劉衛(wèi)方
(山西長治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司)
綜采放頂煤技術(shù)以生產(chǎn)效率高、巷道掘進率低等優(yōu)點已成為目前厚煤層開采的主要技術(shù)[1-2],但由于采空區(qū)冒落空間大、浮煤遺留量多易發(fā)生自燃發(fā)火導(dǎo)致的災(zāi)害事故[3-4],對工作面的安全高效開采構(gòu)成了極大威脅。近年來,諸多學(xué)者通過對采空區(qū)煤自燃影響因素的研究[5-8],發(fā)現(xiàn)在既定工作面采空區(qū)煤自燃的關(guān)鍵影響因素為工作面配風量與推進速度。本研究利用FLUENT軟件對布爾臺煤礦42201綜放采空區(qū)煤的低溫氧化過程進行三維數(shù)值模擬研究,分析工作面配風量與推進速度對綜放采空區(qū)溫度場特征的影響,討論采空區(qū)煤低溫氧化溫度變化規(guī)律,為該礦防治采空區(qū)煤自燃提供參考。
采空區(qū)煤自燃是采空區(qū)流場、氧濃度場、溫度場等相互影響、相互耦合作用的結(jié)果[9-13]。構(gòu)建的綜放采空區(qū)—流場、氧濃度場和溫度場控制方程如下:
數(shù)學(xué)模型初始及邊界條件:浮煤初始溫度T|t=0=T0,初始氧濃度C|t=0=C0,頂?shù)装鍘r層溫度T|頂?shù)装?T0,工作面溫度T|y=0=T0,工作面風流氧濃度C|y=0=C0。
布爾臺煤礦42201綜放工作面長240 m,工作面煤層平均厚度7.5 m,采煤高度3.6~3.8 m,放煤高度3.6~3.8 m。以42201綜放工作面進風巷的右下角為坐標原點,采空區(qū)走向為X軸方向,傾向為Y軸,垂直方向為Z軸建立了42201綜放采空區(qū)三維幾何模型(圖1),設(shè)定三維幾何模型工作面尺寸為4 m×240 m×4 m,進回風巷尺寸為20 m×4 m×4 m,采空區(qū)尺寸為300 m×240 m×50 m。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示,節(jié)點48 352個,單元247 538個。
因煤層賦存條件的差異性,煤層的孔隙率大小的變化影響著模擬結(jié)果,采空區(qū)孔隙率n計算公式為
式中,n x、n y、n z為x、y、z方向上的孔隙率,%;L為工作面長度,m。
設(shè)置進風巷為速度入口,氧氣體積分數(shù)為21%,溫度為24℃,回風巷為自由出流。巷道頂部松散煤體的底部為對流散熱邊界,上部空氣層為絕熱邊界。采用有限體積法離散方程組,離散格式采用二階迎風格式,流場進行非穩(wěn)態(tài)計算,數(shù)值解法采用基于算法的壓力修正方法。
由于采空區(qū)煤氧化向四周煤巖體傳熱,隨著距離底板的高度增加熱量逐漸耗散,溫度逐漸降低。根據(jù)現(xiàn)場實測,布爾臺煤礦42201綜放采空區(qū)遺煤厚度為1.2 m,選擇模型z=1.2 m平面進行采空區(qū)溫度場分析。42201綜放采空區(qū)高度z=1.2 m在推進速度4 m/d時,不同配風量下進風側(cè)(y=2 m)采空區(qū)遺煤的最高溫度與工作面距開切眼的開采距離的變化曲線如圖2所示。
由圖2可知:隨著距離的增加,采空區(qū)遺煤的最高溫度升高幅度變大,而后逐漸降低,且隨著工作面配風量的增大,采空區(qū)遺煤的高溫點逐漸向采空區(qū)內(nèi)部移動,遺煤最高溫度增大。在輔助線a左側(cè)最高溫度在工作面不同配風量下,隨開采距離的增加變化趨勢基本一致,此時采空區(qū)長度較短(1~44 m),受漏風作用影響,采空區(qū)散熱較充分,遺煤溫度升高不會因工作面配風量的大小而存在顯著差異。在輔助線a~b區(qū)域工作面配風量1 320 m3/min條件下的采空區(qū)遺煤的最高溫度曲線與1 620,1 920,2 220,2 520 m3/min條件下的曲線發(fā)生分離現(xiàn)象,后者采空區(qū)遺煤的最高溫度雖然無明顯差異但是顯著高于前者。這是由于隨著開采時間的持續(xù)采空區(qū)長度逐漸增加(44~56 m),工作面配風量小使得采空區(qū)的漏風也相對較小,供氧也相對較低,散熱效果不良,綜合作用導(dǎo)致遺煤溫度升高較慢[14-15]。在輔助線c右側(cè)(82 m)工作面不同配風量下采空區(qū)遺煤的最高溫度曲線都發(fā)生分離,工作面配風量大雖然可使采空區(qū)散熱充分但由于供氧更加充足,造成采空區(qū)煤耗氧能力較強,使得采空區(qū)產(chǎn)熱與散熱平衡傾向產(chǎn)熱側(cè),從而導(dǎo)致熱量積聚、煤溫升高。在采空區(qū)遺煤的最高溫度達到最值點后開始逐漸下降,這是由于最值點后的采空區(qū)頂板破碎壓實程度較好,采空區(qū)遺煤的最高溫度呈降低趨勢。
