黃巖匯礦綜放面采空區三維抽采條件下氧濃度數值模擬研究

朱興攀文 虎王 凱喬懿麟

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西省西安市,710065; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054)

黃巖匯礦綜放面采空區三維抽采條件下氧濃度數值模擬研究

朱興攀1文 虎2王 凱2喬懿麟1

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西省西安市,710065; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054)

以黃巖匯煤礦15109工作面為研究背景,從高瓦斯礦井抽放條件下綜放采空區浮煤自燃的特點出發,對其采空區在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時運行條件下的氧濃度分布進行數值模擬研究。通過實驗模擬測定煤層自然發火相關特性參數,利用相關學科知識,建立綜放采空區在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時運行條件下氣體滲流預測模型,對其進行數值模擬計算;通過改變高抽巷抽采負壓來研究其對采空區“三帶”的影響。

采空區 氧濃度 分布規律 數值模擬 抽采負壓

1 綜放面抽放條件下采空區分析

黃巖匯煤礦主采15＃煤層,屬于高瓦斯不易自燃煤層,煤種為無煙煤,采用走向長壁后退式綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。煤層平均厚度為4.9 m,采高2.6 m,上部頂煤采用液壓支架尾梁擺動、插板伸縮放頂煤,放煤高度2.3 m,采放比1︰0.88,工作面推進約8 m初次放煤。

黃巖匯15109工作面兩巷(指進風巷道和回風巷道)及兩端頭支架處不放頂煤,且兩巷頂部及兩巷巷壁均采用錨網支護,當工作面推進、頂板垮落后,該處留有大量遺煤,且兩巷處由于錨網的作用遺煤垮落不完全,造成大量的漏風裂隙。此外,由于15109工作面屬于高瓦斯煤層,故在距回風巷一側20 m處開掘了一條瓦斯排放專用巷(即尾巷)對采空區內的瓦斯進行排放,為了保證尾巷的排瓦斯效果,在上隅角處隨著工作面的推進不斷扎設木垛,以防回風巷處頂板垮落壓實巷道。尾巷與回風巷之間每30 m有一條聯絡巷相連,且始終保持采空區內有兩條聯絡巷是相通的,當下一個聯絡巷進入采空區后,及時對采空區內最前一個聯絡巷進行密閉。由此可知在采空區內部回風巷一側60 m左右的區域內頂板垮落不完全,具有良好的通風條件。

另外,在距回風巷水平間距50 m、垂直間距46 m處開掘一條高抽巷同時對采空區瓦斯進行抽采,這就導致采空區不可避免的存在大量漏風,為遺煤氧化自燃提供了良好的供氧條件。

在煤層開采過程中,老頂初次來壓、垮落后,發生周期性來壓、垮落,引起頂部巖層產生冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,前兩者為破裂帶。由于煤層頂部巖體垮落而產生大量裂隙,使工作面空氣可以滲流到采空區內部,在足夠的蓄熱環境下,可能會引起工作面采空區浮煤自燃,因此破裂帶所形成的裂隙成為空氣滲流的主要通道。

2 綜放面采空區氣體滲流及擴散數學模型

2.1 采空區氣體滲流控制方程

高瓦斯礦井綜放面采空區內部松散煤體和圍巖層組成的多孔介質區域,其內部空隙分布并不均勻,并且在高抽巷及尾巷的立體抽采條件下,采空區內漏風強度增大,風流紊亂,難以對其漏風源和漏風匯進行確定,因此,為建立其三維數學模型,僅考慮平均意義下的漏風強度。假設在滲流區域內風流在通過松散煤體的空隙時,密度不會發生改變,則有:

式中:x、y、z——坐標軸方向;

盡管采空區松散煤巖體中的空隙是錯綜復雜的,但漏風風流流經空隙通道時,漏風速度是很小的,所以采空區內部的滲流主要還是層流狀態,采空區內風流流動的動量方程近似服從達西定律,在三維條件下可表示為:式中:H——總水頭,Pa;

P——靜壓力,Pa;

ρ——空氣密度,常溫常壓下,取1.2946 kg/m3;

k——絕對滲透率,m2;

μ——空氣粘性系數,取1.7894×10－5kg/ (m·s);

