張?jiān)鲚x

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 保德 036600）

隨著綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，煤礦采空區(qū)火災(zāi)事故也更加頻繁地發(fā)生，這增加了井下采空區(qū)火災(zāi)防治的難度[1]。綜放工作面開(kāi)采完成后，采空區(qū)內(nèi)存留大量松散遺煤，若采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，其內(nèi)部易發(fā)生煤自燃[2]。通常采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，若無(wú)法及時(shí)處理，容易引發(fā)大規(guī)模煤層火災(zāi)[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)有的重點(diǎn)煤礦中，有60%的煤礦發(fā)生過(guò)采空區(qū)煤自燃災(zāi)害[4-7]。對(duì)于傾斜易自燃工作面而言，工作面采空區(qū)內(nèi)熱風(fēng)壓的方向始終向上且煤自燃傾向性越高火風(fēng)壓作用越強(qiáng)，下行通風(fēng)時(shí)對(duì)工作面的漏風(fēng)抑制效果越明顯，所以采空區(qū)內(nèi)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的分布與上行通風(fēng)可能有所不同[8]。目前的研究主要針對(duì)上行通風(fēng)采空區(qū)自然發(fā)火的[9-11]，對(duì)不同自燃傾向性的下行通風(fēng)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布的研究相對(duì)較少[12]。

對(duì)于采空區(qū)自燃“三帶”的劃分，學(xué)者們多將氧氣體積分?jǐn)?shù)10%或8%作為采空區(qū)內(nèi)窒息帶和氧化自燃帶的邊界[13-15]。取低值8%作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于8%的區(qū)域具有自燃危險(xiǎn)的可能，因此稱(chēng)之為具有自燃危險(xiǎn)可能的區(qū)域。為此，以保德礦為例，由于煤層傾角的存在，工作面兩端的巖層應(yīng)力不同，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)回風(fēng)測(cè)的孔隙率和滲透率也必然不同，在建立孔隙率和滲透率方程時(shí)應(yīng)該將煤層傾角考慮進(jìn)去；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了更加符合該礦采空區(qū)實(shí)際的采空區(qū)氣體滲流及擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，依據(jù)該模型數(shù)值模擬得出了采空區(qū)內(nèi)遺煤不同自燃傾向性（熱通量設(shè)置分別為0、5、15、35、65 W/m2）下行通風(fēng)時(shí)綜放工作面采空區(qū)具有自燃危險(xiǎn)可能的區(qū)域的分布規(guī)律、分布范圍及采空區(qū)內(nèi)部高溫區(qū)域的分布范圍、最高溫度值等相關(guān)規(guī)律，所得規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的采空區(qū)氧氣數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

1 采空區(qū)滲流方程及仿真模型

1.1 采空區(qū)氣體滲流及擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

采空區(qū)是由松散煤體和圍巖層組成的多孔介質(zhì)區(qū)域，假設(shè)風(fēng)流在通過(guò)松散煤體空隙時(shí)，密度不變；漏風(fēng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)松散煤巖體空隙時(shí)，滲流速度極小，采空區(qū)內(nèi)部滲流主要為層流；采空區(qū)煤巖體為方向性質(zhì)相同的多孔介質(zhì)，則有：

式中：H為采空區(qū)巖層壓力，Pa；Kx、Ky、Kz為x、y、z方向多孔介質(zhì)中的滲透系數(shù)，（m3·s）/kg；x、y、z為三軸方向的距離，m。

采空區(qū)頂板垮落形成的松散煤厚度可達(dá)煤層實(shí)體厚度1.25 倍，其空隙率約為0.25。采空區(qū)后部煤巖體逐漸被壓實(shí)，空隙率約為0.20[16-17]。由于采空區(qū)內(nèi)情況復(fù)雜，難以有效觀(guān)測(cè)，因此傾向方向的空隙率也參考這一數(shù)值。

采空區(qū)內(nèi)松散煤體的空隙分布可擬合為：

式中：n為采空區(qū)孔隙率；b為與工作面距離，m；a為與進(jìn)風(fēng)端口的水平距離，m；L為工作面長(zhǎng)度，m；θ為工作面傾角，（°）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定出空氣在不同空隙率破碎煤體中的滲透率[18]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，保德煤礦81309 工作面采空區(qū)內(nèi)空隙率為0.2～0.3，采空區(qū)內(nèi)部不同深度的滲透系數(shù)k為：

