采空區(qū)抽采負壓對自燃規(guī)律數(shù)值模擬研究

王月紅，吳 怡，張九零

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

瓦斯災(zāi)害是我國最重要的煤礦災(zāi)害之一，雖然治理瓦斯的方法有很多種，但均存在一定的缺陷，導(dǎo)致抽采瓦斯效果不好[1]。因此，應(yīng)通過提高抽采工藝參數(shù)來增大煤層的瓦斯抽采量，其中抽采負壓是影響抽采效果的最重要因素之一。國內(nèi)學者關(guān)于抽采負壓對瓦斯抽采效果的研究成果很多[2-6]張志榮[7]根據(jù)現(xiàn)場工藝測得不同負壓值的瓦斯?jié)舛扰c流量確定合理抽采負壓范圍。李淑敏[8]觀測了負壓對塑形變形區(qū)和彈性變形區(qū)的瓦斯抽采量的變化情況。周凱軍[9]采用軟件模擬不同負壓對瓦斯壓力和抽采率的影響情況。而關(guān)于負壓對采空區(qū)流場的變化規(guī)律上，李日富[10]運用地面鉆井的瓦斯抽采方式，模擬不同負壓下采空區(qū)內(nèi)部氣體流場的變化情況，得出高濃度瓦斯區(qū)域在井口附近，而高濃度氧氣區(qū)域向采空區(qū)深部移動。劉佳佳[11]研究了不同負壓對采空區(qū)進回風巷附近的漏風流場情況，得出在回風巷側(cè)的漏風風速影響較大。以上研究均側(cè)重于抽采負壓對瓦斯抽采效果方面，忽視了對采空區(qū)自燃的影響。本文通過COMSOL模擬軟件研究不同負壓對采空區(qū)漏風流場、氧濃度場、溫度場的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進一步分析抽采負壓對采空區(qū)遺煤自燃的影響規(guī)律。

1 工作面概況

呂家坨礦5877Y工作面所在7煤層走向長度370m，傾斜長度100m，煤層厚度2.75～4.2m，平均厚度3.72m。工作面瓦斯和二氧化碳的相對涌出量分別為1.23m3/t和1.85m3/t，工作面供風量800m3/min，巷道實測風速2.5m/s。該煤層為穩(wěn)定厚煤層，具有自燃的傾向性，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2 模型的建立

2.1 物理模型

結(jié)合現(xiàn)場工作面的基本情況，采空區(qū)的長、寬、高為100m×150m×15m，進回風巷的長、寬、高為25m×5m×3m，工作面的長、寬、高為100m×5m×3m。根據(jù)上述參數(shù)建立工作面的物理模型，如圖1所示。

圖1 工作面物理模型(m)

2.2 數(shù)學模型

1)氧濃度場。在采空區(qū)內(nèi)部中含有多組分氣體和各種形式氣體的運動，風流為采空區(qū)松散煤體提供氧氣條件，在煤體中造成吸附面，且采空區(qū)遺煤氧化消耗大量氧氣，影響了采空區(qū)氧氣濃度的分布情況。因此采空區(qū)模擬研究中選取COMSOL軟件“稀物質(zhì)傳遞”物理場，相對應(yīng)的控制方程見式(1)。

式中，c為氧氣濃度，mol/m3；D為氧氣擴散系數(shù)，通常取2.8810-5m2/s；u為速度矢量，m/s；R為通用氣體常數(shù)。

2)流場。采空區(qū)內(nèi)的新鮮風流從進風巷滲入后，經(jīng)過風流風壓與阻力的共同影響，在采空區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生滲流作用。由于在采空區(qū)中煤之間的滲流由巷道和滲流邊界處的風流提供，模擬時還應(yīng)考慮采空區(qū)、工作面以及巷道邊界區(qū)域。而采空區(qū)內(nèi)的氣體流動符合COMSOL軟件中的κ-ε模塊，控制方程見式(2)。

式中，ρ為密度，kg/m3；ε為湍動耗散率；k為湍動能，J；μt為湍動粘度，N·s/m2；μ為動力粘度，N·s/m2；ui為時均速度，m/s；σk為湍動能k對于的Prandtl數(shù)；σε為湍動耗散率ε對于的Prandtl數(shù)；Gb為浮力造成的產(chǎn)生項；Gk為由平均速度梯度造成的湍流動能κ的產(chǎn)生項；Ym為湍流中脈動擴張產(chǎn)生的貢獻；C1ε、C2ε、C3ε分別為經(jīng)驗常數(shù)。

