劉 超，陳 真，楊 彪，毛少軍，張慧峰，楊程帆

(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北地區(qū)不少礦井工作面存在上隅角CO異常涌出的現(xiàn)象，原因包括采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生CO、工作面生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO、井下交通工具產(chǎn)生CO等在工作面上隅角聚集。CO作為一種有毒有害氣體，如果井下現(xiàn)場(chǎng)人員長(zhǎng)期處于高CO狀態(tài)，體能會(huì)受到影響，甚至出現(xiàn)不良身體反應(yīng)。因此，一旦CO在工作面上隅角聚集或涌出，會(huì)嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)環(huán)境，危害井下工人的身體健康，影響工作面正常生產(chǎn)[1]。小保當(dāng)一號(hào)井112207綜采工作面回采期間，在工作面無任何自然發(fā)火跡象的情況下，上隅角CO濃度較大，特別容易造成煤自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的誤報(bào)，甚至出現(xiàn)CO超限的現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，利用FLUENT流場(chǎng)數(shù)值模擬軟件，研究工作面上下端頭設(shè)置臨時(shí)密閉，對(duì)綜采面上隅角CO涌出的防控具有實(shí)用價(jià)值。

1 工作面概況

小保當(dāng)一號(hào)井112207綜采工作面位于2-2煤11盤區(qū)，西部相鄰112201采空區(qū)，東部布置112208工作面正在掘進(jìn)順槽，北至2-2輔運(yùn)大巷，切眼中線距離南部井田邊界26 m。直接頂為厚度1.25～11.47 m的細(xì)粒砂巖，老頂為厚度4.07～35.29 m的中粒砂巖，直接底為厚度8.19～26.62 m的砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，老底為厚度2.9～14.37 m的砂質(zhì)泥巖。煤層傾角不足1°，煤層厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，容重1.32×103kN/m3，根據(jù)井下實(shí)際情況設(shè)計(jì)采高5.7 m。

小保當(dāng)一號(hào)煤礦開采方式為大采高煤層開采，回風(fēng)隅角CO主要來源有煤層原生CO氣體、采空區(qū)遺煤氧化釋放CO、煤層采掘過程產(chǎn)生CO和礦用膠輪車產(chǎn)生CO。

2 采空區(qū)數(shù)值模擬三維模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 控制方程

工作面開采過后，采空區(qū)頂板垮落，采空區(qū)內(nèi)充滿了垮落下來的塊狀破碎巖石，覆蓋遺留在采空區(qū)內(nèi)部的松散煤體，形成多孔流場(chǎng)區(qū)域。采空區(qū)內(nèi)破碎巖體及松散煤體之間的裂隙在采空區(qū)內(nèi)分布極為豐富，根據(jù)這些特征基本允許將松散煤體和巖體均視為均勻的多孔介質(zhì)，僅需在模擬時(shí)設(shè)置不同的滲流參數(shù)作為區(qū)分即可[2 -5]。在滲流模型中，漏風(fēng)強(qiáng)度僅考慮平均意義下的，也就是通過單位面積松散煤體的漏風(fēng)量[6 -7]。在設(shè)定的計(jì)算區(qū)域內(nèi)，流體的密度保持不變，空氣滲流應(yīng)當(dāng)符合達(dá)西定律[8 -9]。常溫常壓下松散煤體吸附平衡且氧化緩慢，氧化消耗的氧氣量和產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物等量。根據(jù)菲克定律，空氣中各組分?jǐn)U散是從濃度最高處向最低處進(jìn)行的[10 -11]。因?yàn)槊鹤匀际且粋€(gè)非常緩慢的過程，所以工作面在正常推進(jìn)時(shí)，可以將采空區(qū)的滲流、擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)考慮成一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。因此采空區(qū)溫度基本可以認(rèn)為保持不變[12]，故控制方程如下

2.2 采空區(qū)物理模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，112207綜采工作面采空區(qū)會(huì)有一定厚度浮煤，現(xiàn)階段因?yàn)椴煽諈^(qū)浮煤厚度分布的復(fù)雜性和采空區(qū)的封閉性，還沒找到準(zhǔn)確測(cè)量浮煤厚度的方法。在預(yù)測(cè)煤自燃的過程中浮煤厚度的測(cè)量是通過間接測(cè)算的方法[13]。

112207綜采工作面位于小保當(dāng)一號(hào)井2-2煤11盤區(qū)，煤層平均厚度為5.7 m，工作面走向長(zhǎng)5 630 m，傾斜長(zhǎng)350 m，采高為5.7 m。112207綜采工作面膠運(yùn)順槽6.5 m×4.25 m(寬×高)，回風(fēng)順槽5.4 m×4.4 m(寬×高)。工作面回采率在95%左右，遺煤的空隙率定為30%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，估算出采空區(qū)平均浮煤厚度。

浮煤厚度：5.7×(1-0.95)/(1-0.3)=0.41 m。

采空區(qū)兩道浮煤厚度：進(jìn)風(fēng)側(cè)(5.7-4.25)/(1-0.3)=2.07 m?；仫L(fēng)側(cè)(5.7-4.4)/(1-0.3)=1.86 m。

對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，首先構(gòu)建采空區(qū)幾何模型。本次所模擬的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)350 m×300 m×30 m的立體區(qū)域，其中X軸方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向方向，Y軸為工作面走向方向，Z軸為垂直方向。三維模型如圖1所示。并在進(jìn)回風(fēng)端頭各設(shè)置一道臨時(shí)密閉，臨時(shí)密閉尺寸與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相同，工作面臨時(shí)密閉位置如圖2所示。

