綜放面采空區(qū)瓦斯抽放條件下氧濃度場的CFD模擬＊

紀(jì)玉龍 時國慶 常緒華 高興生

（1.國網(wǎng)新疆準(zhǔn)東煤電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市，831800；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

煤炭自燃是影響煤炭工業(yè)健康發(fā)展的重要原因之一，上世紀(jì)90年代以來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù)，在生產(chǎn)效率大幅提高的同時，也造成采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重的狀況，使得煤自燃火災(zāi)發(fā)生頻繁。為防止瓦斯超限事故并提高瓦斯的抽采率，高瓦斯礦井普遍采用高負(fù)壓瓦斯抽放技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行治理。在抽放過程中，抽放區(qū)域風(fēng)流紊亂、漏風(fēng)量增大，采空區(qū)氧氣分布規(guī)律和浮煤自然發(fā)火特性與常規(guī)工作面都不同，由瓦斯抽放引起的煤自燃問題更加突出。氧氣分布是煤自燃的主要影響因素，為研究瓦斯抽放條件下的自然發(fā)火規(guī)律，本文建立了采空區(qū)瓦斯抽放條件下風(fēng)流場、氣體濃度場的數(shù)學(xué)模型，采用計算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)得出采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度場的分布特征，并通過現(xiàn)場觀測驗證模擬技術(shù)的可靠性，基于模擬結(jié)果提出了適合于高瓦斯煤層綜放面采空區(qū)抽放條件下自燃危險區(qū)域的判定技術(shù)。研究結(jié)論可用于指導(dǎo)抽放條件下自然發(fā)火危險區(qū)域的圈化，為進(jìn)一步完善高瓦斯礦井抽放條件下綜放采空區(qū)防滅火技術(shù)提供一定的基礎(chǔ)。

1 采空區(qū)氣體運移分布的理論模型

采空區(qū)氣體流動主要遵循以下8個控制方程。

將i，j標(biāo)記為（x，y，z）表示三維空間的三個方向，則連續(xù)性方程：

式中：t——時間，s；

u——氣體流動速度，ui為i（x，y，z）方向上的速度分量，m／s；

ρ——混合氣體密度，kg／m3；

Sm——采空區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)量增減量，kg。

式中：p——氣體壓力，Pa；

τij——分子作用而產(chǎn)生并作用在氣體上的粘性應(yīng)力張量，N／m2；

gi——i方向上的重力體積力，m／s2；

Si——i方向上氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)運移過程中附加的動量損失源項，由括粘性損失和慣性損失兩部分構(gòu)成，可表示為：

式中：μ——采空區(qū)氣體的粘度，m2／s；

dij、Cij——分別為粘性損失系數(shù)、慣性損失系數(shù)矩陣。

vj——速度在x，y，z3個坐標(biāo)方向上的分量，由此可見當(dāng)流動速度足夠小時，式中慣性損失部分相對于粘性損失可看作無窮小項，附加動量損失源可簡化為達(dá)西（Darcy）公式表示。

組分質(zhì)量守恒方程：

式中：cs——組分s的體積濃度，%；

ρ——該組分的密度，kg／m3；

Ds——該組分的擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；

Ss——采空區(qū)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量。

煤對氧的消耗是放熱過程，考慮產(chǎn)熱與耗氧速率的耦合作用，采空區(qū)能量守恒控制方程的形式如下：

式中：cp——比熱容，J／（kg·K）；

T——熱力學(xué)溫度，K；

k——采空區(qū)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；

ST——能量源項。

根據(jù)費克（FICK）定律，采空區(qū)各種氣體的擴(kuò)散流量用下式表示，即：

式中：Ji——第i種氣體的擴(kuò)散流量，主要由濃度梯度、熱力梯度引起，m3／s；

Dim——混合氣體的擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；

Xi——氣體i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

DTi——導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）。對于非稀薄氣體，式（6）可以采用多組分?jǐn)U散公式代替，即：

式中：Mi——氣體i的分子量；

Mmix——混合氣體的分子量；

Dij——指氣體j中組分i的多組分?jǐn)U散系數(shù)，m2／s。

低溫氧化階段浮煤對氧氣的消耗速率Rate可以采用下述公式來表示：

式中：E——反應(yīng)活化能，取12～95kJ／mol之間；

A——反應(yīng)指數(shù)，依煤級和測試方法不同；

n——常數(shù)，取值多在0.5～1之間；

R——氣體常數(shù)，J／（K·mol）；

［O2］——氧濃度，%。

采空區(qū)的滲透率是模型的另外一個關(guān)鍵參數(shù)，它主要受采動后采空區(qū)應(yīng)力分布的影響，格瑞德（Greed）和克拉克（Clark）曾對采空區(qū)的滲透性進(jìn)行了研究，認(rèn)為采空區(qū)的滲透率取值在10－2～10－7m－2之間，并指出采空區(qū)邊緣的滲透率要比中部大的多。綜合考慮現(xiàn)場情況，結(jié)合前人研究成果，本文滲透率的取值處于10－2～10－9m－2范圍內(nèi)，采用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行分布規(guī)律的擬合。

