基于Fluent 軟件的采空區(qū)注氮方式優(yōu)化研究

曹景軒

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

煤自燃是礦井火災(zāi)的主要形式[1]，其中采空區(qū)煤自燃占60%[2-3]，而向采空區(qū)注氮是采空區(qū)常用的防滅火方法之一[4-5]。由于現(xiàn)場(chǎng)注氮試驗(yàn)會(huì)消耗大量的人力與物力，因而數(shù)值模擬是當(dāng)前確定采空區(qū)注氮參數(shù)的主要方法[6]。

大南湖一礦1305 工作面所采煤層為低變質(zhì)褐煤，最短自然發(fā)火周期僅為37 d，屬于低變質(zhì)易自燃煤層（Ⅰ級(jí)容易自燃煤層），導(dǎo)致采空區(qū)面臨較為嚴(yán)重的煤自燃威脅。因此，本文基于Fluent 數(shù)值模擬軟件，開展適合1305 工作面采空區(qū)最優(yōu)注氮方案研究，對(duì)預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火事故具有重要意義。

1 Fluent 數(shù)值模擬設(shè)置

根據(jù)1305 工作面的詳細(xì)尺寸建立了工作面及采空區(qū)CFD 模型，工作面及采空區(qū)CFD 模型網(wǎng)格劃分如圖1。1305 膠運(yùn)順槽（MG1）及1307 輔運(yùn)順槽（MG2，為下一階段開采工作面預(yù)先準(zhǔn)備的回風(fēng)巷）進(jìn)風(fēng)，前者進(jìn)風(fēng)量972 m3/min，后者進(jìn)風(fēng)量994 m3/min，1305 輔運(yùn)順槽（TG）回風(fēng)。采空區(qū)瓦斯涌出量500 L/s。1307 輔運(yùn)順槽和1305 膠運(yùn)順槽通過聯(lián)絡(luò)巷（CT）連接，聯(lián)絡(luò)巷間間距200 m，1307輔運(yùn)順槽掘進(jìn)頭通過局扇通風(fēng)。底板高度10 m，煤層厚9.8 m，頂板高度50.2 m，模型總高度70 m。采用規(guī)則四邊形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為461 196，總節(jié)點(diǎn)數(shù)570 362 個(gè)。采空區(qū)自燃“三帶”劃分方式為：散熱帶（15%≤O2）；氧化帶（5%≤O2＜15%）；窒息帶（O2＜5%）?；谫|(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及組分運(yùn)移守恒方程，結(jié)合基于“O 型圈”模式的采空區(qū)滲透率分布設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行了求解。

圖1 1305 采空區(qū)CFD 模型

2 采空區(qū)CFD 基礎(chǔ)模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在注氮方式優(yōu)化之前，需要首先校對(duì)采空區(qū)CFD 基礎(chǔ)模型。將兩巷側(cè)采空區(qū)獲得的模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)煤自燃“三帶”采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2?？梢钥闯瞿M數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了基礎(chǔ)模型的準(zhǔn)確性。本基礎(chǔ)模型可以作為現(xiàn)實(shí)采空區(qū)模型的載體，用來試驗(yàn)各種注氮方式。

圖2 模擬數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1305 采空區(qū)在注氮方式優(yōu)化前，采空區(qū)煤自燃“三帶”分布狀況如圖3。對(duì)于采空區(qū)煤自燃預(yù)防工作，防治的目的是盡可能地縮短采空區(qū)氧化帶，因而氧化帶是采空區(qū)煤自燃防治的重點(diǎn)研究對(duì)象?？梢钥闯?，當(dāng)前1305 采空區(qū)在工作面后方存在一條較大區(qū)域的“帶狀”氧化帶，特別是在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，氧化帶分布深入且狹長，這給1305 采空區(qū)帶來了較為嚴(yán)重的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 1305 采空區(qū)煤自燃“三帶”分布

