楊 黎，鄭萬(wàn)成，趙 波，陳朋磊

(1.云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000; 2.四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031;3.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

煤炭開采過(guò)程中，會(huì)面臨著各種災(zāi)害，其中煤炭自燃是最主要的災(zāi)害之一[1-3]。目前，許多礦井為了提高工作面回采率，采用了小煤柱護(hù)巷技術(shù)[4-5]，由于巷道反復(fù)受壓變形，使得煤柱孔隙發(fā)育，形成漏風(fēng)通道，且相鄰工作面開采增大了采空區(qū)冒落空間，此采空區(qū)與相鄰采空區(qū)連成一片，形成了復(fù)雜的多源多匯漏風(fēng)通道，加大了漏風(fēng)量，增大了煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)，給防火工作帶來(lái)了較大難度[6-8]。因此，研究相鄰采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)分布規(guī)律對(duì)指導(dǎo)煤礦建立自然發(fā)火治理體系具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)注氮防滅火技術(shù)進(jìn)了深入研究。注氮防滅火是通過(guò)定向定量方法向采空區(qū)內(nèi)注入大量氮?dú)?，達(dá)到惰化火區(qū)、抑制煤自燃的效果[9-14]。通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)注入惰性氣體后，采空區(qū)氧化帶面積顯著減少[15-19]。Yuan Liming等[16-18]通過(guò)CFD模型研究了單一工作面O2濃度對(duì)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)的影響，以確定最佳注氮位置和注入量。以往的研究主要針對(duì)本工作面采空區(qū)，而對(duì)于相鄰工作面開采條件下的采空區(qū)自燃隱患研究較少，然而采空區(qū)漏風(fēng)情況復(fù)雜，遺留的大量破碎的浮煤在適合的氧環(huán)境中容易氧化，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文利用Fluent軟件，研究相鄰采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律。對(duì)比不同注氮方案下相鄰采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)分布規(guī)律，分析相鄰工作面開采最佳注氮參數(shù)。為后續(xù)防滅火工作提供依據(jù)，保證工作面安全回采。

1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

1.1 工作面概況

本文以貴州某礦4244工作面為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用數(shù)值模擬的研究方法[20-21]，在注重注氮成果以及考慮實(shí)際情況如注氮能力，注氮成本等因素的條件下，得出合理注氮參數(shù)，為采空區(qū)防滅火工作提供理論指導(dǎo)。4244工作面南部為四采區(qū)運(yùn)輸下山、四采區(qū)回風(fēng)下山，開采24號(hào)煤層，24號(hào)煤層屬Ⅱ級(jí)容易自燃煤層，煤層埋藏深度323～401 m，含夾矸2～3層，煤厚1.8～3.0 m，平均2.4 m；煤層傾角10°～14°，平均12°，賦存較穩(wěn)定。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法控制頂板，綜合機(jī)械化采煤工藝。工作面走向長(zhǎng)度為781 m，傾向長(zhǎng)度為79 m，采用U型通風(fēng)方式，設(shè)計(jì)配風(fēng)量800 m3/min左右，進(jìn)回風(fēng)巷斷面為半圓拱形，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道設(shè)計(jì)下寬5 m、中高3 m，斷面12.3 m2；采煤工作面切眼巷道斷面為矩形斷面，巷道凈寬5.2 m，凈高2.5 m，斷面積13 m2，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。相鄰為4242采空區(qū)，回風(fēng)巷距采空區(qū)的小煤柱僅為寬5 m。