2 綜放面采空區(qū)氣體抽放條件下氧氣濃度的實測與分析

2.1 采空區(qū)氣樣采集系統(tǒng)

抽氣系統(tǒng)主要有電動旋片式真空抽氣泵和束管組成。束管為單管直徑為?8mm的硬質(zhì)塑料管束，為防止束管進(jìn)入采空區(qū)后被冒落巖石擊斷，在束管的外邊布設(shè)了無縫鋼管加以保護(hù)。為避免抽氣束管從鋼管內(nèi)抽氣，在保護(hù)鋼管和束管之間，采用密封膠泥進(jìn)行封堵。

2.2 測點分布

在綜放工作面刮板輸送機(jī)后面布設(shè)測試束管對瓦斯抽放條件下采空區(qū)的氣體進(jìn)行了現(xiàn)場測試，數(shù)據(jù)分別來自工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、回風(fēng)巷側(cè)、距回風(fēng)巷60m處（在圖中標(biāo)記為采空區(qū)中部）3個測點，測點在采空區(qū)的分布如圖1所示，得到的3組氧氣濃度分布曲線，見圖2。

2.3 測試結(jié)果

通過抽氣泵抽取采空區(qū)氣體進(jìn)入氣體收集球膽，采用KSS－200型氣相色譜分析系統(tǒng)對收集的氣樣進(jìn)行分析，分析精度≤1.5%。

由采空區(qū)氧氣實測濃度數(shù)據(jù)曲線圖2可以看出，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度較高，在采空區(qū)深部70m左右時，采空區(qū)氧氣濃度初次下降到18%左右，在采空區(qū)深部120m左右時氧氣濃度下降到8%；而在采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)和采空區(qū)中部，它們的氧氣濃度分布特征基本相同，二者顯著低于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度，氧氣濃度在采空區(qū)深部20m位置處下降到18%，在采空區(qū)深部70m位置處，氧氣濃度下降到8%，進(jìn)而采空區(qū)可進(jìn)入氧化窒息帶。

3 采空區(qū)氣體抽放條件下氧氣濃度場的模擬

3.1 模型的幾何特征

綜放工作面的CFD模型的幾何特征見圖3。模型右側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷，左側(cè)為回風(fēng)巷，在回風(fēng)巷的右上方沿煤層頂板布置有瓦斯導(dǎo)流高位巷，圖中的1和2分別為上隅角的采空區(qū)瓦斯抽放管路和通過回風(fēng)巷旁側(cè)灌漿巷布置的采空區(qū)瓦斯抽放管路。巷道高3m，寬4m，長30m；工作面長度為200m，采空區(qū)走向長度為500m，計算高度為20m；煤層傾角為0°，工作面沿走向2°俯采；工作面通風(fēng)方式為U型通風(fēng)，配風(fēng)量為1400m3／min，進(jìn)風(fēng)側(cè)新鮮風(fēng)流氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%，體積分?jǐn)?shù)（濃度）20.7%；高抽巷配風(fēng)量為200m3／min，上隅角的抽放管路1直徑為?325mm，流量為200m3／min，灌漿巷抽放管路2流量為180m3／h；2008年礦井絕對涌出量達(dá)到155.49m3／t，相對涌出量21.78 m3／t。礦井瓦斯主要來源于工作面瓦斯涌出、采空區(qū)底板及頂煤冒落瓦斯涌出，整個采空區(qū)的瓦斯涌出量約為21～24m3／min，本文假設(shè)沿采空區(qū)走向瓦斯的釋放強度呈線性衰減。

圖3 CFD模型的幾何特征

3.2 模擬結(jié)果與分析

物理模型四周邊界氧氣濃度分布云圖見圖4，采空區(qū)不同水平氧氣濃度分布云圖見圖5，可以看出：隨著距底板高度的不斷增加，高氧氣濃度分布區(qū)域的范圍不斷減小。由圖5（a）的氧氣濃度分布云圖與實測數(shù)據(jù)的對比可以看出，二者具有較好的吻合度，這就表明數(shù)值模擬基本能夠反映采空區(qū)氧氣濃度的真實分布特征。對不同高度水平面上氧氣濃度分布的對比分析可知，在距采空區(qū)底板20 m高的水平面上，氧氣濃度只有在進(jìn)風(fēng)側(cè)能夠達(dá)到20%左右，在回風(fēng)側(cè)氧氣濃度降至了15%左右。

