楊國權(quán)

(陽泉煤業(yè)集團(tuán) 五鑫煤業(yè)有限公司,山西 保德 036600)

采空區(qū)煤自燃三帶數(shù)值模擬研究

楊國權(quán)

(陽泉煤業(yè)集團(tuán) 五鑫煤業(yè)有限公司,山西 保德 036600)

基于礦井綜放面采空區(qū)自燃“三帶”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 利用FLUENT軟件對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得出:不同風(fēng)量下工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的形態(tài), 即不同供風(fēng)條件下工作面采空區(qū)自燃“三帶”的區(qū)域分布;在氧氣濃度為7%～15%時(shí),工作面的最大氧化帶寬度為28.00 m;綜放面的連續(xù)推進(jìn)速度小于1.75 m/d(工作面月推進(jìn)量小于52.5 m)時(shí),工作面采空區(qū)將有發(fā)生自燃發(fā)火的危險(xiǎn)。所得結(jié)果對(duì)預(yù)防采空區(qū)自燃,促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

數(shù)值模擬;自燃“三帶”;流場(chǎng)分布;速度分布

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一,大多發(fā)生在采空區(qū)附近[1]。因此,研究采空區(qū)自然發(fā)火的分布規(guī)律和自燃安全性,對(duì)提高煤炭自燃安全性,提高綜采工作面安全具有重要意義。

針對(duì)采空區(qū)煤自燃,有大量相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。綜合來看,主要通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)相結(jié)合兩種方法來進(jìn)行采空區(qū)煤自燃“三帶”的研究。孟憲銳等對(duì)鹿洼煤礦采空區(qū)煤自燃三帶分布規(guī)律進(jìn)行了研究,得出煤自燃三帶分布范圍及防治煤自燃的最小推進(jìn)速度[2];劉松等研究得出采空區(qū)自燃“三帶”會(huì)隨著工作面的推進(jìn)不斷前移,而且自燃“三帶”的范圍也會(huì)有規(guī)律的循環(huán)的不斷變化[3],謝軍等利用氧氣濃度和浮煤厚度作為“三帶”劃分指標(biāo),對(duì)實(shí)際的采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行了劃分[4],

更多的還是采用數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究采空區(qū)煤自燃“三帶”分布規(guī)律,有的學(xué)者利用FLUENT軟件模擬采煤工作面采空區(qū)的氧濃度場(chǎng),通過雙指標(biāo)法劃分采空區(qū)自燃“三帶”[5-6];有的學(xué)者在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證,確定出采空區(qū)自燃氧化的“三帶”分布狀況[7-9]。

通常采用在井下埋管取樣測(cè)定的方法來確定采空區(qū)煤的自燃“三帶”劃分[10]。由于井下取樣點(diǎn)的位置和數(shù)量的限制,本文采用FLUENT數(shù)值模擬的方法,模擬結(jié)果的精度是由測(cè)量滲流場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,采空區(qū)自燃區(qū)的范圍由平面顯示技術(shù)手段給予進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的正確性。采用計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)的分布情況。利用風(fēng)速指數(shù)和氧濃度分布范圍,得出綜放工作面采空區(qū)“三帶”范圍。

1 數(shù)值模擬基本參數(shù)及設(shè)置

根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集回來的數(shù)據(jù),建立三維采場(chǎng)物理模型見圖1,包括進(jìn)風(fēng)巷、工作面、采空區(qū)、回風(fēng)巷。

1-a 采場(chǎng)物理模型(單位:m)

1-b 局部放大圖(單位:m)圖1 采場(chǎng)物理模型三維圖Fig.1 3D map of physical model of mining area

1) 進(jìn)風(fēng)巷寬4.7 m高3.5 m,回風(fēng)巷寬4 m高3.5 m?；夭晒ぷ髅鎯A向長(zhǎng)160 m,寬5 m,高3.5 m,傾角取6°。采空區(qū)走向長(zhǎng)取200 m,豎直方向上,從底板向上分別是遺煤區(qū)、冒落帶其他部分和裂隙帶。遺煤區(qū)、冒落帶(包含遺煤區(qū))和裂隙帶分別取3 m、12 m、35 m。

2) 模型在設(shè)定重力加速度時(shí)考慮了采空區(qū)的傾角的影響,設(shè)定如下:

gx=0 m/s2;

gy=-9.81 m/s2sin6°=-1.025 4 m/s2;

gz=-9.756 26 m/s2.