在42201綜放采空區(qū)高度z=1.2 m、工作面推進速度4 m/d、配風量1 920 m3/min條件下,采空區(qū)傾向方向煤的最高溫度變化曲線如圖3所示。以氧氣濃度8%~18%為氧化帶[16-18],采空區(qū)氧氣濃度分布見圖4。
由圖3、圖4可知:沿采空區(qū)傾向方向煤的最高溫度逐漸降低,但在采空區(qū)走向不同位置降低幅度略有差異。x=30,60 m采空區(qū)煤的最高溫度降低幅度小,x=90 m時采空區(qū)煤的最高溫度緩慢降低隨后大幅減低,此時y=120(中部)處于氧化帶,而y=238(回風側(cè))已進入窒息帶,x=120 m時采空區(qū)煤的最高溫度大幅減低隨后緩慢降低,此時進、回風都處于窒息帶。
采空區(qū)煤的最高溫度與工作面配風量大小有關(guān),另一重要影響因素是工作面的推進速度[8-10]。采空區(qū)高度z=1.2 m在配風量1 920 m3/min、不同推進速度下,進風側(cè)(y=2 m)采空區(qū)煤的最高溫度與工作面距開切眼的開采距離的變化曲線如圖5所示。由圖5可知:開采初期,工作面推進速度較小時,采空區(qū)長度較短,煤升溫速率較快,溫度越高,推進速度為3 m/d時達到最大,其他推進速度下采空區(qū)最高溫度隨著推進速度的增加而降低。這是由于加快推進速度使得采空區(qū)壓實程度提升、漏風強度減弱、氧氣濃度降低,對煤的氧化自燃進程產(chǎn)生抑制效果,造成煤的最高溫度降低。
根據(jù)布爾臺煤礦42201綜放工作面開采條件,工作面配風量為1 920 m3/min,推進速度為4 m/d。通過鋪設(shè)束管觀測采空區(qū)溫度與氧氣濃度變化,分別沿42201工作面進、回風巷鋪設(shè)?50 mm、長350 m的鋼管,測點間距50 m,開切眼鋪設(shè)?50 mm、長240 m的鋼管,測點間距60 m,1#~5#測點監(jiān)測采空區(qū)溫度變化,6#~11#測點監(jiān)測采空氧氣濃度變化,測點和束管布置如圖6所示。在花管外包裹濾塵網(wǎng),防止煤塵飄落封堵束管口[19]。密封鋼管與單芯束管之間的縫隙,保證采集的氣體檢測結(jié)果有效。
通過現(xiàn)場實測采空區(qū)溫度變化,選取1#、5#測點數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:實測值與模擬值有較好的對應(yīng)關(guān)系。
根據(jù)1#~11#點采空區(qū)氧氣濃度變化實測結(jié)果,繪制了42201綜放采空區(qū)煤的自燃氧化帶范圍如圖8所示。由圖8可知:自燃氧化帶范圍最寬處在進風側(cè)51~99 m,布爾臺煤礦4#煤最短自然發(fā)火期為27 d,工作面推進速度為4 m/d時可推進108 m,采空區(qū)自燃危險性得到降低。
(1)通過FLUENT軟件對布爾臺煤礦42201綜放采空區(qū)煤的低溫氧化過程進行三維數(shù)值模擬研究,42201工作面合理配風量1 920 m3/min,合理推進速度4 m/d滿足開采要求,并通過現(xiàn)場鋪設(shè)束管觀測采空區(qū)溫度與氧氣濃度變化,實測結(jié)果與模擬結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系,可較好控制采空區(qū)遺煤的自燃發(fā)展進程。
(2)隨著工作面開采時間的持續(xù),采空區(qū)煤的最高溫度在走向方向上逐漸升高后降低,且隨著工作面配風量的增大,高溫點逐漸向采空區(qū)內(nèi)部移動,溫度越高。在傾向方向煤的最高溫度逐漸降低,但在采空區(qū)走向不同位置降低幅度略有差異。
(3)加快工作面推進速度可使采空區(qū)壓實程度提升、漏風強度減弱、氧氣濃度降低,對煤的氧化自燃進程產(chǎn)生抑制效果,使得遺煤最高溫度降低。