圖6為采空區(qū)底板處按照氧氣濃度8%～18%的標(biāo)準(zhǔn)劃分的采空區(qū)自燃帶分布，從模擬結(jié)果中提取的數(shù)據(jù)表明：在進(jìn)風(fēng)側(cè)，到達(dá)采空區(qū)深部75m時浮煤進(jìn)入自燃帶，當(dāng)?shù)竭_(dá)采空區(qū)深部130m時，采空區(qū)進(jìn)入窒息帶；在工作面中部，當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部30m時，采空區(qū)浮煤進(jìn)入自燃帶，當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部67m時，采空區(qū)進(jìn)入窒息帶；而在回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)進(jìn)入自燃帶的距離則提前至采空區(qū)深部26m，當(dāng)達(dá)到采空區(qū)深部70m時，采空區(qū)進(jìn)入窒息帶；由于該工作面采用放頂煤的開采方式，采空區(qū)的浮煤厚度普遍較大，基本大于支持煤自燃的最小浮煤厚度。因此，以采空區(qū)氧氣濃度劃分出的自燃帶基本等同于采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域范圍。由此可見，該綜放面采空區(qū)自燃危險區(qū)域的最寬處在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，寬度達(dá)到55m，而該礦的統(tǒng)計自然發(fā)火期為24d，因此只要工作面推進(jìn)速度不低于2.29m／d，該工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性較小。

圖4 模型外表面氧氣濃度分布云圖

圖5 氧氣濃度分布云圖（距離底板不同的水平面）

圖6 采空區(qū)自燃帶內(nèi)氧氣分布云圖

圖7為距工作面不同深度位置的垂向剖面上的氧氣濃度云圖，可以看出，工作面底部的氧氣濃度要顯著高于頂部氧氣濃度，這說明靠近工作面時，采空區(qū)上部浮煤自然發(fā)火的幾率要高于底板浮煤自然發(fā)火的可能性；隨著向采空區(qū)的深入，采空區(qū)底板浮煤自然發(fā)火的可能性逐步增加，上部浮煤進(jìn)入窒息帶的速率加快，自然發(fā)火的幾率降低。

根據(jù)能量平衡原理，采空區(qū)瓦斯抽放勢必造成采空區(qū)漏風(fēng)量大，這種條件下依靠上下隅角堵漏或注氮縮短采空區(qū)自燃帶寬度的作用是有限的。因此，瓦斯抽放條件下的防火不能以堵漏和注氮作為主要手段。為防止采空區(qū)自然發(fā)火，最優(yōu)的做法是將采空區(qū)的煤體潤濕或覆蓋。泡沫防滅火技術(shù)灌注流量大，易向采空區(qū)高處堆積，泡沫發(fā)泡劑中本身含有阻化物質(zhì)，其對煤體具有阻化作用；另外，含固相介質(zhì)的三相泡沫破滅后，液膜上的粉煤灰形成致密的保護(hù)膜附著在煤體上，起到隔絕氧氣的作用。

圖7 采空區(qū)不同深度垂向剖面氧氣濃度分布云圖

4 結(jié)論

（1）綜放面采空區(qū)氧氣濃度分布模擬表明瓦斯抽放造成該工作面漏風(fēng)量大， 采空區(qū)高氧濃度分布范圍較廣、自燃帶寬度大，在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度為55m，在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶寬度與在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶的寬度基本相當(dāng)，為30～40m。按照自然發(fā)火期24d計算，該面回采速度大于2.29 m／d時，自然發(fā)火的危險性較小。

（2）采用CFD技術(shù)模擬得到的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度場的分布特征與實際情況基本相符。因此，證明了CFD技術(shù)是一項技術(shù)可行、操作性強的抽放條件下采空區(qū)氧氣濃度分布特征的研究手段。

［1］ 王德明.礦井火災(zāi)防治［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008

［2］ 袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術(shù)［J］.中國煤炭，2010（6）

［3］ 胡千庭，梁云培，劉見中.采空區(qū)瓦斯流動規(guī)律的CFD模擬［J］.煤炭學(xué)報，2007（7）

［4］ Ren T X，Edwards J S.Three－dimensional computational fluid dynamics modeling of methane flow through permeable strata around a longwall face［J］.Mining Technology，2000（1）