楊 建，劉浩東，崗戰(zhàn)偉

(陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713699)

0 引言

掌握采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律是制定有效防滅火措施、開(kāi)展防滅火工作的基礎(chǔ)[1-3]。目前常用的采空區(qū)“三帶”分布觀測(cè)方法主要是在采空區(qū)布設(shè)埋管抽氣，通過(guò)檢測(cè)氣體成分確定“三帶”范圍[4-6]。但由于采空區(qū)中部存在埋管工藝復(fù)雜、矸石垮落沖擊破壞力大、獲取氣體濃度準(zhǔn)確度較低等不利因素，往往僅在進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)分別布設(shè)埋管確定進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的“三帶”分布，采空區(qū)中部的“三帶”則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)劃定[7-10]。隨著流場(chǎng)理論被應(yīng)用于采空區(qū)流場(chǎng)，數(shù)值模擬成為研究采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)分布的一種有效手段。研究表明，在采空區(qū)內(nèi)都是連續(xù)分布函數(shù)，將其設(shè)定為常數(shù)或用分段函數(shù)代替，并不完全符合實(shí)際[11-14]。

以高家堡煤礦204工作面為研究對(duì)象，建立三維模型，通過(guò)UDF編制連續(xù)分布函數(shù)，加載入模型，研究綜采面采空區(qū)自燃“三帶”分布與注氮參數(shù)，以期為高家堡煤礦和其他具有相似條件的礦井采取采空區(qū)自燃防治措施提供參考。

1 采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)采集

1.1 采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

采用埋管抽氣法觀測(cè)采空區(qū)氣體濃度分布，測(cè)定范圍大約距工作面200 m，每間隔50 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，保持采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)及中部區(qū)域各3個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)。待氧氣體積分?jǐn)?shù)低于5%以下，即可結(jié)束觀測(cè)。在204工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽和工作面后方共布置5路監(jiān)測(cè)管路，每條管路間隔50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都安設(shè)束管裝置、氣樣采集裝置。隨著工作面的推進(jìn)，傳感器和束管都將埋入采空區(qū)。通過(guò)每天傳感器的讀數(shù)和束管檢測(cè)系統(tǒng)的氣體分析數(shù)據(jù)，掌握采空區(qū)內(nèi)氧氣和一氧化碳及其他氣體成分的變化情況，進(jìn)而得出采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度變化規(guī)律。

圖1 204采空區(qū)溫度及氣體濃度測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of temperature and gas concentration measuring points in goaf 204

各測(cè)點(diǎn)在不取氣時(shí)用塑料密封好，放置在隱蔽地點(diǎn)，加以保護(hù)。由于將測(cè)點(diǎn)與礦井束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連操作過(guò)于繁雜，所以需要利用便攜式抽氣泵進(jìn)行人工采樣分析。每天組織專人用球膽(氣囊)在各測(cè)點(diǎn)取氣，送至地面色譜站采用氣相色譜分析法測(cè)定。束管在鋪設(shè)過(guò)程中使用3英寸鋼管作為保護(hù)套管，以防被冒落的巖石壓壞。為了便于區(qū)分不同的測(cè)點(diǎn)，束管抽氣口處作出辨認(rèn)標(biāo)記，束管直徑為8 mm，束管端頭應(yīng)使用過(guò)濾式探頭。每根束管負(fù)責(zé)一個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣樣，為防擠壓，兩順槽處敷設(shè)的管路需要盡量貼近煤壁，探頭固定在煤壁下方，防止采煤過(guò)程中探頭被砸。引線從3英寸的鋼管內(nèi)拉出。在鋪設(shè)過(guò)程中還應(yīng)注意每個(gè)測(cè)點(diǎn)的探頭都應(yīng)在引出的過(guò)程中標(biāo)示清楚其具體測(cè)點(diǎn)號(hào)；此外，在鋪設(shè)探頭的過(guò)程中，所有的管路應(yīng)緊貼煤體以減少垮落壓斷的可能性。

1.2 氧氣濃度分布

根據(jù)204工作面地質(zhì)構(gòu)造及巷道布置的特點(diǎn)，按照方案總共布置了15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在觀測(cè)的過(guò)程中，由于采空區(qū)深度的加大，采空區(qū)內(nèi)部礦壓也隨之增大。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采空區(qū)內(nèi)不同位置氧氣濃度及溫度分布如圖2、3所示。

圖2 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布Fig.2 Oxygen concentration distribution in the goaf

