)域判定依據(jù)[18]，對21606采空區(qū)瓦斯可爆區(qū)域進(jìn)行了劃分，劃分結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，采空區(qū)瓦斯可爆區(qū)受風(fēng)流作用影響在進(jìn)風(fēng)側(cè)位于距工作面約45～70m范圍，在回風(fēng)側(cè)位于距工作面0～25m范圍內(nèi)，在留巷附近存在小范圍可爆區(qū)。在靠近工作面與留巷的區(qū)域，由于風(fēng)流稀釋作用，瓦斯?jié)舛鹊陀谕咚贡ń缦?，而采空區(qū)深部瓦斯積聚，高于瓦斯爆炸界限。由于瓦斯運(yùn)移受漏風(fēng)風(fēng)流影響從上隅角與通風(fēng)立眼涌出，故上隅角與通風(fēng)立眼附近存在瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)。

圖6 采空區(qū)瓦斯可爆區(qū)域

3.3 耦合災(zāi)害區(qū)域的確定

當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～16%范圍與自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域重合時(shí)，極易發(fā)生因遺煤自燃引爆瓦斯事故[19]。故瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)與煤自燃氧化帶的重合區(qū)域即為耦合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域。利用軟件對模擬結(jié)果進(jìn)行二次處理，將采空區(qū)的自燃氧化帶與瓦斯爆炸危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行疊加，可繪制出瓦斯與煤自燃的耦合致災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖7所示。由圖7可以看出，耦合致災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域的大部分位于工作面后方20～70m處，寬度約8～20m，呈兩邊窄中間寬的形狀，原因是：在回風(fēng)側(cè)，上隅角附近雖然存在較大范圍瓦斯可爆區(qū)，但由于風(fēng)流匯集風(fēng)速比較大，熱量難以積聚，導(dǎo)致耦合致爆危險(xiǎn)區(qū)域較??；在進(jìn)風(fēng)側(cè)，由于留巷附近存在漏風(fēng)，采空區(qū)遺煤散熱快且瓦斯?jié)舛鹊?，耦合致爆區(qū)域也較小。

圖7 采空區(qū)耦合致爆危險(xiǎn)區(qū)域

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用SF6示蹤氣體法對青龍煤礦21606工作面進(jìn)行漏風(fēng)測定，識別漏風(fēng)路徑，估算漏風(fēng)風(fēng)速。

當(dāng)工作面推進(jìn)250m時(shí)，在運(yùn)輸巷入口處設(shè)置SF6釋放點(diǎn)，均勻釋放20kg持續(xù)30min，在21606軌道巷、工作面與留巷內(nèi)均勻布置測點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 SF6測點(diǎn)布置

對各測點(diǎn)采樣分析后，SF6濃度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖9所示。

圖9 各測點(diǎn)SF6濃度變化

根據(jù)以下公式可計(jì)算工作面漏風(fēng)率[20]。

據(jù)公式計(jì)算1～7號測點(diǎn)SF6質(zhì)量分別為15.1kg、14.5kg、14.2kg、4.72kg、3.23kg、2.98kg、15.4kg，計(jì)算總漏風(fēng)率為8.1%?，F(xiàn)場測定運(yùn)輸巷、軌道巷、通風(fēng)立眼處風(fēng)量分別為2187m3/min、1658m3/min、351m3/min，計(jì)算總漏風(fēng)率為8.14%。利用SF6計(jì)算總漏風(fēng)率與現(xiàn)場風(fēng)量計(jì)算值相差不大，證明了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對比分析各測點(diǎn)SF6質(zhì)量，風(fēng)流從4號測點(diǎn)流向5號測點(diǎn)時(shí)，SF6損失量比較大，說明切頂留巷的前半段漏風(fēng)大；2、3號測點(diǎn)的SF6總質(zhì)量相差并不大，這是由于下隅角與留巷中的SF6隨漏風(fēng)匯入上隅角所致。

由圖9可以看出，由于上隅角與通風(fēng)立眼處為采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流流出通道，流入采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流會由此流出，且不同的流出通道流出時(shí)間不同，故3號與6號測點(diǎn)SF6濃度均存在多次上升趨勢。根據(jù)3號測點(diǎn)SF6濃度隨時(shí)間變化趨勢分析，當(dāng)55min時(shí)下隅角或留巷進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)進(jìn)入上隅角，利用工作面長度與流出時(shí)間的比值可估測漏風(fēng)由1號或4號測點(diǎn)位置流向上隅角風(fēng)速最小為0.047m/s，與模擬結(jié)果基本一致。由于留巷長度過長且漏風(fēng)量小，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流匯入通風(fēng)立眼速度較慢，故6號測點(diǎn)濃度存在持續(xù)波動且不為零。

根據(jù)SF6示蹤氣體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)下，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)由下隅角與切頂留巷進(jìn)入并從通風(fēng)立眼與上隅角流出；實(shí)驗(yàn)測得的漏風(fēng)量與實(shí)際情況契合，漏風(fēng)路徑、風(fēng)速均與模擬結(jié)果基本一致，兩者決定了采空區(qū)瓦斯與自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域分布情況，故模擬結(jié)果具有一定的可靠性。

5 結(jié) 論

1)青龍煤礦21606工作面在“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)下，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域自回風(fēng)側(cè)向進(jìn)風(fēng)側(cè)大體呈L型分布。

2)切頂留巷采空區(qū)的瓦斯積聚區(qū)為上隅角、通風(fēng)立眼以及風(fēng)速較小的采空區(qū)深部，劃分采空區(qū)瓦斯可爆區(qū)大部分位于進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面45～70m范圍及上隅角。

3)21606采空區(qū)耦合災(zāi)害區(qū)的大部分位于工作面后方20～70m處，寬度約8～20m，小部分位于通風(fēng)立眼附近。

4)SF6釋放試驗(yàn)結(jié)果表明采空區(qū)漏風(fēng)路徑、估算風(fēng)速、漏風(fēng)量等參數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。