劉 磊，王偉峰，馮玉龍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710054;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西西安710054;3.西安博深煤礦安全科技有限公司，陜西 西安710304)

0 引 言

煤自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象，這種現(xiàn)象已經(jīng)存在了數(shù)百萬年［1］。中國煤炭資源十分豐富［2］，煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界前列，約占國內(nèi)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的85%左右［3］，但是由于工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，大規(guī)模的應(yīng)用在工礦企業(yè)中，煤礦部分企業(yè)廣泛的應(yīng)用高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)，煤礦的機(jī)械化程度得到了大幅提高，同時(shí)，現(xiàn)代化的綜放采煤法應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其采煤的速度也得到了日益加快，但是這給采空區(qū)留下了大量的遺煤，使得在采空區(qū)中自然發(fā)火的問題變得更加突出。灌漿防滅火技術(shù)、液態(tài)CO2防滅火技術(shù)、膠體防滅火技術(shù)、均壓防滅火技術(shù)等都是煤礦經(jīng)常采用的煤自燃防滅火技術(shù)方法［4］，其中，在煤礦防滅火工作中，灌漿技術(shù)在國內(nèi)外有許多成功的應(yīng)用，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，灌漿技術(shù)是防治礦井煤自燃最為有效的措施之一。灌漿技術(shù)能夠有效控制火區(qū)的溫度，在一般的厚煤層分層開采的時(shí)候，一方面可以有效的防火，另一方面可以形成良好的漿液頂板，對(duì)下分層的開采創(chuàng)造了有利的條件。當(dāng)漿液流到采空區(qū)以后，固體顆粒物沉淀下去，充填在浮煤裂隙中間，形成有效的漏風(fēng)隔離帶，隔絕與空氣的接觸從而防止煤層被氧化;同時(shí)增加煤層的水分，達(dá)到抑制煤氧化的發(fā)展，對(duì)已經(jīng)自熱的區(qū)域起到散熱作用，冷卻采空區(qū)的圍巖，降低采空區(qū)中的煤巖溫度;當(dāng)漿液脫水后，可以形成一塊堆積物，可以有效減少采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)情況［5］。但是隨著礦井開采的范圍不斷的進(jìn)行延伸，導(dǎo)致了許多新問題的出現(xiàn)，其中比較集中突出的問題是礦井灌漿管路要跟隨著采區(qū)的沿伸不斷加長，造成灌漿管路的阻力不斷增大，管路出口壓力變小等問題變得日益突出;解決這些問題的一般方法是通過在灌漿站利用加壓泵等加壓工具進(jìn)行加壓來提高管路的出口壓力，由于在灌漿工作中管路中壓力大小屬于不可控制的因素，不能對(duì)其及時(shí)做出調(diào)整，而一旦壓力過大，則可能會(huì)出現(xiàn)管路損壞等情況;目前大多數(shù)礦井的管路壓力監(jiān)測手段主要是利用人工來對(duì)其進(jìn)行測定［6］，所以不能夠提供實(shí)時(shí)監(jiān)測的壓力數(shù)據(jù);這些因素導(dǎo)致現(xiàn)有的灌漿系統(tǒng)不能很好地滿足煤礦對(duì)安全性的要求。結(jié)合礦井安全生產(chǎn)的要求，需要對(duì)管路出口壓力小，管道中由于局部壓力驟升引起的壓力過大損壞管路的情況和管路中的壓力分布規(guī)律等問題進(jìn)行研究，以確保系統(tǒng)的能夠可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，滿足礦井遠(yuǎn)距離灌漿工作的要求。由于礦井灌漿管路系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，漿液在流動(dòng)的時(shí)候，對(duì)管道中的壓力分布情況卻難以掌握清楚，這會(huì)對(duì)灌漿工作造成一定的不良影響［7］。靜壓灌漿與動(dòng)壓灌漿2 種灌漿方式對(duì)管路所造成的壓力影響情況不同，因此，有必要對(duì)管道中由于不同灌漿方式所造成的影響程度進(jìn)行研究。根據(jù)某礦井灌漿管路的實(shí)際情況，建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)幾何模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定以及數(shù)值模擬計(jì)算流程，并對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到漿液在管道中的變化特性模擬靜壓和動(dòng)壓灌漿時(shí)管道中的壓力分布情況，并對(duì)比分析了兩者特點(diǎn)，能夠?yàn)楣酀{工作的制定提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程

1)在不可壓縮粘性流體中，其運(yùn)動(dòng)可用N-S方程表示，其控制方程為［8-9］

2)利用Segregated 隱式解，標(biāo)準(zhǔn)k -ε 雙方程的模型，湍流黏度為

式中 Cμ為常量;k 為湍流的動(dòng)能;ε 為湍流動(dòng)能的耗散率。

1.2 能量方程

能量守恒方程

湍流動(dòng)能的輸送方程為

湍流動(dòng)能耗散率輸送方程

其中 C1ε=1.44;C2ε=1.92;Cμ=0.09;σK=1.0;σε=1.3.

