多源多匯均壓防滅火數值模擬研究

郝亞兵(西山煤電集團有限責任公司 通風處，山西 太原 030024)

礦井采空區火災嚴重威脅著煤礦安全生產，它不僅能夠燒毀煤炭資源和礦井設備，造成工作面和礦井封閉與停產，還可能引起煤塵、瓦斯爆炸，造成重大的人員傷亡事故[1-4]. 采空區遺煤自燃是采空區火災的主要成因，其中煤自燃過程不僅與煤炭自身的放熱性和氧化性有關，還與采空區漏風供氧密切相關，但是采空區漏風直接為遺煤自燃提供氧化所需的條件，是遺煤自燃的主要原因[5-6]. 采空區漏風源是研究采空區自燃三帶分布的重要依據，漏風源、漏風匯存在漏風壓差，導致采空區漏風分布不同，采空區內氧氣濃度分布的自燃三帶分布形式也不同[7-8]. 均壓防滅火技術關鍵在于使采空區兩側區域的壓力達到平衡，使其均勻分布，最大可能降低風壓差帶來的漏風[9-11]. 本文所研究的山西陽泉某礦，其開采井田范圍存在著很多私挖亂采的采空區，且采空區之間的多源多匯關聯比較復雜。因此，選取10201工作面采空區作為研究對象，其采空區是典型的“三源兩匯”漏風場，加之采空區空間格局制約了內部壓力的直接測定，故而采用數值模擬的方法研究采空區變化規律。

1 礦井概況

礦井采用斜井開拓方式，布置有3個井筒，其中主、副井為斜井，回風井為立井，開采水平則布置在地質條件較好的2#煤層。綜合機械化開采走向長壁煤層，以中央并列式通風方式作為礦井通風，2個斜井為進風井，立井為回風井。礦井的總進風量為3 500 m3/min，總回風量3 800 m3/min.

礦井火區分布區域參數：1#火區集中在 10201回風順槽南部，與回風大巷相距約705 m；2#火區散布在10201進風順槽北端，與軌道大巷、回風大巷的距離分別為903 m、1 200 m；3#火區則位于10201進風巷北段，距離軌道大巷約750 m，距離回風大巷約1 070 m.

2 物理模型的建立

利用紅外探測儀探測采空區漏風情況，探測結果見表1.

表1 采空區漏風探測情況表

注：⊕—外部向采空區漏風 ⊙—采空區向外漏風

根據探測情況建立幾何模型，模型基本參數見表2. 其中，采空區進風側設置為Velocity-inlet，漏風口都設置為Pressure-outlet，具體物理幾何模型見圖1.

表2 模型物理參數表

圖1 物理幾何模型圖

3 參數設定與網格劃分

根據10201工作面的實際情況以及采空區滲流參數進行孔隙率與黏性阻力系數的設定，煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區、裂隙帶的黏性阻力系數設定為：4×105、1×106、1×107、4×108(1/m2). 同時，根據礦井的實際滲流參數，采空區滲透率呈現中部較小四周較大的特點，擬合孔隙率與空間位置的相關函數。使用ICEM軟件，將計算區域劃分成72 702個網格(見圖2).

圖2 計算區域網格劃分圖

4 數值模擬結果及分析

通過調整模擬工作面風壓，10201工作面由最初的“三源兩匯”漏風流場逐步演變，得到了“兩源三匯”、“一進三出”、“一進四出”3種不同流場形式。

4.1 流場分布情況

升壓0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa時Z=2 m平面漏風流線圖見圖3. 從圖3中可以看出，當升壓0 Pa時，采空區原始漏風流場為明顯的“三源兩匯”。逐步提高采空區壓力，采空區漏風情況發生變化。當升壓85 Pa時，漏風口1、3漏風向反轉，但漏風口2依然向采空區漏風，表現出“兩源三匯”的流場特征，這就表明采空區壓力與漏風口2處的壓力存在壓差。繼續升壓到215 Pa，漏風口2剛好達到壓力平衡態，故而只存在漏風口1、3，流場是典型的“一進三出”型。當升壓達到250 Pa時，漏風口2的平衡態被打破，此時，采空區的向外漏風最為嚴重。