根據(jù)多孔介質(zhì)傳質(zhì)學(xué)理論，采空區(qū)內(nèi)氧氣質(zhì)量平衡方程為[19-21]：

式中：Qx、Qy、Qz為x、y、z方向上的漏風(fēng)強(qiáng)度；C為采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，mol；Dx、Dy、Dz為x、y、z方向松散煤體內(nèi)氧氣的擴(kuò)散系數(shù)，取2.88×10-5m2/s；V(T)為氧氣濃度為C時(shí)的耗氧速率，mol/(m3·s)。

1.2 計(jì)算模型及其邊界條件

根據(jù)81309 工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，一號(hào)進(jìn)風(fēng)巷寬5.0 m，高3.8 m；運(yùn)輸巷寬5.0 m，高3.8 m。采空區(qū)簡(jiǎn)化為深400 m，寬300 m，高20 m 的六面體，利用ICEM 建立上述模型，并劃分為1 m×1 m×1 m 的正六面體網(wǎng)格，x軸為走向，y軸為傾向方向（81309 工作面煤層傾角為12°），z軸為高。

工作面風(fēng)量1 500 m3/min，將式（1）～式（4）編寫(xiě)為CFD 仿真中的采空區(qū)孔隙率及滲透率UDF 控制程序，設(shè)置采空區(qū)內(nèi)部熱通量分別為0、5、15、35、65 W/m2。其他參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)定Table 1 Settings of other relevant parameters

2 不同火源強(qiáng)度下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)氧氣及溫度場(chǎng)

自燃特性的不同會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部煤放熱量、溫度不同，傾斜煤層采空區(qū)內(nèi)部的火風(fēng)壓強(qiáng)度也不同，從而使得下行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)內(nèi)部具有自燃危險(xiǎn)可能的區(qū)域的分布產(chǎn)生差異。采用實(shí)測(cè)方法對(duì)上述規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證的難度很大，因此利用CFD仿真軟件通過(guò)設(shè)置采空區(qū)不同熱源的方式對(duì)其進(jìn)行研究。

采空區(qū)內(nèi)部的熱風(fēng)壓作用隨著煤層傾角和火源強(qiáng)度的增加而增大，以?xún)A角12°的81309 工作面為研究對(duì)象，通過(guò)改變Fluent中熱通量的值來(lái)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)火源強(qiáng)度的變化，火源功率分別為0、5、15、35、65 W/m2。不同火源強(qiáng)度時(shí)下行通風(fēng)采空區(qū)具有自燃危險(xiǎn)可能的區(qū)域面積和最高溫度變化情況如圖1。在CFD 仿真結(jié)果中設(shè)置的采空區(qū)z=0.5 m 切面的不同火源功率的氧氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布仿真結(jié)果如圖2、圖3。

圖1 不同火源強(qiáng)度下行通風(fēng)仿真結(jié)果Fig.1 Simulation results of descending ventilation with different fire source intensity

圖2 不同火源功率時(shí)采空區(qū)氧氣場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of oxygen field distribution in goaf under different fire power

圖3 不同火源功率時(shí)采空區(qū)溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of goaf temperature field distribution under different fire power

由圖1～圖3 可以看出：隨著設(shè)置的采空區(qū)火源功率的增大，即采空區(qū)內(nèi)部火風(fēng)壓不斷增大，下行通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)為8%的位置與工作面距離的差值在逐漸減小，并且當(dāng)火源強(qiáng)度超過(guò)某一數(shù)值后，回風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度大于進(jìn)風(fēng)側(cè)；隨著火風(fēng)壓的增大下行通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)部的高溫區(qū)域的最高溫度從302 K 持續(xù)增長(zhǎng)到318 K（僅作為仿真分析，非實(shí)際采空區(qū)溫度）。

3 工作面參數(shù)實(shí)測(cè)及仿真模型驗(yàn)證

3.1 工作面測(cè)點(diǎn)布置

為了確定81309 工作面實(shí)際的采空區(qū)“三帶”分布并驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在該工作面共布置了6 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)：1#、2#測(cè)點(diǎn)布置在一號(hào)進(jìn)風(fēng)巷可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣體及溫度數(shù)據(jù)采集；3#、4#測(cè)點(diǎn)布置在采空區(qū)中部，距一號(hào)進(jìn)風(fēng)巷為40、60 m；5#、6#觀(guān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在運(yùn)輸巷17 聯(lián)巷。測(cè)量前預(yù)先埋入2 路束管及測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)，密閉施工完成后采集氣體及溫度數(shù)據(jù)。工作面觀(guān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置平面圖Fig.4 Measurement points layout plan

3.2 實(shí)測(cè)采空區(qū)“三帶”分布及模擬驗(yàn)證

進(jìn)風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)O2及CO 體積分?jǐn)?shù)隨埋入采空區(qū)深度的變化規(guī)律曲線(xiàn)如圖5。