3)采場(chǎng)模型采用submap方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法,網(wǎng)格間距設(shè)為1.5 m,由于對(duì)采場(chǎng)的局部需要細(xì)化,使用y+自適應(yīng)網(wǎng)格對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化,網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)約為50萬個(gè)。

4)考慮浮力的影響,利用Realizable型k-ε湍流模型計(jì)算工作面采空區(qū)地表流場(chǎng)。

5)考慮到整個(gè)組分的擴(kuò)散效應(yīng),采用Species Model模型計(jì)算工作面采空區(qū)濃度場(chǎng),將混合氣體設(shè)置為methane-air。

6)采空區(qū)遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶均設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)“O”形圈在采空區(qū)開采斷裂面的理論,孔隙中多孔介質(zhì)的孔隙度和滲透率是空間的函數(shù)。本文基于Visual Studio 2012環(huán)境,根據(jù)相關(guān)公式對(duì)Fluent進(jìn)行了兩次開發(fā),并對(duì)遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶的孔隙度和滲透率不均勻分布的UDF函數(shù)進(jìn)行了匯總。

7)考慮到遺煤區(qū)O2的衰減,CH4的涌出及CO、CO2的生成,根據(jù)模擬結(jié)果編寫了相對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)UDF函數(shù)。

進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度入口(velocity-inlet),風(fēng)速設(shè)為1 000 m3/min,即1 m/s,混合氣體的組分設(shè)為氧氣21%,其余為氮?dú)?根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定數(shù)據(jù),回風(fēng)巷出風(fēng)口設(shè)定為為壓力出口(pressure-outlet),相對(duì)壓力值設(shè)為-21 Pa;區(qū)域之間的交界面設(shè)為內(nèi)面界面(interior);壁面邊界設(shè)為無滑移靜態(tài)壁面(wall)。

模型解算初始化時(shí),將遺煤區(qū)、冒落帶和裂隙帶的瓦斯?jié)舛瘸踔翟O(shè)為100%;將工作面的氧氣濃度初值設(shè)為21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.23%),使用CFF(Custom Field Function)將工作面相對(duì)風(fēng)壓初值設(shè)為p=-10.5-0.131 25x.

2 結(jié)論分析

2.1采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的分析與討論

采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)的分布是影響采空區(qū)的成分、濃度分布和“三帶”劃分的重要因素。氧氣供給和持續(xù)蓄熱是煤自燃的主要條件,風(fēng)速的大小決定了煤的蓄熱程度。對(duì)采場(chǎng)漏風(fēng)的研究中[11-12],人們普遍認(rèn)為,風(fēng)速在礦區(qū)之間[0.1 m/min～0.24 m/min],是煤發(fā)生自燃的危險(xiǎn)區(qū)域。

通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬繪制綜放面采空區(qū)風(fēng)速分布的速度云圖、矢量圖及等值線圖,見圖2,圖3,圖4所示。

圖2 風(fēng)速矢量圖Fig.2 Vector diagram of wind speed

圖3 采空區(qū)風(fēng)速[0.1,0.24]云圖Fig.3 Cloud map of wind speed in goaf [0.1, 0.24]

圖4 風(fēng)速[0.1,0.24]等值線圖Fig.4 Contour map of wind speed [0.1, 0.24]

由圖2-圖4可知,工作面空氣泄漏到采空區(qū)是客觀存在的,給工作面通風(fēng)時(shí),工作面端頭入風(fēng)處將有部分風(fēng)流漏向采空區(qū),有時(shí)采空區(qū)內(nèi)也存在其它一些漏風(fēng)地點(diǎn),漏風(fēng)量的多少直接影響采空區(qū)風(fēng)速流場(chǎng)分布,風(fēng)速大小對(duì)遺煤的氧氣供給也有重要影響,因此,這些漏風(fēng)往往是采空區(qū)自燃的隱患[13],采空區(qū)遺煤涌出的氣體和漏風(fēng)風(fēng)流混合,混合后的氣流從采空區(qū)的回風(fēng)巷排出。根據(jù)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)風(fēng)速模擬,得出距回風(fēng)巷0 m、40 m、80 m和120 m時(shí)氧化自燃的分布范圍,匯總?cè)绫?所示。

表1 氧化自燃的分布范圍Table 1 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.2采空區(qū)氧氣濃度分布的分析與討論

通常認(rèn)為,氧氣濃度下限值為7%才能夠抑制煤自燃的發(fā)生[14]。為了顯示綜放面采空區(qū)氧化散熱帶,氧化自燃帶,缺氧窒息帶三帶的氧氣濃度分布,繪制圖5、圖6、圖7來分別顯示采空區(qū)不同氧氣濃度分布范圍。

圖5 采空區(qū)氧氣濃度[0,7%]云圖Fig.5 Cloud map of oxygen concentration in goaf [0, 7%]

