停采撤架期間兩道封堵下采空區(qū)氣熱場數(shù)值模擬研究

＊唐佐 舒通 梁玉柱

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇 221000 2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司 江蘇 221000）

引言

井下工作面末采階段由于停采撤架需要一定的時間周期，架上和架后煤體長時間處于穩(wěn)定的漏風(fēng)供氧狀態(tài)，極易發(fā)生自燃[1-3]。尤其對于工作面傾角大、軟巖支護(hù)困難的工作面，撤架周期大幅延長，煤自燃頻發(fā)。目前，國內(nèi)外廣泛采用封堵隔氧、注惰稀釋、噴灑阻化劑等技術(shù)作為防治井下工作面末采階段煤自然發(fā)火的主要手段[4-6]，如在進(jìn)回風(fēng)隅角構(gòu)建噴涂隔離墻、加大采空區(qū)氮氣注入量等，但仍難以控制架間、回風(fēng)隅角和回風(fēng)流中CO的持續(xù)上升，停采撤架期間面臨自然發(fā)火的危險，嚴(yán)重時導(dǎo)致工作面封閉，造成重大人員風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)損失。減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)是控制煤自燃的主要方法，因此在采空區(qū)兩巷及工作面進(jìn)行構(gòu)筑封堵，可以有效減少漏風(fēng)量，降低采空區(qū)內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，從而抑制采空區(qū)內(nèi)遺煤的自燃[7-10]。

本文根據(jù)百貫溝煤礦2506工作面開采特點，結(jié)合在停采撤架期間采用兩道封堵的措施，用數(shù)值模擬方法研究封堵前后采空區(qū)氣熱場變化規(guī)律，為工作面安全撤架提供理論基礎(chǔ)。

1.礦井概況

百貫溝井田位于崇信縣，2506工作面位于5號煤層，地面標(biāo)高為+1296m～+1223m，工作面標(biāo)高為+853m～+925m，走向長524m，傾斜長100m，煤層總厚4.0～7.8m，平均厚度5.5m，煤層傾角5°～10°，平均7°。2506工作面回采前期為小角度上山回采，后期為俯采，整體為俯采工作面，切眼處材料道與運(yùn)輸?shù)缆洳?5m，開切眼向外，兩道高差呈增大趨勢，工作面采高為2.6～3m（平均為2.8m），放頂煤高度為2.7m，采放比為1:0.96。工作面配風(fēng)量為1400m3/min，工作面巷道采用“U”型布置方式。

2.數(shù)值模型建立

(1)孔隙率方程

目前研究者們通常將“O”形圈理論和煤巖碎膨脹系數(shù)結(jié)合起來建立采空區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率分布函數(shù)[11]。本文結(jié)合前人研究及相關(guān)經(jīng)驗公式，建立了采空區(qū)孔隙率與滲透率分布公式，該工作面采空區(qū)空間空隙率分布函數(shù)如式（1）[12]。

式中：ly為采空區(qū)傾向?qū)挾?，m；H為采高，m；α為煤層傾角，°；hd為直接頂厚度，m；Kpb為直接頂破碎巖體殘余碎脹系數(shù)；l為基本頂破斷巖塊長度，m；δ為相對軸向應(yīng)力，MPa；β1為回歸系數(shù)。

本文結(jié)合前人研究和現(xiàn)場部分參數(shù)，通過多次試算得出H，Kpb，ly，hd，煤層傾角過小，為方便計算將α設(shè)為0，hd=6.7m，ly=100m，Kpb=1.14，H=2.8m。

氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)流動時，需要定義流動阻力，在Fluent中一般通過粘性阻力和慣性阻力來實現(xiàn)。

式中：Si為采空區(qū)多孔介質(zhì)的動量損失源；μ為動力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；Dij和Cij分別為黏性阻力和慣性阻力損失系數(shù)矩陣；vj（j=1，2，3）為流體微元體在X、Y、Z方向上的速度分量，m/s。

采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透性系數(shù)和內(nèi)部損失系數(shù)如下式。

式中：α是滲透率；C2是慣性阻力，粘性阻力k=1/α。

(2)耗氧及放熱速率方程

為獲得采空區(qū)內(nèi)煤樣的耗氧速度，采取工作面現(xiàn)場的煤樣進(jìn)行程序升溫實驗。具體實驗步驟如下：

①將煤樣放入干燥箱，40℃干燥24h，去除煤中水分以減小對實驗的影響。

②將煤樣放入特定煤樣罐中，裝入前要在進(jìn)氣口檢查是否通氣，檢查無誤后裝入煤樣罐，檢查出氣口是否有氣體流。

③開啟控溫裝置，干空氣瓶流量設(shè)置為100mL/min，將爐溫設(shè)置為40℃，開始進(jìn)行程序升溫，升溫速率設(shè)置為0.8℃/min。

