高抽巷負壓對采空區瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數值模擬

屈 昀 高錦彪 趙鵬翔 甘路軍 常 青

(1.山西和順天池能源有限責任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學安全學院，陜西省西安市，710054)

★ 煤礦安全 ★

高抽巷負壓對采空區瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數值模擬

屈 昀1高錦彪2趙鵬翔2甘路軍1常 青1

(1.山西和順天池能源有限責任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學安全學院，陜西省西安市，710054)

將采空區看作多孔介質，利用滲流力學等理論推導出采空區滲透率及采空區滲流控制方程。利用數值模擬軟件Fluent,以天池煤礦401工作面的相關基礎參數模擬高抽負壓對采空區瓦斯涌出和自燃“三帶”影響規律。從模擬結果得出，抽采率隨著高抽負壓的增大而增加，但隨著高抽負壓的增大，抽采率增加幅度越來越小；高抽巷瓦斯濃度隨著抽放負壓升高而下降，但瓦斯抽放純量是增加的。隨著高抽負壓的增加會使可能自燃“三帶”寬度有所拉寬，但總體來說隨著高抽負壓的增大并沒有使得采空區自燃“三帶”與工作面的相對位置有明顯的變化，為瓦斯抽放時火災的防治提供理論依據。

高抽負壓 采空區 數值模擬 瓦斯濃度 抽采率 瓦斯抽放純量 自燃“三帶”

AbstractTaking gob as porous medium, the permeability and the seepage control equation of gob were obtained by using the theory of seepage mechanics. The simulation software Fluent was used to simulate the influencing laws of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" gas emission and spontaneous combustion based on the related parameters of 401 work face in Tianchi Mine. The numerical results showed that the extraction rate increased with high negative suction increased but the increase rate was more and more small; gas concentration in high gas drainage roadway decreased while suction pressure increased but the pure amount of gas drainage increased; the width of "Three Zone" of spontaneous combustion would increase with high negative pressure pumping had been widened; but the increase of high pumping negative pressure did not change the location of spontaneous combustion in "Three Zone" and relative positions. The research provides a theoretical basis for the prevention and control of fire during gas drainage.

Keywordshigh negative pressure, gob, numerical simulation, gas concentration, drainage rate, pure gas drainage amount, "Three Zone" of spontaneous combustion

在煤礦井下生產過程中，礦井瓦斯和煤自燃是兩大主要危險源，當兩種危險源同時存在時，對煤礦的正常生產和礦井人員的人身安全存在巨大隱患。在開采高瓦斯易自燃煤層礦井過程中，由于瓦斯排放和瓦斯抽采而導致采空區出現漏風現象和煤體破裂現象，從而引起采空區遺落煤體和破裂煤體長時間處于有氧環境中并發生自燃現象，而煤體自燃又成為礦井瓦斯爆炸的引火源。本文利用Fluent模擬軟件以天池煤礦401工作面的基礎參數為對象，分析了高抽負壓對采空區瓦斯涌出和自燃“三帶”的影響規律，為瓦斯與煤自燃的協同防治提供依據。

1 理論模型

1.1 采空區滲流控制方程

在理論推導中，假設采空區為多孔介質，在多孔介質層流中，速度與壓力降呈負相關，用Darcy定律簡化多孔介質模型：

(1)

式中： ▽P——介質層流兩端壓力差；

a——滲透率；

m——氣體黏性系數；

根據Fick定律，擴散發生如下表示：

(2)

式中：Ji——第i種氣體的擴散流量；

ρ——密度；

x——采空區深度；

Dim——擴散系數；

Di——氣體i的擴散系數；

Xi——氣體i的質量分數；

T——溫度。

在混合氣體中，隨著局部混合氣體的變化而導致Dim的變化，可計算為：

(3)

式中：Yi——摩爾分數。

式(2)可用多組分的擴散公式代替：

(4)

式中：Mi——氣體分子量；

Mmix——混合氣體的分子量；

Dij——氣體j中氣體組分i的多組分擴散系數。

1.2 采空區孔隙率及滲透率

根據Darcy定律，多孔介質的滲透率和氣體的流動速率呈反比。在采空區遺落煤體作為多孔介質的模擬中，對于采空區遺落煤體和破碎煤巖的滲透率k的研究起著至關重要的作用。采空區垮落帶的滲透率值根據Blake-Kozeny公式可以估算出：

(5)

式中：DP——平均粒子直徑，m；

ζ——空間所占的分數，取0.1～0.25。

由“砌體梁”理論推導出的內部巖層移動方程為：

(6)

式中： (Wx)i——第i組結構的移動曲線；

RT——第i組堅硬巖層抗拉強度；

hi——第i組堅硬巖層厚度；

q——自重及其上軟巖層載荷；

(W0)i——上覆巖層最大下沉量。

根據空隙率公式：

式中：H空間——孔隙總高度；

H——自然狀態下的總高度；

Kp——自然碎脹系數；

V空間——孔隙體積；

V——自然狀態下的總體積；

ε——自然碎脹條件下的空隙率。

(6)、(7)、(8)聯合可得老頂破段后垮落帶空隙率ε隨采空區深度x的變化規律為：

(9)

將(9)代入(5)得出滲透率隨采空區深度變化公式：

(10)

2 采空區模型建立及邊界條件設置

401工作面位于天池煤礦四采區第一區段，工作面為傾向回采，工作面長180 m(凈煤柱平距)，傾向回采長度1435 m，工作面開采太原組15#煤層。401工作面采空區屬于高瓦斯煤層采空區，其漏風流中不僅含有氧氣和氮氣，還包含一定體積分數的瓦斯。在含瓦斯漏風流的條件下，采空區遺煤易發生低溫氧化而出現自燃，因此，研究含瓦斯風流條件下煤自燃指標氣體產生規律并對其進行優化選擇，以便對高瓦斯采空區中煤自燃進行準確的早期預測預報，成為高瓦斯礦井實現安全生產的關鍵問題。