K——多孔介質中的滲透系數,m3·s/kg。

2.2 采空區氧濃度場數學模型

滲流入采空區風流中的氧氣與煤體接觸后,會在松散煤體表面形成大面積的吸附面,由于采空區內部破碎的煤巖體破碎的粒度大小不一,導致煤巖體自身的滲透率、導熱系數等參數不確定,漏風風流在破碎的煤巖體中的傳熱、傳質、漏風及熱力過程極其復雜,這些過程受松散煤巖體所處的內在及外在條件影響,采空區浮煤的自燃過程是一個十分復雜的三維問題,但仍然遵循著能量守恒原理。為了便于計算機進行數值模擬,需要對采空區內氧濃度場數學模型的建立作一些假設:

(1)采空區內松散煤體屬于均勻的各向同性多孔介質;

(2)采空區內漏風風流僅在破碎的煤巖體內流動;

(3)忽略實際條件下因煤溫及環境溫度的變化導致的輻射傳熱;

(4)滲流入采空區的風流溫度與松散煤巖體溫度相同;

(5)忽略采空區內部浮煤中的瓦斯解吸所吸取的熱量的影響及熱膨脹的影響;

(6)忽略松散煤體內因風流的脈動而引起的機械彌散影響;

基于上述的假設,根據多孔介質傳質學理論,建立了綜放面采空區內氧氣的質量平衡方程為:

式中:D——氧氣在松散煤體內的擴散系數,取2.88×10－5m2/s;

C——實際的氧氣濃度(體積百分比),%;

C0——新鮮風流中的氧氣濃度,取21%;

V(T)——煤體體在氧濃度為C時的耗氧速率,mol/(s·cm3);

V0(T)——煤體在新鮮風流中的耗氧速率,mol/(s·cm3)。

2.3 工作面及采空區兩巷壓力分布

經過對15109綜放面的進風巷、回風巷、尾巷及高抽巷處的壓力進行測定,得到進風巷絕對壓力為94980 Pa,回風巷絕對壓力為94780 Pa。因該工作面傾角較小,煤層賦存基本水平,且各處斷面面積基本相等,比較光滑,因此,可近似認為工作面各點處的絕對壓強基本呈線性變化。以工作面中部為坐標原點,向進風側方向為x方向,向采空區深部為y方向,垂直向上為z方向,則其工作面及采空區進、回風側壓力分布為:

工作面壓力:

采空區進風側壓力:

采空區回風側壓力:

2.4 滲流及計算區域

為了正確建立綜放面在高抽巷及尾巷同時抽采條件下采空區氣體滲流的數學模型,可將采空區內部的滲流區域做一些合理假設:

(1)因為15109工作面是15＃煤層開采的第一個工作面,周圍的煤層及圍巖體并未受到較大的破壞,因此,在計算模型中可以只將采空區內部認為是滲流區域,其邊界面定義為壁面,即不與外界環境發生對流傳熱及物質交換,工作面、高抽巷和瓦斯排放專用巷都作為計算區域;

(2)采空區浮煤內部存在著大量空隙,其上部相當高的巖層內也存在一定的漏風通道,加之高抽巷對采空區內部瓦斯進行不斷抽采,增加了圍巖層的滲透能力,也屬于滲流區域,因而采空區氣體滲流在三維方向都發生改變;

(3)采空區內部浮煤與滲流入采空區內部的氧氣發生吸附和化學反應并消耗一部分氧氣,氧氣濃度會隨著與采空區距離的增加逐漸減小;

(4)采空區內部浮煤發生自燃的過程非常緩慢,在正常生產過程中,可以近似認為采空區內氧濃度的擴散及傳熱過程是穩態的,并遵循Fick定律,氧濃度最終會達到擴散與反應的平衡。

根據現場實際觀測及計算可知,采空區距兩巷道煤壁11 m內的浮煤厚度為2.53 m左右,中部為0.61 m左右。工作面風流在采空區滲流的破裂帶邊界區域在采空區進風巷及尾巷兩側以內煤壁之間、煤層底板以上55 m內的范圍,其中進風巷高3 m、寬4.5 m;回風巷和尾行高3 m、寬3.8 m;高抽巷與回風巷水平間距50 m、垂直間距46 m,斷面寬4 m、高3 m,高抽巷抽放管伸進采空區10 m;采空區寬224 m、高55 m、深200 m;工作面風量為設計配風量,進風口風速為3.92 m/s,進風側氧濃度為20.98%。據此,建立三維數學模型如圖1所示。