1.2 自燃“三帶”劃分依據(jù)與測(cè)試方案

本文在進(jìn)行自燃“三帶”劃分時(shí)，以采空區(qū)氧氣濃度為劃分依據(jù)：散熱帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)大于18%的區(qū)域,自燃氧化帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%～18%的區(qū)域,窒息帶為氧氣體積分?jǐn)?shù)小于10%的區(qū)域[10,21-22]。采空區(qū)預(yù)埋束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1號(hào)—4號(hào)，采空區(qū)束管設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為150 m。測(cè)點(diǎn)探頭垂直高度0.3 m，為防止采空區(qū)滲水影響，現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)，利用矸石鋪底將束管抬高0.2 m，即測(cè)點(diǎn)探頭距離煤層底板0.5 m。根據(jù)工作面推進(jìn)情況，工作面每推進(jìn)10 m進(jìn)行1次氣體取樣，利用氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分和濃度分析，得出采空區(qū)氧氣濃度隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律。

圖1 采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置平面Fig.1 Layout plan of measuring points in goaf

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4424工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷側(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨采空區(qū)測(cè)點(diǎn)距工作面距離增加的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度隨采空區(qū)距工作面的距離增加整體上一直處于下降狀態(tài)，這是由于采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍龃笠约斑z煤耗氧共同造成的。由3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖可知，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度在0～30 m范圍內(nèi)趨近于大氣氧濃度，降低速度緩慢，而當(dāng)深度>30 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度下降速度加快，這是由于采空區(qū)深部漏風(fēng)強(qiáng)度小，無(wú)法及時(shí)稀釋掉遺煤及煤壁所解吸的瓦斯，且遺煤自燃氧化耗氧量快速增加，使得氧氣濃度快速下降。由1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度快速下降，這主要是由于在回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛壬仙俣燃涌?，相?duì)應(yīng)的導(dǎo)致氧氣濃度下降速度加快，且隨著采空區(qū)深度增加，采空區(qū)溫度增加，加快了采空區(qū)遺煤自燃氧化速率，氧氣消耗量增加，使得氧氣濃度下降速度越來(lái)越快。

圖2 采空區(qū)不同深度氧氣濃度變化曲線Fig.2 Variation curve of oxygen concentration at different depths in goaf

采空區(qū)自燃“三帶”實(shí)測(cè)范圍見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)自燃 “三帶”劃分Tab.1 Division of "Three Zones" of spontaneous combustion in goaf

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型的建立

結(jié)合4244工作面實(shí)際布置條件，簡(jiǎn)化模型，確定幾何尺寸參數(shù)，幾何參數(shù)見(jiàn)表2，建立的采空區(qū)幾何模型如圖3所示。

圖3 采空區(qū)幾何模型Fig.3 Geometric model of goaf

表2 幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters m×m×m

利用ANSYS Fluent Meshing對(duì)所建立的幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格選用正六面體核心型(Poly-Hexcore)網(wǎng)格，該模型劃分體網(wǎng)格單元數(shù)為622 669個(gè)，最小正交質(zhì)量等于0.5，最大縱橫比等于7，最大扭斜度小于0.3，網(wǎng)格質(zhì)量較高有利于計(jì)算結(jié)果的快速收斂。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 采空區(qū)網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of goaf

2.2 模擬參數(shù)確定

(1)孔隙率?？紫堵适穷w粒間空隙體積與自然狀態(tài)下的散粒狀介質(zhì)總體積的百分比，采空區(qū)空間任意一點(diǎn)的孔隙率ε(x,y,z)可以由該點(diǎn)的碎脹系數(shù)Kp(x,y,z)按以下公式計(jì)算得出。

(1)

(2)滲透率k。滲透率是表征土或巖石本身傳導(dǎo)流體能力的參數(shù)，受孔隙率和平均粒徑的影響，根據(jù)Catman公式，采空區(qū)滲透率與孔隙率和平均粒徑之間的關(guān)系：

(2)

(3)平均粒徑分布Dp。認(rèn)為采空區(qū)頂板垮落后平均粒徑在水平方向上不發(fā)生變化；在高度方向上，平均粒徑隨高度的變化服從拋物線型分布規(guī)律，按下式進(jìn)行計(jì)算。

Dp=-0.000 008(z-h)2+0.06

(3)