3)溫度場。采空區(qū)中流體的整體運動和空氣分子的不規(guī)則運動造成熱量不斷傳輸，而遺煤自燃氧化升溫釋放大量熱量。由于采空區(qū)內(nèi)氣體的復(fù)雜性和流動性，將采空區(qū)整體看作連續(xù)的多孔介質(zhì)，只把流動和傳質(zhì)問題考慮在內(nèi)。因此采空區(qū)模擬研究中選取COMSOL軟件“多孔介質(zhì)傳熱”物理場，相對應(yīng)的控制方程見式(3)。

式中，Cp為比熱容，J/(kg·K)；ρ為密度，kg/m3；T為溫度，K；v為流體流速，m/s；q為煤體氧化升溫后的放熱強度，kJ/(m3·s)；Q為總熱源，kJ/(m3·s)。

2.3 邊界條件的設(shè)置

1)進、回風巷以及工作面的溫度為常溫，取273K。而工作面提供的新鮮風流中的氧濃度為21%。

2)工作面的入口風量是按照800m3/min進行計算，進風巷采用速度進口邊界，為1.7778m/s，而回風巷則為自由風流出口，采空區(qū)與工作面的邊界為內(nèi)部邊界。

3)對于煤的耗氧速率、放熱強度和實際氧氣擴散系數(shù)、新鮮風流氧氣消耗速率和新鮮風流放熱強度都是根據(jù)經(jīng)驗公式和參考文獻[12，13]進行用戶自定義設(shè)置的。

2.4 模擬過程

運用COMSOL軟件建立采空區(qū)埋管抽放瓦斯的物理模型并進行網(wǎng)格劃分，定義物理模型的邊界條件。設(shè)置采空區(qū)的基礎(chǔ)參數(shù)和材料，建立多物理場。采用該軟件解算器先穩(wěn)態(tài)再瞬態(tài)求解，最后通過后處理對計算結(jié)果進行完善。

3 模擬結(jié)果分析

通過COMSOL軟件模擬不同負壓條件下采空區(qū)溫度場、氧濃度場和流場分布的影響。

3.1 溫度場

抽放前溫度場變化如圖1所示，根據(jù)抽放前的溫度分布圖可知：工作面存在大量漏風，為采空區(qū)的遺煤提供充足的氧氣，使煤與氧氣發(fā)生化學反應(yīng)釋放熱量。由于采空區(qū)淺部靠近工作面，產(chǎn)生的熱量隨著漏風流被帶出采空區(qū)，不易出現(xiàn)積聚熱量的現(xiàn)象；在采空區(qū)中部時，漏風流為煤氧化提供氧氣，但漏風流又不足以將產(chǎn)生的熱量帶出采空區(qū)，造成該區(qū)域熱量積聚溫度升高；在采空區(qū)深部時，幾乎沒有漏風流，氧氣濃度極低不足夠支撐煤的氧化反應(yīng)需求，產(chǎn)生的熱量很少。由分布圖還可看出，進風巷附近高溫區(qū)域大而回風巷高溫區(qū)域小，由于進風巷進入風流后與煤充分反應(yīng)，到回風巷時風流減弱，高溫區(qū)域變小。

圖2 抽放前溫度場變化圖

當加設(shè)不同抽采負壓時，由于回風巷漏風流的作用，采空區(qū)中散落的遺煤吸附氧氣釋放大量熱量，造成不同負壓條件下熱量積聚形成的溫度場發(fā)生了變化，且最高溫度點發(fā)生位移，如圖3所示。隨著負壓的增大，高溫區(qū)域不斷向回風巷部擴散，且負壓越大擴散速率越明顯。最高溫度點隨負壓增大橫坐標向回風巷部發(fā)生位移明顯，縱坐標位移變化較小。

圖3 不同抽采條件下溫度場變化圖

3.2 氧濃度場

在其它參數(shù)條件設(shè)置相同的情況下，僅改變抽放參數(shù)，通過對比模擬結(jié)果，得出不同抽放條件下對采空區(qū)氧濃度影響規(guī)律。通過軟件模擬得到采空區(qū)氧濃度分布立體圖，如圖4所示。由圖4分析可知，在采空區(qū)進風口處的氧氣濃度和空氣的氧氣含量相同，均為21%，流進采空區(qū)內(nèi)部的氧氣經(jīng)過遺煤的消耗，氧濃度沿著采空區(qū)由淺入深逐漸減小，當達到50m處降到極低水平，至更深部氧氣基本不存在。而在工作面后部40m范圍內(nèi)，雖然存在遺煤消耗氧氣，但該區(qū)域漏風量較大為遺煤氧化提供充足的氧氣環(huán)境[14]。

