聶琦苗 牛會永教授 魯 義副教授 李石林講師

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤炭安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

采空區(qū)內(nèi)遺煤所處環(huán)境對分析采空區(qū)煤炭自然發(fā)火機(jī)制有十分重要的意義，遺煤厚度、氧氣濃度、松散煤體孔隙率、采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等都是引起采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的主要因素。因此，研究采空區(qū)漏風(fēng)環(huán)境和氧氣分布規(guī)律對提出合理有效的煤自燃防滅火技術(shù)有重要意義[1-3]。

煤礦井下采空區(qū)是由遺煤和垮落巖石構(gòu)成的多孔介質(zhì)，其孔隙率和滲透率是影響采空區(qū)漏風(fēng)流場模擬結(jié)果的重要參數(shù)。錢鳴高[4]通過研究覆巖裂隙的生成和演變后發(fā)現(xiàn)了裂隙的演化規(guī)律，以及“O”形圈的分布特征。張春[5]分析了采空區(qū)應(yīng)力對破碎巖石碎脹系數(shù)的影響，得出了應(yīng)力場對采空區(qū)內(nèi)的“三帶”劃分、煤自燃位置和流場等的影響情況。馬占國[6]等研究了煤礦采空區(qū)破碎巖石的孔隙分布、滲透特性以及碎脹系數(shù)的變化。張辛亥[7]通過分析采空區(qū)礦壓分布和頂板巖性，提出采空區(qū)孔隙率的分布為負(fù)指數(shù)的變化關(guān)系。文獻(xiàn)[8]通過壓縮試驗(yàn)結(jié)果，研究煤巖在壓力作用下孔隙率的變化規(guī)律，得出煤巖孔隙率和滲透率隨應(yīng)力狀態(tài)改變呈先減小然后逐漸增大的趨勢。文獻(xiàn)[9]研究了采空區(qū)覆巖的冒落規(guī)律及孔隙率的三維分布，通過將孔隙率分布導(dǎo)入數(shù)值模擬得到采空區(qū)流場分布規(guī)律。文獻(xiàn)[10-11]通過Fluent數(shù)值模擬研究了不同滲透率對瓦斯運(yùn)移及采空區(qū)滲流場的影響。

綜合以上研究成果表明：采空區(qū)在應(yīng)力作用下覆巖的冒落下沉規(guī)律和煤巖應(yīng)力狀態(tài)都影響著煤巖滲透率，而采空區(qū)的孔隙率和滲透率又密切相關(guān)。因此，筆者從采空區(qū)冒落帶孔隙率變化規(guī)律進(jìn)行分析，探究不同孔隙率變化對采空區(qū)煤自燃環(huán)境的影響。

1 采空區(qū)孔隙率分布

根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者對采空區(qū)礦山壓力的現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，在靠近工作面一側(cè)直接頂垮落的區(qū)域?yàn)樗缮r石堆積區(qū)，這部分冒落巖體未受礦山壓力，其孔隙率較大在0.3左右，隨著采空區(qū)的深入，礦山壓力的不斷增加，冒落巖石逐漸被壓碎壓實(shí)，孔隙率逐漸減小，在距離工作面100m左右時，采空區(qū)孔隙率也己達(dá)到一個穩(wěn)定值，在0.1左右[12]。采空區(qū)的滲透率與孔隙率有關(guān)，根據(jù)Blake-Kozeny公式計(jì)算，采空區(qū)的滲透率均勻分布時滲透率變化范圍為6.4×10-7～1.44×10-6m2，平均值為1.06×10-6m2，根據(jù)孔隙率與滲透率的計(jì)算公式(如式(3))換算得孔隙率的平均值為0.26。

為研究孔隙率對采空區(qū)漏風(fēng)和煤自燃環(huán)境的影響，筆者將采空區(qū)孔隙率設(shè)置為均勻分布和分段均勻分布兩種方式。為研究不同孔隙率大小對流場的影響，均勻分布的孔隙率分別取0.29、0.26、0.23；同時，以距工作面30m、90m為界劃分為自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)，3個區(qū)域的孔隙率取0.36、0.26、0.15為分段均勻分布，并將其與孔隙率為0.26的均勻分布方式的模擬結(jié)果對比分析。

2 采空區(qū)多孔介質(zhì)滲流場數(shù)學(xué)模型

2.1 流場控制方程

將采空區(qū)內(nèi)氣體視為不可壓縮氣體且采空區(qū)內(nèi)部不斷有瓦斯涌出，氣體流動滿足質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程[13]:

(1)