(4)黏性阻力系數(shù)C1和慣性阻力系數(shù)C2。在Fluent中多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)來(lái)模擬計(jì)算域中多孔性材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力。該源項(xiàng)由2部分組成，即Darcy黏性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)，在Fluent中所對(duì)應(yīng)的為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)2個(gè)參數(shù)：

(4)

(5)

(5)氧氣消耗源項(xiàng)O?？紤]遺煤自燃氧化耗氧，耗氧項(xiàng)可用下式表示：

(6)

式中，A為指前因子；CO2為采空區(qū)氧氣濃度；E為活化能；n為表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

2.3 邊界條件的設(shè)定

采空區(qū)多孔介質(zhì)參數(shù)及源項(xiàng)設(shè)置均通過(guò)UDF接口導(dǎo)入，調(diào)用DEFINE_PROFILE宏函數(shù)設(shè)置孔隙率、黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，使用DEFINE_SOURCE宏函數(shù)設(shè)置源項(xiàng)，將工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet)，回風(fēng)巷和埋管出口設(shè)置為自由出流(outflow)，基本模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 模擬基本參數(shù)Tab.3 Simulation basic parameters

3 模擬結(jié)果與分析

采用注氮防滅火，注氮工藝的差異使得防滅火效果也不相同。結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，根據(jù)礦井工作面的具體開采方式，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和理論分析，得出最佳注氮參數(shù)，為采空區(qū)防滅火工作提供參考。

3.1 不同注氮位置模擬結(jié)果分析

注氮口位置是采空區(qū)遺煤自燃防治注氮方案設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一，為尋求最佳的注氮位置，在進(jìn)風(fēng)側(cè)分別設(shè)置3個(gè)不同的注氮口距離，即X=50 m、X=75 m、X=100 m，X值代表注氮口距離工作面的距離，注氮量設(shè)為50 m3/h。通過(guò)調(diào)取z=1 m、Line1、Line2上的數(shù)值模擬結(jié)果(圖5、圖6)，分析不同注氮位置條件下采空區(qū)的氧氣濃度場(chǎng)變化規(guī)律。根據(jù)圖5(a)氧氣分布云圖以及圖6進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧濃度的變化曲線可以得出，在未注氮的條件下，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶范圍為52～129 m，回風(fēng)側(cè)氧化范圍為23～73 m。與表1數(shù)據(jù)比較可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，這在一定程度上驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和合理性。

圖5 不同注氮位置條件下z=1 m截面氧氣分布云圖Fig.5 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection positions

圖6 不同注氮位置條件下Line1與Line2氧氣濃度變化曲線Fig.6 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection positions

由圖5和圖6可以看出，注氮能夠明顯縮小采空區(qū)氧化帶范圍，但不同注氮位置影響幅度有所區(qū)別，注氮位置對(duì)采空區(qū)氧氣濃度的影響主要集中在采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的區(qū)域?？梢悦黠@看出，注氮位置附近氧氣濃度急速降低。根據(jù)模擬導(dǎo)出的結(jié)果，計(jì)算獲得不同注氮位置條件下氧化帶寬度，同時(shí)按照模型比例，利用AutoCAD的aa命令測(cè)量氧化帶面積，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，注氮對(duì)本采空區(qū)氧化帶寬度影響顯著，當(dāng)注氮位置為50 m時(shí)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度均達(dá)到最小值，分別為7 m和40 m；同時(shí)，注氮可以減小本采空區(qū)與相鄰采空氧化帶面積，但對(duì)本采空區(qū)的效果明顯優(yōu)于對(duì)相鄰采空區(qū)的影響。與未注氮相比，注氮位置為50、75、100 m條件下的氧化帶總面積分別減小了6 694、6 384、5 817 m2。相比而言，選擇注氮口位置深度為50 m能較大程度地稀釋工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣，從而能減小采空區(qū)氧化帶區(qū)域面積。