圖4 抽采前采空區(qū)氧濃度場分布圖

當設(shè)置不同抽采負壓條件后，模擬得到采空區(qū)氧濃度場分布圖，如圖5所示。在采空區(qū)自燃“三帶”劃分方面，自燃帶的范圍是影響采空區(qū)遺煤自燃的最關(guān)鍵的因素之一[15]。從圖中可明顯看出，隨著負壓的增大，采空區(qū)進風巷部自燃帶寬度逐漸變寬，而回風巷部自燃帶寬度呈先增大后減小的趨勢，且負壓值越大變化越明顯。

圖5 不同負壓條件下采空區(qū)氧濃度場分布圖

3.3 流場

由于工作面、巷道和采空區(qū)的漏風流速相差很大，因此通過COMSOL軟件作出Y-Z軸的切面圖和抽放前流場分布云圖，如圖6所示。分析圖6可知，工作面以及巷道的風速遠遠大于采空區(qū)內(nèi)部，最大風速達到3.5m/s。在加設(shè)不同負壓之前，漏風流從進風巷進入，經(jīng)過采空區(qū)后匯集在回風巷一端并排出采空區(qū)，且漏風流速很均勻。

圖6 抽放前采空區(qū)流場分布圖

當設(shè)置不同抽采負壓時，采空區(qū)漏風風流受到直接影響，漏風速度發(fā)生變化，模擬的不同抽放條件下的流場分布云圖如圖7所示。由于受到埋入在回風巷一端束管的負壓影響，采空區(qū)內(nèi)部的漏風流從最初的涌向回風巷變?yōu)橛肯蚵窆芸谝欢?。雖然埋管可有效的解決上隅角瓦斯超限問題，但增大負壓時，采空區(qū)邊界漏風嚴重，易引起遺煤自燃。

圖7 不同負壓條件下采空區(qū)流場分布圖

4 現(xiàn)場驗證

為了驗證模擬的準確性，現(xiàn)場測試研究以開灤集團呂家坨礦5877Y“U”型通風工作面為背景，井下試驗主要以束管監(jiān)測為主，通過在采空區(qū)合理布置束管，定期用球膽抽檢氣體進行氣相色譜分析，以了解采空區(qū)內(nèi)部不同位置O2濃度的變化情況。

圖8 5877Y工作面監(jiān)測布置示意圖

選取與模擬同樣工作面參數(shù)、風量以及推進速度，采用束管監(jiān)測方法對采空區(qū)中多種氣體指標進行監(jiān)測，監(jiān)測布置示意圖如圖8所示。沿著進、回風巷上、下隅角方向分別鋪設(shè)4路束管，束管必須懸掛敷設(shè)，且束管末端要加裝長度為70～100m、直徑為20mm的鋼制套管，以防束管被砸斷。監(jiān)測點1、2在上隅角位置，監(jiān)測點3、4在下隅角位置，分別相距25m。隨著回采的進行，記錄隨著工作面推進氧氣濃度的變化數(shù)據(jù)。

將束管實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，如圖9所示。在進風巷一側(cè)，氧濃度下降急劇，到后期下降平緩。由于回風巷一側(cè)漏風嚴重，因此開采初期出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，到后期趨于穩(wěn)定平緩下降。由圖可看出實測氧濃度與模擬結(jié)果比較吻合，驗證了模擬的準確性。

圖9 進風巷側(cè)和回風巷側(cè)氧氣濃度現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬對比

5 結(jié) 論

1)根據(jù)采空區(qū)氣體流場模擬結(jié)果，巷道和工作面的風流速度遠遠大于采空區(qū)。埋管負壓抽采后，漏風流的流出端由回風巷部轉(zhuǎn)移到埋管口一端，且負壓越大流線越密集。

2)通過對比分析抽采前與抽采后的溫度場變化規(guī)律，采空區(qū)的高溫區(qū)域由進風巷部逐漸向回風巷擴散且最高溫度點的橫坐標逐漸向回風巷部發(fā)生位移，而縱坐標則變化較小。

3)將現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析，得到氧濃度與現(xiàn)場的變化趨勢大體相同。隨著抽采負壓的增大，進風巷一側(cè)的自燃帶寬度變寬而回風巷一側(cè)的自燃寬度呈先變大后減小的趨勢變化。