2.1 模型建立

根據天池煤礦401工作面的幾何尺寸建立三維CFD模型，利用Fluent軟件進行數值模擬分析。建立的模型如圖1所示。

2.2 邊界條件設置

將速度入口設置為進風巷道入口邊界，按照具體的模擬方案設定入口速度，用標準空氣作為入口氣體，將自由出流(Fluent軟件術語)設置為回風巷、瓦斯尾巷和高抽巷出口邊界，其風量分配值分別為0.55、0.4、0.05(回風、瓦斯尾巷和高抽巷占總回風的比例)，將多孔介質區域作為采空區邊界，用UDF(編程語言)編入采空區空隙率和滲透率。無滑移靜態壁面作為壁面邊界，壁面溫度與圍巖溫度相同,都為289 K。

根據天池401工作面的現場參數，建立的物理模型參數設置如表1所示。

圖1 401工作面采空區三維模型

表1 401工作面物理模型參數設置

3 模擬結果分析

3.1 高抽負壓對采空區瓦斯涌出影響

選取0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四組高抽負壓分別進行模擬，探究高抽負壓對瓦斯抽排的影響規律，模擬結果如表2所示。

表2 不同抽放負壓下瓦斯抽排效果

由表2可知，高抽巷的抽放混合流量隨著抽放負壓升高顯著增加，而回風巷和瓦斯尾巷的混合流量均呈現少許下降的狀況，其中，當抽采負壓由-1000 Pa升高到-2000 Pa時，高抽巷的混合流量增加了131%，而回風巷混合流量下降了3.5%，瓦斯尾巷混合流量下降了1.4%。高抽巷瓦斯濃度隨著抽放負壓升高而逐漸下降，瓦斯尾巷瓦斯濃度隨著抽放負壓升高有大幅度的降低，回風巷瓦斯濃度隨著抽放負壓升高下降不明顯，其中，當負壓由-1000 Pa增加到-3000 Pa時，高抽巷瓦斯濃度由47.2%下降到36.4%，下降幅度為22.9%；瓦斯尾巷瓦斯濃度由2.8%下降到0.56%，下降幅度達到80%。

高抽巷瓦斯純量隨著抽放負壓升高呈現增多的趨勢，且增加了很多。抽采率也得到了很大地提升，當抽放負壓由-1000 Pa增加到-3000 Pa時，抽采率由45%升高到了86%，抽采率雖然隨著高抽負壓的增大而明顯增加，但提升幅度卻越來越小，當抽放負壓由-2000 Pa增加到-3000 Pa時，抽采率只提高了6.6%。

3.2 高抽負壓對采空區自燃“三帶”影響

選擇0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四組高抽負壓分別進行數值模擬，研究高抽負壓對采空區自燃“三帶”的影響規律。不同高抽負壓對自燃帶的影響如圖2所示。

圖2 不同高抽負壓對自燃帶的影響

由圖2可知，從自燃帶的寬度來看，進風側的可能自燃帶寬度由負壓0 Pa增加到-3000 Pa時拉寬了13 m；中部拉寬了10 m，回風側拉寬了22 m，401工作面的平均回采速度為2.5 m/d。由此可知，浮煤在升溫氧化帶內停留的時間在進風側增加了5.2 d，采空區中部增加了4 d，回風側增長了8.8 d。

不同高抽負壓時自燃“三帶”范圍如圖3所示。由圖3可以看出，高抽負壓為0 Pa時，由于瓦斯尾巷的存在使得回風側的“三帶”比進風側更加深入采空區，在采空區進、回風側有細長的“兩道”可能自燃帶；高抽巷附近可能自燃帶在高抽負壓為-3000 Pa時，明顯向采空區深部推移，可能自燃帶邊界向采空區深入了7 m左右。

圖3 不同高抽負壓時自燃“三帶”范圍

4 結論

(1)由數值模擬結果可以看出，隨著抽放負壓升高，高抽巷瓦斯濃度下降，瓦斯抽放純量增加，抽采率隨著高抽負壓的增大而明顯增加，但隨著抽放負壓的增大，抽采率的提升幅度卻越來越小。

(2)由數值模擬結果可以看出，當高抽負壓增加后，使得可能自燃“三帶”寬度整體上均有所拉寬，但總體來說隨著高抽負壓的增大并沒有使得采空區的可能自燃帶與工作面的相對位置有明顯的變化。

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(責任編輯 張艷華)

Numericalsimulationofinfluenceofnegativepressureathighpumpinglaneon"ThreeZone"ofgasemissionandspontaneouscombustioningob

Qu Yun1， Gao Jinbiao2， Zhao Pengxiang2， Gan Lujun1， Chang Qing1

(1. Shanxi Heshun Tianchi Engergy Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 032700, China; 2. School of Safety Science & Engineering, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

TD712.5 TD752.2

A

國家自然科學基金(51604219)，中國博士后科學與基金項目 (2016M602843)

屈昀，高錦彪，趙鵬翔等. 高抽巷負壓對采空區瓦斯涌出及自燃“三帶”影響的數值模擬[J].中國煤炭，2017,43(9)：98-101，143. Qu Yun, Gao Jinbiao, Zhao Pengxiang, et al. Numerical simulation of influence of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" of gas emission and spontaneous combustion in gob[J]. China Coal, 2017，43(9):98-101，143.

屈昀(1972-)，男，山東微山人，高級工程師，工程碩士，2013年畢業于山東科技大學，現任山西和順天池能源有限責任公司總經理，主要從事瓦斯災害防治研究。