圖3 采空區(qū)內(nèi)溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the goaf

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度整體呈下降趨勢(shì)。在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)58 m左右的深度氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到了14%，之后氧濃度下降速度明顯加快，可見(jiàn)采空區(qū)浮煤的氧化較為嚴(yán)重。在進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣的濃度下降比回風(fēng)側(cè)慢，在距工作面82 m的范圍內(nèi)氧氣濃度一直保持在較高的水平，氧氣體積分?jǐn)?shù)降低到14%左右，這是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)壓差較大，造成漏風(fēng)很大，另外由于束管鋪設(shè)在靠近巷幫的地方，此處由于煤柱及巷道支護(hù)錨桿與錨網(wǎng)的共同作用，在很長(zhǎng)的一段距離內(nèi)頂板無(wú)法垮落，造成“三角”漏風(fēng)區(qū)域的存在，同時(shí)由于臨近巷道側(cè)的采空區(qū)頂板垮落不嚴(yán)實(shí)孔隙率較大。

2 采空區(qū)氧化“三帶”分布范圍模擬

2.1 FLUENT模型的建立

根據(jù)高家堡煤礦204工作面基本參數(shù)，建立簡(jiǎn)化后的綜放采空區(qū)三維網(wǎng)格模型。在Solidworks軟件中根據(jù)實(shí)際尺寸建立三維模型，工作面寬度10 m，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷長(zhǎng)10 m，橫截面5 m×5 m，采空區(qū)26 m×220 m×200 m(高×長(zhǎng)×寬)。根據(jù)后期模擬計(jì)算需求選擇ICEM-CFD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分，建立三維網(wǎng)格模型如圖4所示。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將直接影響到后期FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果的精度和收斂速度，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格質(zhì)量為1，達(dá)到FLUENT軟件求解計(jì)算要求。

圖4 工作面3D模型Fig.4 3D model of working face

作面進(jìn)風(fēng)巷道口定義為速度入口inlet，邊界條件類型為velocity-inlet，回風(fēng)巷道出口定義為自由出口(outflow)，工作面與采空區(qū)之間的2個(gè)面，設(shè)置為內(nèi)部交界面(interior)，在ICEM-CFD中設(shè)置整個(gè)三維模型為流體區(qū)域(fluid)。設(shè)置完成后，初始化計(jì)算條件，進(jìn)行數(shù)值模擬迭代計(jì)算。

2.2 模擬結(jié)果及分析

采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度分布如圖5所示。受風(fēng)流運(yùn)移的影響，采空區(qū)整體氧氣濃度回風(fēng)側(cè)明顯小于進(jìn)風(fēng)側(cè)，同時(shí)沿工作面推進(jìn)方向看，采空區(qū)中部和深部氧氣濃度在逐漸降低。采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣的滲流范圍相對(duì)于采空區(qū)中部以及回風(fēng)側(cè)更加明顯，氧化帶最大深度達(dá)135 m。由于空氣經(jīng)過(guò)沿途耗氧以及動(dòng)量損失回到回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度明顯降低?；仫L(fēng)側(cè)氧氣濃度隨著向采空區(qū)深部的不斷延伸，呈現(xiàn)不斷衰減的趨勢(shì)，較高濃度的氧氣帶在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷呈現(xiàn)非等距分布，按氧氣濃度8%～18%為氧化帶、大于18%為散熱帶、小于8%為窒息帶的“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)，明顯可以看出進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶范圍大于回風(fēng)側(cè)氧化帶范圍，從工作面方向看從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)，氧化帶寬度呈現(xiàn)逐漸減小的變化。

圖5 采空區(qū)氧氣濃度分布Fig.5 Oxygen concentration distribution in goaf

由圖4、5中數(shù)據(jù)可得到散熱帶的范圍位于工作面后方0～34 m左右，同時(shí)顯然采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)散熱帶寬度大于回風(fēng)巷，工作面進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)散熱帶最大深度達(dá)到34 m，而回風(fēng)巷散熱帶最大寬度僅為工作面后方20 m。

根據(jù)采空區(qū)氧濃度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，204工作面采空區(qū)散熱帶的分布范圍在采空區(qū)內(nèi)距離工作面0～34 m以內(nèi)，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)處由于漏風(fēng)相對(duì)較大，散熱帶范圍相對(duì)較深，回風(fēng)側(cè)由于遺煤的氧氣消耗，散熱帶較淺。窒息帶在距離工作面100～135 m以上的采空區(qū)深部。