④接入氣相色譜分析儀，每升溫10℃采集一次氣樣并分析其成分。

對實驗結(jié)果進(jìn)行處理后，繪制氧氣體積分?jǐn)?shù)曲線如圖1所示。根據(jù)計算結(jié)果繪制成耗氧速率隨溫度的擬合曲線圖如圖2所示。

圖1 氧氣體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化趨勢

圖2 煤樣耗氧速度與溫度的擬合函數(shù)

由圖2可知，煤樣在氧化升溫過程中，耗氧速率隨溫度的增加而增加，對此趨勢進(jìn)行回歸分析后可得式（5），其中A為0.16479，R0為0.4779，擬合后R平方為0.999，擬合效果很好。當(dāng)溫度為T，氧氣體積分?jǐn)?shù)為C時，采空區(qū)煤樣的耗氧速率為：

在溫度模擬過程中，以采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流溫度為煤的初始溫度。假設(shè)煤層頂?shù)装鍘r層處的溫度和工作面溫度恒定不變，采空區(qū)遺煤進(jìn)行氧化而放出熱量可以用式（6）表示。

式中：q為參加反應(yīng)的氧氣所生成的氧化熱量，J；a為成堆煤與實驗室中煤樣的氧化速度之比；m為煤質(zhì)量，g；dO2/dτ為氧化初速度，100/(g·s)；K為氧化速度常數(shù)。

綜上，將式（1）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）編譯成孔隙率函數(shù)、粘性阻力、慣性阻力、耗氧源項、熱源導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中。

(3)物理模型及參數(shù)設(shè)置

結(jié)合百貫溝2506工作面的實際情況建立采空區(qū)物理模型，如圖3所示，兩道封堵下采空區(qū)物理模型如圖4，封堵區(qū)域為采空區(qū)兩道區(qū)域，長度為4m，封堵墻高度為3m，寬度為2m，定義為孔隙率和滲透率極小的多孔介質(zhì)區(qū)域。

圖3 無封堵采空區(qū)物理模型

圖4 兩道封堵下采空區(qū)物理模型

采空區(qū)工作面寬100m，進(jìn)回風(fēng)巷長20m，進(jìn)回風(fēng)巷斷面12m2，采空區(qū)高40m、深160m。根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)理論，設(shè)定邊界條件如下：

（1）入口條件：進(jìn)風(fēng)巷的入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)速為2m/s，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為23%。

（2）出口條件：回風(fēng)巷出口設(shè)置為自然出流出口。

3.無封堵下采空區(qū)氣熱場模擬結(jié)果及分析

(1)采空區(qū)氧氣場分布

經(jīng)過模擬得到采空區(qū)氧氣分布和三帶分布如圖5。

圖5 采空區(qū)氧氣分布

由圖5可以看出，氧氣由進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入采空區(qū)，由于孔隙率和阻力的原因，隨著深入采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，散熱帶即氧氣大于18%的區(qū)域主要分布在進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域，回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)。量化圖5可知，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶距工作面0～45m左右，氧化帶即氧氣體積分?jǐn)?shù)大于8%小于18%的區(qū)域距工作面45～95m左右，回風(fēng)側(cè)散熱帶距工作面0～5m左右，氧化帶距工作面5～30m左右。

(2)溫度場

采空區(qū)內(nèi)溫度場的形成受到眾多原因的影響，其本質(zhì)是煤氧化升溫所導(dǎo)致，高溫區(qū)域主要分布在氧化帶區(qū)域。從圖6來看，高溫點距離工作面70m，沿著工作面走向和采空區(qū)深處傾向，溫度逐漸下降。該區(qū)域內(nèi)氧氣含量較高且漏風(fēng)強(qiáng)度較小，有利于煤氧化熱量積聚形成高溫區(qū)域。

圖6 采空區(qū)溫度場分布及進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度曲線圖

(3)一氧化碳場分布

采空區(qū)的CO體積分?jǐn)?shù)分布如圖7所示，采空區(qū)內(nèi)靠近工作面的區(qū)域，CO呈向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移的趨勢且體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，在上隅角處達(dá)到最大，因為上隅角作為U型回采工作面的漏風(fēng)匯集處，使CO聚集。采空區(qū)內(nèi)CO高體積分?jǐn)?shù)區(qū)域都集中采空區(qū)中部的氧化帶區(qū)域，隨著距離的深入，CO聚集梯度增加，在中部達(dá)到最大值，采空區(qū)深部則由于氧氣體積分?jǐn)?shù)過低，遺煤難以發(fā)生氧化，所以CO體積分?jǐn)?shù)很低。