4.2 壓力場分布情況

從壓強等值線圖(圖4)可以看出：原始采空區流場(即三源兩匯)的壓強等值線分布較密，說明壓力場變化顯著。其中工作面壓力差為30 Pa，漏風口2和上隅角間壓差最大，達到210 Pa，漏風最多，其為外部火區有毒煙氣進入采空區的主要通道。升壓85 Pa以后，工作面上下隅角間壓差依然保持在30 Pa左右，保證了工作面風量不變。最大壓力差為漏風口2與上隅角之間的壓力，其差值為125 Pa. 繼續升壓215 Pa，此次升壓取得良好的效果，漏風口2外側壓力和該處采空區內部壓力相平衡，通過升壓措施，阻止了漏風口2連通的外部火區的煙氣進入采空區。此時高壓區域集中在采空區進風巷，且上隅角壓力漏風口2處壓力基本相等，因此，可以忽略漏風口2對采空區的影響。當升壓值達到250 Pa時，下隅角區域壓力最高，雖阻止外部火區的煙氣進入采空區，但采空區內漏風面積較大，漏風通道過長。

4.3 O2濃度分布情況

該煤礦2#煤層為焦煤，其自燃臨界氧濃度在4%～9%，散熱帶氧氣濃度大于18%；氧化自燃危險帶氧氣濃度在9%～18%；窒息帶氧氣濃度小于9%.

升壓0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa時，Z=2 m平面O2濃度分布云圖見圖5. 從圖5中可以看出： “三源兩匯”漏風流場在3個漏風點處風速變化較快，梯度較大，造成O2濃度在Z=2 m平面，呈現一種不規則的“飄帶圈狀”分布[13-14]. 當采空區流場處于“兩源三匯”時(即升壓85 Pa)，O2濃度分布呈現橫放著的“幾字型”分布，由于漏風口2在升壓過程中，經歷了流入、流出采空區兩個過程，此時漏風口2處于流入壓差降低的階段，流場的擾動性減小，而且沒有原始狀態O2濃度分布圖中的“犄角”現象[15-17]. 充分證明采空區渦風流區減少，但是氧化自燃帶的分布依然很廣。

圖3 升壓0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa時Z=2 m平面漏風流線圖

圖4 升壓0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa時Z=2 m平面壓力等值線圖

當升壓值為215 Pa時，采空區只有一個進風口，Z=2 m平面O2濃度分布受到“一進三出”的漏風場的影響，匯風處O2濃度明顯偏大，而氧化自燃帶較85 Pa時明顯縮小，降低了采空區遺煤自燃風險，可以有效封堵漏風通道，縮小“氧化自燃”帶。繼續升壓至250 Pa，由流線圖可以看出，采空區的漏風面積增大，漏風路線延長，極大地促進了遺煤的氧化自燃。在“一進四出”漏風流場趨于穩定態時，三帶內的O2濃度明顯高于其他類型。

5 結 論

1) 通過數值模擬，可以有效地觀察“多源多匯”這類特殊流場的流線軌跡圖、壓力等值圖、O2濃度分布云圖，為確定何種壓值參數下風流場穩定提供依據。

2) 根據礦井10201工作面實際情況，對工作面原始流場及升壓85 Pa，215 Pa，250 Pa進行模擬，通過對比分析4種情況下的模擬結果，最終確定將工作面氣壓抬升215 Pa.

圖5 升壓0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa 時Z=2 m平面O2濃度分布云圖

3) 均壓防滅火技術能夠在阻止外部火區有毒有害氣體進入采空區的同時，有效降低“自燃三帶”的分布和范圍，對現場均壓方案的提出和復雜流場的穩定性研究具有重要的指導意義。

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