圖1 計算區域簡化物理模型

2.5 邊界條件的設定

綜放面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時抽采采空區條件下氣體滲流模型的邊界條件包括進風巷、回風巷、高抽巷、瓦斯排放專用巷(尾巷)及工作面風流的流量、氧氣濃度、壓力及模型其余表面參數的設置,根據以上分析可以得出其氣體滲流、擴散數學模型的邊界條件如下:

(2)暴露面:

進口(此模型中將進風巷設定為進口):氧氣濃度體積百分比21%,質量百分比23.0%,溫度300 K,由現場測得進風巷風速平均為3.92 m/s。

回風巷出口:設定為負壓出口,壓力94780 Pa。

高抽巷出口:設定為負壓出口,壓力26000 Pa。可通過改變高抽巷壓力,研究綜放面采空區在不同抽采負壓條件下采空區氧濃度分布場、流場分布規律及對采空區煤自燃危險區域范圍的影響。

瓦斯排放專用巷(尾巷)出口:設定為負壓出口,壓力94520 Pa。

3 抽放條件下采空區氧濃度數值模擬

采用ANSYS FLUENT12.1流體動力學軟件,通過建立綜放面采空區在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時抽采條件下的氣體滲流模型及邊界條件的確定,使用UDF用戶自定義函數對采空區的空隙率、耗氧速率等相關參數進行自定義,從而對采空區滲流場、氣體濃度場和漏風流場進行數值模擬。此外,通過改變高抽巷抽采負壓的大小來研究其對采空區氣體滲流場的影響,以此來指導黃巖匯15109綜放面采空區及同類條件下礦井的防滅火工作。

3.1 采空區三維建模及參數設置

由上可得采空區滲流區域為向采空區方向深200 m,工作面寬224 m、高55 m的一個六面體,由于計算模型范圍較大,考慮到計算機計算能力,故將浮煤層網格步長劃分為0.5 m,巖石層網格步長劃分為1 m。

3.2 參數設置

相關參數設置見表1所示。

表1 相關參數設置

4 數值模擬結果及分析

4.1 15109綜放面抽采條件下采空區氧濃度數值模擬

15109工作面煤層瓦斯含量較大,采用高抽巷及瓦斯排放專用巷同時對采空區內部進行立體抽采,采空區內部漏風極其復雜,基于以上采空區模型的建立及相關參數設定對其進行了Fluent數值模擬。得出采空區不同位置氧濃度分布及壓力分布,如圖2和圖3所示。

圖2 距離煤層底板z＝0.5 m處氧氣濃度分布圖

圖3 采空區立體氧氣濃度分布圖

由圖2可知,15109工作面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時抽放條件下,采空區氧濃度分布在進風側較高,回風側相對較低,然而在尾巷的作用下,回風巷側風流會向尾巷方向流動,致使回風側氧濃度在距工作面50 m左右范圍內保持在一個較高的值,在50 m之后隨著采空區深度的增加氧濃度迅速降低,當深度達到130 m左右時,氧濃度下降為3%。進風側氧濃度在165 m左右時,氧濃度下降為4.5%,此與采空區內部浮煤的空隙率和礦山壓力有關。

圖3顯示,在高抽巷附近,氧濃度有向巷口流動的趨勢,這是由于高抽巷抽采負壓的作用使采空區氣體向負壓高處流動。在尾巷的引排作用下,采空區風流中一部分也會向尾巷處流動。

4.2 改變高抽巷抽采負壓時采空區氧濃度數值模擬

當高抽巷抽采負壓為23000 Pa時,采空區不同位置的氧濃度分布如圖4所示。當高抽巷抽采負壓為20000 Pa時,采空區不同位置的氧濃度分布如圖5所示。

圖4 抽采負壓為23000 Pa時,采空區不同位置處氧濃度分布圖

圖5 抽采負壓為20000 Pa時,采空區內不同位置的氧濃度分布圖

由圖4和圖5可以得出:

(1)隨著高抽巷抽采負壓的減小,采空區底部浮煤層氧濃度會隨之減小,進風側及回風側氧濃度都會相對降低,由此可知當采空區浮煤厚度達到一定值時,在較好的蓄熱環境下采空區煤自燃危險區域范圍會減小。

(2)氧濃度在向采空區深度及垂直工作面方向都會隨著距離的增加而減小,但是由于高抽巷的抽采作用,上部采空區在距工作面100 m左右的區域,氧濃度較底部浮煤層有增大的趨勢,且在高抽巷負壓口附近位置表現尤為明顯。

(3)由于尾巷的引排作用,尾巷內壓力表現為負壓,采空區內部風流由進風側流向回風側時,部分風流會被引入尾巷而排出。因此,在尾行負壓的作用下回風側部分氧氣會向尾巷一側流動。

5 結論

(1)黃巖匯煤礦15109工作面在高抽巷及瓦斯排放專用巷同時抽放條件下采空區氧濃度分布在進風側較高,回風側相對較低,然而在尾巷的作用下,回風側風流會向尾巷方向流動,致使回風側氧濃度在距工作面50 m左右范圍內保持在一個較高的值,在50 m之后隨著采空區深度的增加氧濃度迅速降低,當深度達到130 m左右時,氧濃度下降為3%。進風側氧濃度在深度為165 m左右時,氧濃度下降為4.5%。由于高抽巷抽采負壓的作用,在高抽巷附近,氧濃度有向巷口流動的趨勢。在尾巷的引排作用下,采空區風流中一部分也會向尾巷處流動。

(2)15109綜放面采空區進風側在距工作面約120 m處氧濃度仍保持在18%左右,在165 m左右處氧濃度下降為4.5%左右;回風側在100 m左右處,氧濃度保持在18%左右,在130 m左右處下降為4.5%左右。因此,在足夠的浮煤厚度條件下,其采空區進風側120～165 m、回風側100～130 m范圍內為煤自燃危險區域,在持續的時間增加條件下,浮煤很可能會發生自燃。

(3)隨著高抽巷抽采負壓的減小,采空區底部浮煤層氧濃度會隨之減小,進風側及回風側氧濃度都會相對降低,由此可知當采空區浮煤厚度達到一定值時,采空區煤自燃危險區域范圍會減小。氧濃度在向采空區深度及垂直工作面方向都會隨著距離的增加而減小,但是由于高抽巷的抽采作用,上部采空區在距工作面100 m左右的區域,氧濃度較底部浮煤層有增大的趨勢,且在高抽巷負壓口附近位置表現尤為明顯。

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(責任編輯 張艷華)

《全國工業能效指南(2014年版)》發布

近日,工信部發布《全國工業能效指南(2014年版)》,指南涵蓋了主要工業領域的節能數據、標準、標識等,主要內容包括:

一、工業能效概況;

二、行業和地區工業能效概況;

三、重點行業產品和工序能效;

四、高耗能設備(終端用能產品)能效。

3D numerical simulation of oxygen concentration in goaf at fully mechanized mining face in Huangyanhui Coal Mine

Zhu Xingpan1,Wen Hu2,Wang Kai2,Qiao Yilin1
(1.Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710065,China; 2.College of Energy,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

Aimed at No.15109 working face in Huangyanhui Coal Mine,the oxygen concentration distribution in the goaf was numerically simulated under the condition of simultaneous gas drainage in the high-level drainage roadway and the special roadway for the gas emission,based on the characteristics of floating coal spontaneous combustion in the goaf of high-gas mine after the gas drainage.Through the experimental simulation,the related characteristic parameters of coal spontaneous combustion were determined.In addition,the forecasting model of oxygen seepage was set up too and the numerical simulation was carried out on it.The influence of oxygen seepage on the“three zones”in the goaf was researched by changing the negative pressure for the gas drainage in the high-level roadway.

goaf,oxygen concentration,distribution law,numerical simulation,negative pressure for gas drainage

TD712

A

朱興攀(1987－),男,甘肅張掖人,碩士,主要從事煤自燃預測預報技術及煤礦火災災害防治理論與技術的研究。