3 不同注氮口位置對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”模擬結(jié)果及分析

3.1 注氮口位置對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”模擬

為了確定合理的注氮?dú)馕恢?，分析不同注氮位置?duì)于注氮效果的影響，故選取4個(gè)不同的注氮口位置，X值代表注氮口距離工作面的距離。由于氮?dú)鈮鹤⒐苈仿裆畛^(guò)50 m后有極大概率會(huì)被遺煤壓碎破壞，因此注氮?dú)夤苈仿裆钭畲笤O(shè)置為60 m，即模擬注氮口分別位于工作面后方30 m、40 m、50 m、60 m。注氮管路位置模型如圖6所示。

圖6 注氮口不同位置模型示意Fig.6 Different positions model of the inert injection port

為了模擬取得較好的效果，從而選取出合理的注氮位置，設(shè)定注氮流量為600 m3/h，通過(guò)改變注氮口位置參數(shù)，進(jìn)行多組模擬，結(jié)合自燃“三帶”的變化分析注氮效果，確定最佳注氮口位置。不同注氮口采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布示意Fig.7 Oxygen concentration distribution in the goaf

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，注氮后采空區(qū)流場(chǎng)發(fā)生了明顯的變化，氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后，能夠有效地驅(qū)替采空區(qū)內(nèi)部的氧氣，同時(shí)增大了采空區(qū)內(nèi)部的壓強(qiáng)，從而減少工作面內(nèi)部與采空區(qū)風(fēng)流的壓強(qiáng)差，有效地抑制了工作面風(fēng)流向采空區(qū)后方漏風(fēng)的情況。

3.2 注氮效果與氧化帶深的關(guān)系

工作面未注氮前進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)散熱帶的最大延伸深度達(dá)到了工作面后方33 m，因此當(dāng)注氮位置位于工作面進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)后方30 m時(shí)，注氮明顯對(duì)散熱帶的范圍造成一定的影響，在靠近注氮口位置處出現(xiàn)了散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶在此匯集的現(xiàn)象，并且采空區(qū)后方氧化帶范圍出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明在此位置注氮起到了一定的防滅火效果。但同時(shí)由于注氮口位置處于散熱帶區(qū)域內(nèi)而距離氧化帶較遠(yuǎn)，一方面散熱帶內(nèi)風(fēng)速較大，在此區(qū)域注氮后氮?dú)馊菀妆宦╋L(fēng)風(fēng)流所帶走，另一方面，由于遠(yuǎn)離氧化帶，注氮后其氧化帶效果較差，在此位置注氮后采空區(qū)氧化帶最大深度為104 m，縮減幅度約為22.3%。

而當(dāng)注氮口位置位于工作面后方40 m時(shí)，在此區(qū)域注氮時(shí)同樣也出現(xiàn)了采空區(qū)后方氧化帶、散熱帶、窒息帶匯集的現(xiàn)象，并且由于注氮的影響，注氮位置附近散熱帶區(qū)域形狀發(fā)生了明顯的變化，其氧化帶最大深度為95 m，氧化帶最大寬度縮減39 m，縮減程度為29.1%。持續(xù)增加深度，使得注氮口位置位于工作面后方50 m時(shí)，其氧化帶最大寬深為92 m，最大縮減幅度為31.3%。當(dāng)注氮口位置為采空區(qū)內(nèi)部60 m時(shí)，氮?dú)庵饕虿煽諈^(qū)后方流失，氧化帶的最大深度為94 m，縮減幅度為29.8%。當(dāng)注氮口位置位于工作面后方50 m時(shí)，氧化帶的縮減幅度最大，因此將此參數(shù)設(shè)定為采空區(qū)最佳注氮距離。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)高家堡煤礦204工作面進(jìn)行束管敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和數(shù)值模擬相互驗(yàn)證，得出回采期間采空區(qū)內(nèi)氧化“三帶”分布范圍。204工作面采空區(qū)散熱帶的分布范圍在采空區(qū)內(nèi)距離工作面0～34 m以內(nèi)，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶較深，回風(fēng)側(cè)較淺；氧化升溫帶的劃分在距離工作面34～135 m范圍內(nèi)，進(jìn)風(fēng)側(cè)較深，可達(dá)135 m；窒息帶分布在距離工作面100～135 m以上的采空區(qū)深部。

(2)利用FLUENT數(shù)值模擬軟件，對(duì)采空區(qū)內(nèi)注氮口位置分別位于30 m、40 m、50 m、60 m的情況下采空區(qū)氧化“三帶”的分布影響進(jìn)行了研究，并確定以50 m為最佳注氮口位置。