3 采空區(qū)注氮方式的優(yōu)化

（1）多種注氮方式對(duì)比分析

針對(duì)1305 采空區(qū)狀況，考慮四種注氮方式：注氮方式一，在工作面后方30 m 膠運(yùn)順槽側(cè)注氮；注氮方式二，在工作面后方第一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷處注氮（距工作面約為100 m）；注氮方式三，在工作面后方第二個(gè)聯(lián)絡(luò)巷處注氮（距工作面約為300 m）；注氮方式四，同時(shí)在第一個(gè)和第二個(gè)聯(lián)絡(luò)巷處注氮。

四種注氮方式下，通過Fluent 數(shù)值模擬軟件獲得的采空區(qū)O2濃度分布與煤自燃“三帶”分布狀況，如圖4。

從圖中可以看出，從注氮方式一到注氮方式三，注氮方式均為單點(diǎn)注氮，注氮點(diǎn)逐漸深入采空區(qū)深部，較高濃度的O2（≥5%）侵入采空區(qū)的深度和分布范圍逐漸降低，氧化帶分布范圍也逐漸減小。這表明當(dāng)采空區(qū)采用單點(diǎn)注氮方式時(shí)，深部注氮較淺部注氮效果更佳。由注氮方式四和前三種注氮方式對(duì)比可知，注氮方式四較高O2濃度侵入采空區(qū)范圍進(jìn)一步減小，且氧化帶分布范圍也進(jìn)一步減小。這表明采空區(qū)多點(diǎn)注氮較單點(diǎn)注氮可以取得更優(yōu)的采空區(qū)惰化效果。

四種注氮方式相比于現(xiàn)有注氮方式，氧化帶范圍均縮減，縮減幅度的排序?yàn)樽⒌绞揭唬甲⒌绞蕉甲⒌绞饺甲⒌绞剿?。因此，注氮方式四，即通過在第一個(gè)和第二個(gè)聯(lián)絡(luò)巷處協(xié)同注氮，屬于1305 采空區(qū)的最優(yōu)注氮方案。

圖4 不同注氮方式下采空區(qū)煤自燃“三帶”分布

（2）優(yōu)化效果分析

由前文知，注氮方式四是多種注氮方式中的最優(yōu)注氮方案，因而屬于1305 采空區(qū)采用的最終注氮方案。將圖4（d）和圖3 對(duì)比可知，當(dāng)采用注氮方式四時(shí)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)高O2濃度（≥5%）侵入完全被限制住，狹長氧化帶基本轉(zhuǎn)換為窒息帶，同時(shí)在工作面后方，也取得了不錯(cuò)的惰化效果。整體上，采用注氮方式四后，氧化帶區(qū)域面積縮小3/4左右，惰化效果十分顯著。

1305 采空區(qū)在采用注氮方式四后，采空區(qū)無煤自發(fā)熱現(xiàn)象產(chǎn)生（如產(chǎn)生乙烯氣體、煤壁掛汗等），工作面一直安全順利開采到結(jié)束?；贔luent 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行的采空區(qū)注氮方式優(yōu)化研究，用于指導(dǎo)煤礦采空區(qū)自然發(fā)火防治，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

基于Fluent 數(shù)值模擬軟件開展了大南湖一礦1305 工作面采空區(qū)注氮方式的優(yōu)化研究，研究結(jié)果表明：當(dāng)采空區(qū)采用單點(diǎn)注氮方式時(shí)，采空區(qū)深部注氮較淺部注氮效果更佳，采空區(qū)多點(diǎn)注氮方式同單點(diǎn)注氮方式相比，可以對(duì)采空區(qū)取得更好的惰化效果，最終在1305 正?；夭善陂g，選擇通過第一個(gè)和第二個(gè)聯(lián)絡(luò)巷協(xié)同注氮的方式預(yù)防采空區(qū)煤自燃。該注氮方式使得氧化帶區(qū)域面積在現(xiàn)有注氮方式基礎(chǔ)上縮小3/4 左右，惰化效果顯著。1305 工作面正常回采期間沒有發(fā)生煤自燃事故，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。