圖5 1#測(cè)點(diǎn)氣體分布變化曲線(xiàn)Fig.5 Gas concentration variation curves at measurement point 1#

由圖5 可以看出：隨著工作面推進(jìn)O2體積分?jǐn)?shù)總體持續(xù)下降；推進(jìn)距離121 m 時(shí)，降至17.85%；推進(jìn)距離200 m 左右時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)降至8%以下；推進(jìn)距離76 m 時(shí)，首次監(jiān)測(cè)到CO，CO 體積分?jǐn)?shù)隨工作面推進(jìn)先升高后降低；在214 m時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值17×10-6。

采空區(qū)中部3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)O2及CO 體積分?jǐn)?shù)隨埋入采空區(qū)深度的變化規(guī)律曲線(xiàn)如圖6。

圖6 3#測(cè)點(diǎn)氣體分布變化曲線(xiàn)Fig.6 Gas concentration change curves at measurement point 3#

由圖6 可以看出：隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)中部O2體積分?jǐn)?shù)總體呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，CO 體積分?jǐn)?shù)呈先升高后持續(xù)下降的趨勢(shì)；當(dāng)推進(jìn)距離103 m時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)18%以下；推進(jìn)距離175 m 左右時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)8%以下；推進(jìn)距離22 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)到CO；推進(jìn)距離113 m 時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值20×10-6。

回風(fēng)巷6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)O2及CO 體積分?jǐn)?shù)隨埋入采空區(qū)深度的變化規(guī)律曲線(xiàn)如圖7。

圖7 5#測(cè)點(diǎn)氣體分布變化曲線(xiàn)Fig.7 Gas concentration variation curves at measurement point 5#

由圖7 可以看出：推進(jìn)距離191 m 時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)降至17.51%；推進(jìn)距離290 m 左右時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)降至8%以下；推進(jìn)距離22 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)到CO 體積分?jǐn)?shù)為1×10-6；推進(jìn)距離113 m 時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)最大值20×10-6，認(rèn)為此時(shí)采空區(qū)的漏風(fēng)為遺煤低溫氧化所需要的漏風(fēng)風(fēng)速；推進(jìn)距離208 m 后，O2體積分?jǐn)?shù)降低，采空區(qū)遺煤氧化逐漸受到限制，其后CO 體積分?jǐn)?shù)一直呈持續(xù)下降趨勢(shì)。

由圖5～圖7 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：進(jìn)、回風(fēng)側(cè)及工作面中部對(duì)應(yīng)的采空區(qū)內(nèi)窒息帶臨界位置分別距離工作面200、290、175 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的位置比進(jìn)風(fēng)側(cè)的位置深90 m。

通過(guò)圖1～圖3 的仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)模擬不設(shè)置火源時(shí)，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)窒息帶臨界位置大約分別距工作面280、150 m，二者相差130 m；但隨著模擬設(shè)置中火源功率的增大，其內(nèi)部氧氣流場(chǎng)受火風(fēng)壓的作用逐漸明顯，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)窒息帶臨界位置的差值逐漸減??；當(dāng)火源功率為15 W/m2時(shí)二者的差值約為40 m；當(dāng)火源功率再增大，下行通風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度逐漸與進(jìn)風(fēng)側(cè)相同；當(dāng)火源功率增到65 W/m2時(shí)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)窒息帶臨界位置距工作面分別為115、290 m，二者的差值為-175 m，回風(fēng)側(cè)的窒息帶臨界位置深于進(jìn)風(fēng)側(cè)，此時(shí)的仿真結(jié)果與81309工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。說(shuō)明了采空區(qū)自燃“三帶”的分布仿真規(guī)律與實(shí)測(cè)的結(jié)果具有一致性，也就說(shuō)明了所建立的預(yù)測(cè)模型較為準(zhǔn)確，可用于分析緩斜煤層下行通風(fēng)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的分布特點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

CFD 仿真結(jié)果顯示采空區(qū)內(nèi)部火風(fēng)壓作用（遺煤自燃傾向性等級(jí)）影響下行通風(fēng)時(shí)其內(nèi)部氧氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布；81309 工作面下行通風(fēng)時(shí)在采空區(qū)熱風(fēng)壓的影響下，隨工作面推進(jìn)氧氣體積分?jǐn)?shù)遞減速率進(jìn)風(fēng)側(cè)低于回風(fēng)側(cè)，造成回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線(xiàn)后移，導(dǎo)致采空區(qū)回風(fēng)側(cè)散熱帶寬度較大；仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果規(guī)律一致，說(shuō)明改建的采空區(qū)仿真模型適用于傾斜礦井的氣體流場(chǎng)仿真。