式中：

u、v、w—速度矢量分別在x、y、z方向上的分量；

μ—流體的動力粘度；

ρ—流體的密度，kg/m3；

n—介質(zhì)孔隙率；

cs—組分的體積濃度；

ρcs—組分的質(zhì)量濃度；

Ds—組分的擴(kuò)散系數(shù)；

Ss—微元體的生成率。

2.2 采空區(qū)多孔介質(zhì)的滲流模型

用Fluent模擬流體在多孔介質(zhì)中的流動時，這部分動量損失在動量方程中表現(xiàn)為源項(xiàng)，此動量源項(xiàng)由粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)兩部分組成[14]，其基本形式為：

(2)

式中：

右首第一項(xiàng)是粘性損失系數(shù)項(xiàng)，右首第二項(xiàng)是慣性損失系數(shù)項(xiàng)；

Si—采空區(qū)多孔介質(zhì)在x、y、z方向動量方程的源項(xiàng)；

Dij、Cij—分別為粘性損失和慣性損失的預(yù)定義的矩陣；

μ—動力粘性系數(shù)；

vj—流體微元體在x、y、z方向上的速度分量，m/s。

采空區(qū)空間內(nèi)各方向上的黏性阻力系數(shù)k和內(nèi)部慣性阻力C2系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：

n—孔隙率；

Dp—平均粒徑，m。

3 采空區(qū)漏風(fēng)流場的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬簡化假設(shè)

本數(shù)值模擬視采空區(qū)內(nèi)氣體為不可壓縮流體。假設(shè)采空區(qū)由各向同性的多孔介質(zhì)組成，忽略采空區(qū)瓦斯浮升效應(yīng)。瓦斯涌出僅考慮采空區(qū)內(nèi)遺煤瓦斯，瓦斯為純CH4。

3.2 采空區(qū)物理模型

以某礦深井綜放工作面的實(shí)際情況為例，使用Fluent軟件對其滲流場進(jìn)行模擬，建立以U型通風(fēng)的采空區(qū)物理模型，如圖1。該物理模型以進(jìn)風(fēng)巷出口處為原點(diǎn)，沿z軸負(fù)方向?yàn)椴煽諈^(qū)冒落帶，并以x軸負(fù)方向?yàn)椴煽諈^(qū)回采方向。假設(shè)工作面高6m，寬10m，長200m，進(jìn)、回風(fēng)巷高5m，寬6m，長40m；計(jì)算區(qū)域除進(jìn)回風(fēng)巷外，其他均為壁面，采空區(qū)寬為200m，長為300m。

圖1 采空區(qū)幾何模型Fig.1 Geometric model of goaf

3.3 采空區(qū)數(shù)值模擬參數(shù)

采空區(qū)物理模型主要分為進(jìn)回風(fēng)巷道、工作面、綜采支架區(qū)和采空區(qū)4個區(qū)域，此物理模型均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對進(jìn)回風(fēng)巷道和工作面采用網(wǎng)格間距為1.25m，綜采液壓支架部分采用間距為1.5m，采空區(qū)則采用間距為1.75m。具體模擬參數(shù)數(shù)值，見下表。

表 采空區(qū)模擬參數(shù)Tab. Simulation parameters of goaf

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)井下流場實(shí)際情況，進(jìn)風(fēng)巷入口設(shè)為速度入口(Velocity-inlet)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的工作面風(fēng)量為2 700m3/min。求出進(jìn)風(fēng)速度為1.5m/s，回風(fēng)巷出口設(shè)為自由出流(Outflow)，各個多空介質(zhì)區(qū)交界面設(shè)為流場內(nèi)部邊界，其他邊界設(shè)為絕熱邊界。

4.1 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度影響分析

空氣以1.5m/s的速度由進(jìn)風(fēng)巷流入工作面，新鮮風(fēng)流的流動在靠近工作面下隅角處形成一個高壓中心，出現(xiàn)了渦流，如圖2。采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)來源主要有3個方面，即進(jìn)風(fēng)端由于風(fēng)流動壓在下隅角處形成的漏風(fēng)、工作面兩端壓差造成的漏風(fēng)以及進(jìn)風(fēng)端—工作面和瓦斯排放巷之間的壓差產(chǎn)生的漏風(fēng)[15]。

圖2 進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為1.5m/s時工作面風(fēng)速流線圖Fig.2 Streamline diagram of wind speed of working face at 1.5 m/s wind speed of inlet roadway

取距離采空區(qū)底部遺煤8m處(y=10m)漏風(fēng)速度云圖進(jìn)行分析，空氣從下隅角綜采支架間的空隙向采空區(qū)滲透，該區(qū)域是采空區(qū)大部分漏風(fēng)的主要來源，因此風(fēng)速較大，如圖3。隨著孔隙率取值的不斷減小，采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)通道和漏風(fēng)量也隨之減小，滲流風(fēng)速減小，隨著向采空區(qū)深部的不斷延伸，采空區(qū)漏風(fēng)分布面積也減小，距離工作面越遠(yuǎn)，孔隙率大小對采空區(qū)漏風(fēng)流場的影響越小[16-17]。由于分段均勻分布的3個區(qū)域的孔隙率取值不同，自然堆積區(qū)內(nèi)的煤巖破碎程度大，孔隙率較高，是工作面向采空區(qū)漏風(fēng)的主要區(qū)域，漏風(fēng)速度較大。