圖6 采空區(qū)氧氣濃度[7%,15%]云圖Fig.6 Cloud map of oxygen concentration in goaf [7%, 15%]

圖7 采空區(qū)氧氣濃度[15%,21%]云圖Fig.7 Cloud map of oxygen concentration in goaf [15%, 21%]

根據(jù)采空區(qū)氧氣濃度模擬結(jié)果,得出距回風(fēng)巷0 m、40 m、80 m和120 m時(shí)氧化自燃的分布范圍,匯總見表2。

表2 氧化自燃的分布范圍Table 2 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.3基于“三帶”的工作面最小推進(jìn)速度

采用了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集數(shù)據(jù)方法,通過對(duì)漏風(fēng)風(fēng)速和氧氣濃度變化進(jìn)行數(shù)值模擬、對(duì)氧氣濃度變化實(shí)測(cè)三種手段,計(jì)算并且預(yù)算工作面 “兩道一線”自燃“三帶”的分布規(guī)律。 三種方法的計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果總結(jié)在表3中。

表3 自燃三帶分布結(jié)果匯總表Table 3 Distribution of Three-zone of spontaneous combustion

根據(jù)表3所得結(jié)果,工作面采空區(qū)氧化自燃帶寬度通過優(yōu)化并最終確定為28.00 m,氧化自燃帶寬度的確定以便于能夠有效及時(shí)地識(shí)別采空區(qū)自燃氧化狀態(tài),對(duì)可能出現(xiàn)的自燃危險(xiǎn)及時(shí)采取有效的防范措施,預(yù)防煤自燃的發(fā)生。

綜采放頂煤工作面13號(hào)煤,煤的自燃傾向性為容易自燃,自燃發(fā)火期為3～6個(gè)月,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定最短發(fā)火期為20 d。由此可以看出,降低自燃的工作面的最低推進(jìn)率下式計(jì)算為[15]:

式中:Vmin為降低自燃的工作面的最低推進(jìn)率,m/d;Lmax為氧化自燃帶最大寬度,m;k為備用富余系數(shù),取1.25;Tmin為最短發(fā)火期,d。

通過上述分析與計(jì)算可以得出:綜采工作面的推進(jìn)速度是影響煤自燃的重要因素,當(dāng)綜采工作面的連續(xù)推進(jìn)速度超過1.75 m/d(工作面月推進(jìn)量大于52.5 m)時(shí),達(dá)不到自燃發(fā)火的條件,故工作面采空區(qū)沒有自燃發(fā)火危險(xiǎn)。當(dāng)綜放面的連續(xù)推進(jìn)速度小于1.75 m/d(工作面月推進(jìn)量小于52.5 m)時(shí),自燃發(fā)火的條件就容易達(dá)到,工作面采空區(qū)將有發(fā)生自燃發(fā)火的危險(xiǎn),綜采工作面的推進(jìn)速度確定對(duì)煤自燃防范有重要意義。

3 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù),利用FLUENT軟件模擬了漏風(fēng)量變化、漏風(fēng)速率變化和氧濃度變化的自燃“三帶”分布。在氧氣濃度為7%～15%時(shí),得到工作面最大的氧化帶寬度為28.00 m,得出了綜放面的最低推進(jìn)速度,當(dāng)綜采工作面連續(xù)推進(jìn)速度不超1.75 m/d(工作面月推進(jìn)量小于52.5 m)時(shí),工作面采空區(qū)將有自燃發(fā)火的危險(xiǎn)。研究結(jié)果對(duì)防止采空區(qū)自燃,促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

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NumericalSimulationonThree-zoneofSpontaneousCombustioninGoaf

YANGGuoquan

(WuxinCoalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,Baode036600,China)

Based on the field data of spontaneous combustion three-zone in goaf in fully-mechanized working face,FLUENT was used to simulate flow field distribution.The form of air leakage flow field was obtained under different wind volume,that is the regional distribution of the spontaneous combustion three-zone in different air supply conditions.When the oxygen concentration ranges from 7% to 15%,the maximum width of the oxidizing zone is 28.00 meters.When continuous advancing speed of the working face is less than 1.75 m/d (advancing distance per month is less than 52.5 meters),there will be fire risk in the goaf. The research results are useful for the control and prevention of the spontaneous combustion in the goaf and safe production in the mines.

numerical simulation;three-zoneof spontaneous combustion; flow field distribution; velocity distribution

1672-5050(2017)04-0061-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.018

2017-06-23

楊國權(quán)(1972-)，男，山西盂縣人，大學(xué)本科，助理工程師，從事通風(fēng)與安全工作。

TD752

A

(編輯:樊 敏)