綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬研究

趙素平

（山西省煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204 ）

山西豹子溝煤礦主采的10+11號煤層（由于受沉積變化的影響，兩煤層為合并區(qū)），厚度3.53～7.37m，平均5.47m，該煤層位于太原組下段上部，中間含少量夾石，結(jié)構(gòu)簡單，煤層整體賦存穩(wěn)定，頂板為泥巖、粉砂巖或石灰?guī)r，頂板厚度南薄北厚，西薄東厚，但變化較為均勻，該煤層絕對瓦斯涌出量為8.04m3/min，相對瓦斯涌出量為4.25m3/t，在掘進(jìn)煤巷時絕對瓦斯涌出量為0.50m3/min，礦井為瓦斯礦井。經(jīng)鑒定該煤層火焰長度為50mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量為65%，煤塵有爆炸性危險，煤自燃傾向性等級為自燃煤層。

由于該煤層為自燃煤層，且采用綜采放頂煤開采工藝，故開展采空區(qū)自燃“三帶”的研究，對礦井有效防治采空區(qū)浮煤自燃至關(guān)重要[1-2]。利用數(shù)值模擬手段，對首采綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”規(guī)律進(jìn)行研究，可為防治煤層自燃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。

1 模型建立

1.1 幾何模型及模擬方案

根據(jù)豹子溝煤礦首采綜放工作面的地質(zhì)資料，利用COMSOL模擬軟件建立幾何模型，模型主要包含工作面、回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷和采空區(qū)四個部分，工作面部分的尺寸為長150m，寬6m，采空區(qū)部分長260m，寬150m，回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷的寬度均為4m，計算機(jī)區(qū)域的邊緣為頂板壓力穩(wěn)定區(qū)域邊界，建立好的幾何模型的網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)絡(luò)劃分

采空區(qū)遺煤自燃一方面受到因供風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化作用、熱量增加的影響，另一方面受到因風(fēng)流運(yùn)動熱量散失多少的影響，結(jié)合兩者綜合作用對采空區(qū)遺煤自燃的影響，在數(shù)值模擬時，采用氧氣濃度和漏風(fēng)風(fēng)速相結(jié)合的方法，來對首采面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，此時散熱帶與氧化自燃帶的界限以風(fēng)速0.004m/s為界限，氧化自燃帶與窒息帶以氧氣濃度7%為界限。又充分考慮現(xiàn)場監(jiān)測束管布置及推進(jìn)度的變化，最終選擇模擬方案為當(dāng)風(fēng)量分別為1000m3/min、1300m3/min和1600m3/min情況下，模擬采空區(qū)自燃“三帶”的分布變化情況。

1.2 數(shù)學(xué)模型

一般情況，在正常開采過程中，采空區(qū)中的遺煤主要以松散堆積的形式存在，綜放工作面在放煤之前，由于采動影響會導(dǎo)致工作面上部的煤層發(fā)生不同程度破碎，產(chǎn)生裂隙，所以建立數(shù)學(xué)模型時，一般假設(shè)采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應(yīng)緩慢，氣體穩(wěn)定流動，且不可壓縮，另外采空區(qū)內(nèi)堆積的遺煤屬于各向同性的多孔介質(zhì)[4-5]。

由流體流動定律可知，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部的氣體低速流動，且不可壓縮時，建立流體運(yùn)動方程組，可不考慮能量交換。此時采空區(qū)的風(fēng)流流動就只需要滿足動量守恒方程、連續(xù)性方程和組分輸運(yùn)方程這三個控制方程，方程式如下：

式中：

u-x方向上的風(fēng)流速度，m/s；

v-y方向上的風(fēng)流速度，m/s；

ρ-礦井中空氣的密度，kg/m3；

t-氣體流動時間，s；

P-流體微元上的壓力，Pa；

μ-采空區(qū)空氣的動力粘度，Pa/s；

Su、Sv-自定義的源項。

1.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)首采工作面實際情況，在選取計算條件和參數(shù)時，將進(jìn)風(fēng)巷設(shè)定為入口邊界，采空區(qū)的出口邊界為自由邊界。首采工作面進(jìn)風(fēng)巷實測量的氧氣濃度為20.9%，風(fēng)流的溫度為18.6℃，工作面中測的風(fēng)速為1.62m/s，通過測量計算可知當(dāng)時空氣的密度為1.225kg/m3，常溫下取空氣粘性系數(shù) =1.7894×10-5kg/ms，氣體的擴(kuò)散系數(shù)D=2.88×10-5m3/s，松散系數(shù)設(shè)置為1.5。根據(jù)經(jīng)驗公式，通過頂板冒落碎脹的實際情況可計算出采空區(qū)的孔隙率，公式如下：

采空區(qū)的滲透率由多孔介質(zhì)Carman公式進(jìn)行計算：

式中：

x-采空區(qū)距工作面距離，m；

Dm-平均粒徑，m；

n-孔隙率。

2 自燃“三帶”數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 風(fēng)量為1000m3/min時模擬結(jié)果

圖3 風(fēng)量為1300m3/min時模擬結(jié)果

圖4 風(fēng)量為1600m3/min時模擬結(jié)果

如圖2～圖4所示，圖中線條1表示流場方向，線條3表示采空區(qū)流線，線條2表示氧化帶起始位置即漏風(fēng)速度0.004m/s的等值線，黑線表示氧濃度7%的等值線。從模擬結(jié)果不難看出，漏風(fēng)速度0.004m/s等值線的變化趨勢受工作面供風(fēng)量的大小影響不大，只是隨著風(fēng)量從小到大時，氧濃度7%等值線和散熱帶的起始位置都會向采空區(qū)深部移動；當(dāng)工作面風(fēng)量為1000～1600m3/min時，采空區(qū)為最大氧化帶寬度，寬度為41.5～50m，該寬度隨著工作面風(fēng)量的增加而逐漸變大。結(jié)合現(xiàn)場根據(jù)氧氣濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”實測結(jié)果，如表1所示。

表1 根據(jù)氧氣濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”

對比數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場實測的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果相符，綜合分析最終確定首采面采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”的范圍為：散熱帶小于27.2m，氧化自燃帶 27.2～74.5m，窒息帶大于74.5m。又根據(jù)該煤層最短自然發(fā)火期為81d，根據(jù)公式：

式中：

Vi-工作面推進(jìn)度，m/d；

LZ-氧化自燃帶寬度，m；

Lb-散熱帶寬度，m；

T-最短自然發(fā)火期，d。

可計算得到工作面最小回采速度：

Vi=2×74.5/81≈1.84m/d。

3 結(jié)論

針對豹子溝煤礦首采面采空區(qū)“三帶”劃分問題，本文利用數(shù)值模擬軟件，充分考慮現(xiàn)場監(jiān)測束管布置及推進(jìn)度的變化，模擬當(dāng)風(fēng)量分別為1000m3/min、1300m3/min和 1600m3/min情 況 下，模擬采空區(qū)自燃“三帶”的分布變化情況，結(jié)合現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，最終確定“三帶”的范圍，并計算出工作面最小回采速度1.84m/d，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。