圖7 采空區(qū)CO分布圖

4.兩道封堵下采空區(qū)氣熱場模擬結(jié)果及分析

圖8為采空區(qū)兩道封堵后的氧氣分布，由于減少了工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)下降。在進(jìn)風(fēng)側(cè)，風(fēng)流碰撞封堵墻產(chǎn)生渦流，部分流入采空區(qū)的風(fēng)流在低壓下產(chǎn)生回流，使得采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣分布呈“人”字形。由于部分封堵布置在回風(fēng)側(cè)，這影響了靠近回風(fēng)側(cè)工作面區(qū)域的漏風(fēng)和采空區(qū)內(nèi)部的回風(fēng)，壓差導(dǎo)致的風(fēng)流在回風(fēng)側(cè)封堵前回流，回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)維持在較低范圍。工作面中部的漏風(fēng)未受到影響，部分風(fēng)流從此處進(jìn)入采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)靠近工作面中部的位置氧氣體積分?jǐn)?shù)較高。量化三帶數(shù)據(jù)可得，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶距工作面0～25m，氧化帶距工作面25～50m，回風(fēng)側(cè)散熱帶范圍基本為0，氧化帶距工作面0～8m。

圖8 兩道封堵下的氧氣分布

圖9為兩道封堵后的溫度分布，可以看高溫區(qū)域集中在回風(fēng)側(cè)和采空區(qū)中部，進(jìn)風(fēng)側(cè)靠近工作面處由于流入大量恒溫風(fēng)流，溫度變化不大；采空區(qū)中部和回風(fēng)側(cè)聚集大量氧氣，漏風(fēng)能力差且難以回流，所以更容易蓄熱；采空區(qū)深部溫度幾乎無變化。采空區(qū)溫度隨著深入采空區(qū)先增加后減少，最高溫度為316K，位于回風(fēng)側(cè)距工作面20m處，且從中心向四周呈圈形分布。

圖9 兩道封堵下的溫度分布

圖10為兩道封堵后的采空區(qū)CO分布，其分布規(guī)律大致與溫度、氧氣分布規(guī)律相似，且基本集中在氧化帶范圍。在兩道封堵后，CO體積分?jǐn)?shù)有所下降，流場開始收縮，更加靠近工作面且集中在采空區(qū)中部。

圖10 兩道封堵下的CO體積分?jǐn)?shù)分布

將封堵前后采空區(qū)進(jìn)回側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化繪制如圖11，圖12。進(jìn)風(fēng)隅角為采空區(qū)主要漏風(fēng)點，封堵后采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)大幅度下降，回風(fēng)側(cè)則由于堵住回風(fēng)，氧氣體積分?jǐn)?shù)在靠近工作面處有一定程度增加，但在離工作面后20m后快速降低至無封堵的氧氣體積分?jǐn)?shù)之下。

圖11 封堵前后進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化

圖12 封堵前后回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化

從表1中可以看出采空區(qū)兩道封堵會降低進(jìn)回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶范圍，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶前移20m，氧化帶寬度下降25m。氧化帶面積由2726m2降低為1737m2，氧化帶面積降低幅度為37%。

表1 封堵前后采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布范圍

基于以上分析，封堵后采空區(qū)自燃危險區(qū)域向工作面靠近，因此在封堵后將進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮位置設(shè)置于工作面后20m處。高溫區(qū)域向回風(fēng)側(cè)移動，CO流場出現(xiàn)收縮向工作面靠近，回風(fēng)側(cè)有部分CO積聚，因此在回風(fēng)側(cè)也應(yīng)該設(shè)置注氮口，以降低溫度和CO體積分?jǐn)?shù)。

5.結(jié)論

本文通過對比分析兩道封堵前后的氧氣、一氧化碳、溫度場及采空區(qū)自燃危險區(qū)域變化得出以下結(jié)論：

（1）由于進(jìn)風(fēng)隅角為采空區(qū)主要漏風(fēng)點，將其封堵后采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)大幅度下降，回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)在靠近工作面處有一定程度增加，但在離工作面20m后快速降低至封堵前的氧氣體積分?jǐn)?shù)之下。

（2）在兩道封堵后，采空區(qū)自燃危險區(qū)域向工作面靠近，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶前移20m，氧化帶寬度下降25m，采空區(qū)自燃危險區(qū)域面積減小，減小幅度為37%。

（3）在兩道封堵后，采空區(qū)內(nèi)最高溫度降低，高溫區(qū)域向回風(fēng)側(cè)移動，CO體積分?jǐn)?shù)下降，流場出現(xiàn)收縮向工作面靠近且集中分布在采空區(qū)中部。