防滅火泡沫流體在采空區高位傾斜裂隙通道中的擴散研究*

孫傳文，王海橋,2，張 淼

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南省礦山通風與除塵裝備工程技術研究中心，湖南 湘潭 411201；3.山東魯泰控股集團有限公司鹿洼煤礦，山東 濟寧 272350)

0 引言

作為煤礦的五大災害之一，礦井火災嚴重影響煤礦開采工作的正常進行，其不僅燒毀井下的設備和大量煤炭資源，產生的高溫煙流和有害氣體更是危及井下工作人員的生命安全，還會接連引起瓦斯、煤塵爆炸等，造成更加嚴重的災難[1-2]。近年來我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術和瓦斯預抽技術，在瓦斯充分利用和生產效率提升的同時，造成采空區遺留殘煤多、漏風嚴重，使得自燃發火頻繁發生[3]。據統計，由于煤炭的自燃而引發的火災事故占礦井火災總事故的90%以上，火災事故極大地影響了礦井的安全高效開采，造成了巨大的經濟損失和重大的社會影響[4]。對于礦井煤炭自燃的防治，國內外通常采用灌漿、注氮氣、噴灑阻化劑、注凝膠和復合膠體等技術[5]，但存在實施困難、擴散范圍有限等問題，在實際應用中的處理效果不明顯。

1種新型的防滅火泡沫具有堵漏控風、降溫隔熱、充填加固等性能[6]。但在現場滅火工程實踐中，泡沫流體的壓注是1個非常復雜的過程。特別是在大采空區隱蔽高溫火源點的防治過程中，由于火源點分散且處于高位[7]，有必要開展對其在高位傾斜裂隙通道壓注過程中擴散、運移規律的研究。但是在灌注的過程中，泡沫流體是在煤巖的內部流動，其移動規律和相關的實驗參數難以獲取，目前關于漿體在介質內的擴散研究主要是通過假設和相似研究的方法，誤差較大[8]。采用相似模擬的實驗方法，可以通過模擬與實際中相似的環境，通過檢測模型中的相關參數來反應實際過程中各參數的相互關系[9]，從而總結出泡沫流體在實際灌注過程中的擴散規律，為工程的應用提供理論依據。

1 理論推導

泡沫流體流進裂隙后沿徑向均勻擴散，在一定時間段內，隨著時間t的增加，泡沫流體擴散半徑r不斷增大[10]。在泡沫流體流動的流域內取一流動微元，微元體徑向單元體受力平衡[11]，如圖1所示。

圖1 漿液微元體受力示意Fig.1 Schematic diagram of the force of the slurry micro-element

pg(r+Δr)ΔθΔz=0

(1)

式中：p為漿液擴散半徑r處的壓力，Pa；pg為泡沫流體自然狀態受到的壓力，Pa；r為任意時刻的擴散半徑，m；τ為泡沫流體流動時受到來自裂隙壁面切應力，Pa；ρ為漿液的密度，kg/m3；α和θ分別為裂隙傾角和方位角，(°)。

化簡并忽略其中的高階小量可得式(2)：

(2)

(3)

所以可以得到單位時間漿液的流量：

(4)

根據式(4)可得：

(5)

對(5)式進行積分，并代入初始條件p|r=r0=p0，可得：

(6)

式中：p0為漿液剛進入裂縫時的壓力，Pa；r0為漿液剛進入裂隙的半徑，m；b為裂隙寬度，m；μ為動力粘度，Pa·s。

因為r0很小，可以忽略其在式(6)中的影響，所以式(6)可化簡成：

(7)

由式(7)可得任一時刻流量：

(8)

(9)

(10)

當式(10)化簡為式(11)時，可解得裂隙中漿液壓力衰減值Δp,即得到傾斜裂隙注漿擴散的基本公式(12)：

(11)

(12)

2 實驗研究

2.1 測點布置

為了驗證理論推導公式的正確性，設計實驗系統進行驗證。實驗模擬礦井下的注漿過程，在4條傾斜角度的裂隙中布置測點，每個角度的裂隙里布置了8個測點進行觀察實驗，用CCD相機拍攝實時的變化情況，每個測點的坐標位置如表1所示。

表1 實驗測點布置坐標br />Table 1 Experimental monitoring point layout coordinatesmm

觀測每個測點的參數變化，得到相應的變化規律。

2.2 測點滲流壓力值測定

通過實驗測得不同角度中每個測定測點隨著時間t的變化，擴散半徑r和漿體2端面壓差Δp的變化情況如表2所示。

表2 實驗中觀測到測點的參數變化Table 2 The parameter change of the monitoring point was detected in the experiment

由表2可知，對于同一傾斜裂隙角度的測點來說，漿體2端面的壓力差隨時間的增加而逐漸增大，并呈現出逐漸減緩的趨勢，且不同傾斜裂隙角度測點處漿體端面的壓力差不同，角度大處的大于角度小處的壓力差。

3 結果分析

以理論推導的公式(12)作為基礎，考慮到實驗值和理論經驗值的誤差，對公式(12)進行修正，得到基本擬合公式為：

(13)

選用a測點這一高位傾斜裂隙通道中應力計監測到的實驗數據，采用上述基本擬合公式(13)進行擬合得到其曲面如圖2所示。

擬合后的公式為：

(14)

擬合后的相關系數為：R2=0.999 379。

圖2 擬合函數曲面Fig.2 Fitting function surface map

為了進一步驗證公式(14)的普遍適用性，分別以b,c和d測點角度的預測值和實驗值進行驗證，得到對比誤差如表3，4和5所示。

表3 b測點角度時誤差對比Table 3 b Error comparison of point angle

表4 c測點角度時誤差對比Table 4 c Error comparison of point angle

表5 d測點角度時誤差對比Table5 d Error comparison of point angle

從表3可以看出，采用公式(14)進行預測，b1～b8測點相對誤差范圍為4.57%～10.96%；從表4可以看出，c1～c8測點相對誤差范圍為6.09%～10.45%；從表5可以看出，d1～d8測點相對誤差范圍為3.79%～9.83%，均在誤差允許范圍內，所以公式(14)具有普遍適用性。

4 結論

1)通過對微元體徑向單元體受力分析，通過理論推導并進行參數修正得到采空區高位傾斜裂隙注漿漿體2端面的壓力差主要與裂隙的傾斜角、方位角和注漿的時間相關，這區別于普通的漿體難以在高位裂隙擴散。

2)通過搭建相似實驗模型與進行數據擬合來研究裂隙中泡沫流體壓力的變化，對上述的相互關系進行了驗證，證明所提公式的普遍適用性，為大采空區隱蔽高溫火源點的防治提供了理論基礎。