對(duì)于粘性不可壓縮流體，其在管道內(nèi)流動(dòng)的支配方程為連續(xù)性方程

Navier-Stokes 方程

式中 u 為在x 坐標(biāo)方向上的速度分量;v 為在y坐標(biāo)方向上的速度分量;ρ 為流體密度。

2 漿液遠(yuǎn)距離輸送物理模擬模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 物理模擬模型的建立

模型建立的管道尺寸為φ108 mm，采空區(qū)注漿點(diǎn)距地面為350 水平，由于該煤礦屬于建成時(shí)間久，故井下灌漿管路情況比較復(fù)雜，根據(jù)礦區(qū)提供的注漿管路圖，如圖1(a)和實(shí)地繪制相結(jié)合建立模型圖如圖1(b)所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如下:由于灌漿管路是一個(gè)整體性比較好的封閉管體，故直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即網(wǎng)格步長為0.1 m.如圖2 所示。

2.3 邊界條件

邊界條件:考慮到在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中很難精確控制壓力等各個(gè)因素，對(duì)管道入口采用壓力入口條件，并對(duì)靜壓灌漿時(shí)的入口條件固定在3.5 MPa，動(dòng)壓灌漿時(shí)的入口條件固定在5 MPa;出口處設(shè)為壓力出口邊界條件;墻面處設(shè)為無滑移壁面。

2.4 數(shù)值計(jì)算流程

采用ANSYS FLUENT12.1 流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)礦井灌漿管路進(jìn)行數(shù)值模擬，考查和分析高濃度漿液在管路中流動(dòng)特征參數(shù)及變化情況［10-11］，并對(duì)靜壓灌漿和動(dòng)壓灌漿進(jìn)行對(duì)比分析和研究。通過模型的建立、網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置、數(shù)值計(jì)算、結(jié)果處理等步驟，建立的流程如圖3 所示，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1，模擬灌漿入口和出口分別為管道入口處和出口處。

表1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Related parameter settings

3 數(shù)值模擬分析

3.1 靜壓灌漿管道壓力變化特征

在向采空區(qū)進(jìn)行注漿作業(yè)的時(shí)候，一般分為2種方式，一種是靜壓注漿，另外一種是動(dòng)壓注漿。選用靜壓注漿方式進(jìn)行采空區(qū)注漿，即通過漿液自身的重力，從注漿站輸送漿液，漿液通過在井下鋪設(shè)的灌漿管路至用漿區(qū)。現(xiàn)對(duì)靜壓注漿時(shí)的注漿管路的壓力情況進(jìn)行模擬，如圖4 所示，其中1，2，3，4 號(hào)測點(diǎn)分別為二采區(qū)皮帶機(jī)道壓力監(jiān)測點(diǎn)，北翼1#聯(lián)絡(luò)巷壓力監(jiān)測點(diǎn)，1305 巖集聯(lián)絡(luò)巷壓力監(jiān)測點(diǎn)，五采邊界回風(fēng)上山壓力監(jiān)測點(diǎn)。

通過圖中的模擬結(jié)果，可以看出，采用靜壓注漿方式時(shí)，1 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范通過圍為3.434 ～3.461 MPa 之間;2 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為3.380～3. 407 MPa 之間;3 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為3.190 ～3.217 MPa 之間;4 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為2.973 ～3.000 MPa 之間。

圖1 簡化物理模擬模型Fig.1 Simplified physical simulation model

3.2 動(dòng)壓灌漿管道壓力變化特征

在向采空區(qū)進(jìn)行注漿作業(yè)的時(shí)候，一般分為2種方式，一種是動(dòng)壓注漿，另外一種是動(dòng)壓注漿。選用動(dòng)壓注漿方式進(jìn)行采空區(qū)注漿，即通過在注漿站對(duì)漿液進(jìn)行加壓后輸送，漿液通過在井下鋪設(shè)的灌漿管路至用漿區(qū)。現(xiàn)對(duì)動(dòng)壓注漿時(shí)的注漿管路的壓力情況進(jìn)行模擬，如圖5 所示。

通過圖中的模擬結(jié)果，可以看出，采用動(dòng)壓注漿方式時(shí)，1 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為5.308 ～5.444 MPa 之間;2 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為4.493 ～4.629 MPa 之間;3 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為3.950 ～4.086 MPa 之間;4 號(hào)測點(diǎn)的壓力值范圍為3.135 ～3.271 MPa 之間。

4 結(jié)果對(duì)比分析

4.1 模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing

圖3 數(shù)值模擬流程Fig.3 Flow of numerical simulation

圖4 靜壓注漿各監(jiān)測點(diǎn)壓力分布Fig.4 Static pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