圖1 采空區(qū)三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of goaf

圖2 工作面臨時(shí)密閉位置Fig.2 Temporary sealing position of working face

通過ANSYS Workbenchd中的網(wǎng)格劃分軟件Mesh，對(duì)圖2中的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格主要以四面體網(wǎng)格為主，以六面體網(wǎng)格為輔。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，采空區(qū)立體空間劃分的網(wǎng)格質(zhì)量良好，可以滿足采空區(qū)流場(chǎng)模擬的要求。

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of 3D model

2.3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

2.3.1 材料設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的CO產(chǎn)生速率，編寫UDF，在數(shù)值計(jì)算過程中加載到遺煤區(qū)域的源項(xiàng)中。采空區(qū)松散煤體和巖體的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 材料設(shè)置

2.3.2 邊界條件

暴露面：進(jìn)風(fēng)口O2體積百分比為21%；質(zhì)量百分比為23.3%；溫度為300 K。

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速：根據(jù)工作面供風(fēng)量計(jì)算得出進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為1.68 m/s。

回風(fēng)巷出口：設(shè)定為自由出口。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

基于建立的數(shù)值模擬模型，在相同的邊界條件前提下，分別對(duì)端頭無臨時(shí)密閉和有臨時(shí)密閉的采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

3.1 速度場(chǎng)分析

上述2種情況下的采空區(qū)速度場(chǎng)云圖，如圖4、5所示。兩圖對(duì)比可以看出，在無臨時(shí)密閉的情況下，工作面部分新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)端頭直接進(jìn)入采空區(qū)中，采空區(qū)內(nèi)的氣體從工作面回風(fēng)端頭涌出，形成一個(gè)漏風(fēng)源和一個(gè)漏風(fēng)匯的過程。相比之下，在工作面進(jìn)回風(fēng)端頭增設(shè)臨時(shí)密閉后，工作面的風(fēng)流速度略微增大，進(jìn)風(fēng)端頭流入采空區(qū)的風(fēng)流減小，同時(shí)，因臨時(shí)密閉的影響，采空區(qū)氣體從回風(fēng)端頭涌出受阻。這說明，工作面進(jìn)回風(fēng)端頭建立臨時(shí)密閉對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)封堵以及氣體涌出防控具有一定的作用。

圖4 無臨時(shí)密閉采空區(qū)速度云圖Fig.4 Velocity cloud map of goaf without temporary sealing

圖5 有臨時(shí)密閉采空區(qū)速度云圖Fig.5 Velocity cloud map of goaf with temporary sealing

3.2 CO濃度場(chǎng)分析

圖6為工作面進(jìn)回風(fēng)端頭無密閉和有密閉2種情況下，采空區(qū)內(nèi)部空間的CO濃度場(chǎng)云圖。從圖中可以看出，在采空區(qū)中，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)區(qū)域積聚的CO濃度比采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域積聚的CO濃度大。在采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的影響下，CO氣體從工作面上隅角涌出。總體來說，沿工作面傾向方向，距離回風(fēng)側(cè)越近，采空區(qū)內(nèi)部的CO濃度越大，上隅角處的CO濃度能達(dá)到0.035‰～0.040‰，這也與現(xiàn)場(chǎng)上隅角CO濃度較為吻合。沿工作面走向方向，采空區(qū)深部的CO濃度大于靠近工作面的CO濃度，這是由于新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)端頭進(jìn)入采空區(qū)后，在采空區(qū)內(nèi)形成流場(chǎng)，經(jīng)過采空區(qū)遺煤后，O2不斷被消耗，CO不斷產(chǎn)生，CO濃度逐漸增大。

用Fluent軟件從CO濃度場(chǎng)云圖中提取采空區(qū)回風(fēng)側(cè)CO濃度數(shù)據(jù)，如圖7所示，為采空區(qū)走向方向回風(fēng)側(cè)CO濃度隨采空區(qū)深度的變化規(guī)律。

圖6 采空區(qū)CO濃度場(chǎng)Fig.6 CO concentration field in goaf

圖7 采空區(qū)走向方向回風(fēng)側(cè)CO濃度Fig.7 CO concentration at the return air side in the goaf direction

從圖中可以看出，隨著采空區(qū)深度的加深，CO濃度迅速增大，這是由于模擬過程中，采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生的CO在采空區(qū)積聚的表現(xiàn)。對(duì)比分析圖7(a)和圖7(b)，工作面上下端頭無臨時(shí)密閉時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的氣體從上隅角涌出，導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)巷道10 m范圍內(nèi)出現(xiàn)CO，CO平均濃度沿回風(fēng)巷風(fēng)流方向逐漸降低。在工作面上下端頭設(shè)置臨時(shí)密閉后，上隅角CO濃度驟降，回風(fēng)巷道10 m范圍內(nèi)CO濃度最低為0.001‰。

由此表明，在工作面上下端頭建立臨時(shí)閉墻，一定程度上可以減小工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)可以減少采空區(qū)氣體向工作面上隅角涌出。

4 結(jié)論

(1)在工作面進(jìn)回風(fēng)端頭無臨時(shí)密閉時(shí)，工作面新鮮風(fēng)流從下隅角流入采空區(qū)中，為采空區(qū)遺煤氧化供給氧氣，產(chǎn)生的CO從上隅角涌出。

(2)在工作面進(jìn)回風(fēng)端頭設(shè)置臨時(shí)密閉，一方面，可以減小采空區(qū)漏風(fēng)，另一方面，可以減少采空區(qū)氣體向工作面上隅角涌出。因此，端頭密閉可對(duì)工作面上隅角CO防控起到一定作用。