圖7 不同注氮位置條件下氧化帶寬度與面積Fig.7 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection positions

3.2 不同注氮流量模擬結(jié)果分析

注氮量同樣是采空區(qū)遺煤自燃防治注氮方案設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的參數(shù)之一，一般是指每小時(shí)注入采空區(qū)的氮?dú)饬?。根?jù)上文選取注氮位置為X=50 m，選取4個(gè)不同的注氮量，即Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h，模擬分析不同注氮量對(duì)采空區(qū)氧氣分布的影響，模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，不同的注氮流量同樣會(huì)影響氧化帶的范圍，隨著注氮流量變大，注氮對(duì)采空區(qū)氧氣濃度分布的影響范圍就越大，總體來(lái)看，采空區(qū)氧化帶的范圍隨著注氮流量的增大而減小。不同的注氮流量條件下，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度開始快速降低的位置有所不同，注氮流量越大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度開始降低位置越靠近工作面，這說(shuō)明隨著注氮流量的增大，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶前移，即采空區(qū)氧化帶起始會(huì)離工作面越來(lái)越近，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h條件下，氧化帶起始位置與工作面的距離分別為21、18、14、12 m，氧化帶的前移會(huì)威脅工作面的安全生產(chǎn)。

圖8 不同注氮流量下z=1 m截面氧氣分布云圖Fig.8 Cloud map of oxygen distribution at z=1 m section under different nitrogen injection flow rates

圖9 不同注氮流量下Line1與Line2氧氣濃度變化曲線Fig.9 Variation curve of oxygen concentration of Line1 and Line2 under different nitrogen injection flow rates

不同注氮流量下氧化帶寬度與面積變化如圖10所示。由圖10可知，隨著注氮流量的增加，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度基本保持不變，回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度逐漸減小，當(dāng)注氮流量為200 m3/h時(shí)，達(dá)到最小值為33 m；本采空區(qū)氧化帶面積隨注氮流量的增加逐漸減小，與未注氮相比，在Q=50 m3/h、Q=100 m3/h、Q=150 m3/h、Q=200 m3/h條件下，本采空區(qū)氧化帶面積分別減少了50.6%、62.1%、66.9%、69.8%，但相鄰采空區(qū)氧化帶面積卻隨著注氮流量的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化。當(dāng)注氮流量超過(guò)100 m3/h時(shí)，氧化帶面積減小趨勢(shì)變緩，且注氮流量越大，氧化帶越靠近工作面，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)效益，注氮流量設(shè)置為100 m3/h最為適宜。

圖10 不同注氮流量下氧化帶寬度與面積Fig.10 Oxidation zone width and area under different nitrogen injection flow rates

4 結(jié)論

(1)4244工作面采空區(qū)氧化帶范圍：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)51～120 m，回風(fēng)側(cè)20～71 m，模擬結(jié)果進(jìn)風(fēng)側(cè)52～129 m，回風(fēng)側(cè)23～73 m，驗(yàn)證了通過(guò)該模型對(duì)采空區(qū)氧氣分布及煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行模擬研究的可靠性。

(2)通過(guò)對(duì)工作面不同注氮條件下數(shù)值模擬研究，可以得出注氮能夠明顯改變采空區(qū)氣體分布狀況，降低氧濃度；當(dāng)注氮位置為X=50 m時(shí)，采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度最小分別為7 m和40 m，且此采空區(qū)氧化帶面積減少了6 694 m2；注氮流量的增大，在降低本采空區(qū)氧化帶面積的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶前移，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)。綜合考慮，注氮流量設(shè)置為100 m3/h最為適宜。

(3)此工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮對(duì)相鄰采空區(qū)氧化帶影響范圍較小，要求在回采過(guò)程中需要對(duì)煤柱進(jìn)行加固，降低孔隙率，控制漏風(fēng)，減少氧氣進(jìn)入相鄰采空區(qū)。