圖中所表示的各個(gè)壓力分段意義解釋如下:圖中曲線可以分為3 個(gè)部分，第一部分(即漿液自重階段，如壓力值最低的曲線所示，時(shí)間:8:35 ～8:55，9:40 ～9:55，10:30 ～10:50)所產(chǎn)生的壓力是在管路閥門關(guān)閉的情況下，由于管路中存在一定的余水而產(chǎn)生的在自重作用下的壓力，壓力值通常比較小，可以忽略不計(jì);第二部分(即靜壓灌漿階段，如壓力值較高的曲線所示，時(shí)間:9:00 ～9:35)所產(chǎn)生的壓力是在進(jìn)行靜壓灌漿的情況下，在灌漿站與灌漿地點(diǎn)形成的壓力差的作用下所產(chǎn)生的壓力，壓力值通常比較大，是目前灌漿工作的主要手段;第三部分(即動(dòng)壓灌漿階段，如壓力值最高的曲線所示，時(shí)間:10:00 ～10:25)所產(chǎn)生的壓力是在動(dòng)壓灌漿的情況下，其壓力值的大小由管路中余水的自重，靜壓灌漿的壓力和渣漿泵的出口壓力之和所組成的，系統(tǒng)能夠滿足對(duì)礦井安全生產(chǎn)以及解決管路出口壓力大小的要求。

圖5 動(dòng)壓注漿各監(jiān)測點(diǎn)壓力分布Fig.5 Dynamic pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

利用Origin 繪圖軟件對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 ～9 所示。

4.2 結(jié)果分析

利用ANSYS 模擬軟件對(duì)灌漿管路中的壓力進(jìn)行模擬，所得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表2.

圖6 二采區(qū)皮帶機(jī)道現(xiàn)場與模擬壓力對(duì)比圖Fig.6 Second Mining Area belt road scene with analog pressure comparison chart

圖7 1305 巖集聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場與模擬壓力對(duì)比圖Fig.7 1305 Rock Lane set scene with simulated contact pressure comparison chart

圖8 北翼1 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場與模擬壓力對(duì)比圖Fig.8 North Wing No.1 Lane scene with simulated contact pressure comparison chart

圖9 5304 邊界回風(fēng)現(xiàn)場與模擬壓力對(duì)比圖Fig.9 5304 Boundary return air scene and simulated pressure comparison chart

二采區(qū)皮帶機(jī)道布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實(shí)測靜壓值分別大致在3.5/3.6 MPa 左右，動(dòng)壓灌漿模擬與實(shí)測動(dòng)壓值分別大致在5/4.8 MPa 左右;北翼1#聯(lián)布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實(shí)測靜壓值分別大致在3.5/4.0 MPa 左右，動(dòng)壓灌漿模擬與實(shí)測動(dòng)壓值分別大致在4.8/5.0 MPa 左右;1305 巖集運(yùn)底車場布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實(shí)測靜壓值分別大致在3.0/2.8 MPa左右，動(dòng)壓灌漿模擬與實(shí)測動(dòng)壓值分別大致在4.0/4.0 MPa 左右;5304 四號(hào)聯(lián)上車場布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實(shí)測靜壓值分別大致在2.5/2.0 MPa 左右，動(dòng)壓灌漿模擬與實(shí)測動(dòng)壓值分別大致在3. 0/3. 0 MPa 左右，這與現(xiàn)場的靜壓注漿和動(dòng)壓注漿所顯示的趨勢基本吻合。

表2 模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Simulation and comparison of the measured data

從模擬的結(jié)果可以看出:利用動(dòng)壓進(jìn)行輸漿作業(yè)，可以起到明顯的增壓效果;現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模擬所得的數(shù)據(jù)基本吻合;兩者采用的靜壓和動(dòng)壓輸漿方式所呈現(xiàn)的管道中的壓力分布規(guī)律基本吻合;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，取得了良好的效果，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)控制方程、能量方程，構(gòu)建了漿液遠(yuǎn)距離輸送數(shù)值計(jì)算模型，采用ANSYS FLUENT12.1流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)靜壓注漿和動(dòng)壓注漿中的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析，該模型可以較好的預(yù)測靜壓和動(dòng)壓輸送管路中的壓力狀態(tài)，有助于分析管路輸送過程中不同管路位置的壓力變化及分布規(guī)律。

2)建立物理模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定和數(shù)值模擬計(jì)算流程和對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到漿液在管道中的變化特性，從靜壓注漿和動(dòng)壓注漿的特性變化中可以看出，動(dòng)壓注漿對(duì)出口壓力起到了顯著的作用。

3)通過與現(xiàn)場所監(jiān)測得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)基本吻合，說明動(dòng)壓注漿方式對(duì)遠(yuǎn)距離灌漿工作具有一定的實(shí)用性。

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