通過對比分析孔隙率為0.26的均勻分布和分段均勻分布這兩種分布方式的漏風(fēng)情況，可以看出越靠近工作面，孔隙率分布對采空區(qū)漏風(fēng)速度的影響越大，且在分區(qū)的邊界上漏風(fēng)速度出現(xiàn)不連續(xù)跳躍的現(xiàn)象，在采空區(qū)深處孔隙率的分布方式則對漏風(fēng)并沒有太大影響。

4.2 采空區(qū)氧氣濃度分布分析

通過計(jì)算采空區(qū)分別以不同孔隙率大小和不同的分布方式，采空區(qū)氧氣濃度分布，如圖4，取距離采空區(qū)底部遺煤8m處(y=10m)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，由于工作面的氧氣通過新鮮空氣流向采空區(qū)滲流，而采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被帶出采空區(qū)，氧氣濃度呈現(xiàn)從工作面向采空區(qū)深處逐漸減小的趨勢。隨著孔隙率的減小，高濃度的氧氣分布區(qū)面積也越來越小，相同氧氣濃度的等值線也越來越靠近工作面。

分段均勻分布時，由于3個區(qū)域的孔隙率取值不同，遺煤的耗氧速率受采空區(qū)位置的影響。自然堆積區(qū)由于漏風(fēng)強(qiáng)度大，氧氣濃度高，維持在20%以上。載荷影響區(qū)由于孔隙率稍低，氧氣濃度相對減少。壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)垮落巖體受礦壓的作用空隙空間被嚴(yán)重壓縮，孔隙率最小，滲流速度減小且漏風(fēng)影響微弱，在采空區(qū)深部氧濃度降低到20%以下[18]。

圖3 不同孔隙率分布的風(fēng)速云圖Fig.3 Wind speed cloud map of different porosity distributions

圖4 不同孔隙率分布的氧氣分布云圖Fig.4 Cloud map of oxygen distribution with different porosity distribution

4.3 采空區(qū)氧化帶的變化分析

通過對不同的孔隙率大小和不同的孔隙率分布方式進(jìn)行模擬，得到采空區(qū)氧氣濃度分布云圖，利用氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)(10%～18%)對采空區(qū)內(nèi)的氧化帶進(jìn)行劃分，采空區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于18%為散熱帶，小于10%為窒息帶。圖5表示的是采空區(qū)內(nèi)氧化帶隨孔隙率的變化而移動的趨勢。

由圖5可知，采空區(qū)氧化帶受孔隙率的影響，隨著孔隙率不斷增大，氧化帶不斷向采空區(qū)深部移動，孔隙率越小，氧化帶的位置越靠近工作面，主要是因?yàn)殡S著孔隙率的增加使得煤與巖石對風(fēng)流的阻力減小，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量增加。當(dāng)孔隙率為0.29時，采空區(qū)氧化帶面積最大，氧化帶寬度的范圍為97.4～127m；孔隙率分段均勻分布時，氧化帶的變化趨勢不太。雖然模擬圖與實(shí)際中三帶圖有區(qū)別，但也可以明確地反映出孔隙率對采空區(qū)氧化帶分布的影響較為明顯。

圖5 不同孔隙率分布下的氧化帶分布圖Fig.5 Distribution of oxidation bands with different porosity distribution

5 結(jié)論

煤礦在采動的過程中，采空區(qū)上覆巖層的冒落與壓實(shí)情況都影響孔隙率的大小和分布情況，孔隙率大小和分布對采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)以及氧氣濃度分布都有顯著的影響。

(1)在U型通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)主要源于工作面下隅角處，進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量大小與采空區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率有關(guān)。孔隙率越大，在靠近工作面的漏風(fēng)流速越大，氧氣濃度越高，而深入采空區(qū)，孔隙率大小對采空區(qū)漏風(fēng)場影響越小。并隨著孔隙率不斷增大，氧化帶不斷向采空區(qū)深部移動。

(2)孔隙率分布對采空區(qū)漏風(fēng)速度的影響較大，分段均勻分布的漏風(fēng)速度大于均勻分布(n=0.26)，且距離工作面越近影響越大，較均勻分布氧化帶位置更遠(yuǎn)離工作面。越向采空區(qū)深入，漏風(fēng)風(fēng)速差別變小，對氧氣濃度場的影響越小。

(3)采空區(qū)覆層的冒落與壓實(shí)情況與孔隙率有著必然聯(lián)系，不同孔隙率對采空區(qū)漏風(fēng)和氧氣分布的影響顯著，能夠進(jìn)一步反映礦井壓力對煤自燃環(huán)境的影響。