瓦斯抽放條件下采空區自燃三帶分布規律的模擬研究

侯玉亭，曹升玲，董祥武

（兗礦集團南屯煤礦，山東 鄒城 273515）

1 緒論

采空區瓦斯抽放是解決上隅角瓦斯超限的常規做法，但采空區瓦斯抽放易引起采空區內部漏風流場紊亂，增加采空區的漏風，導致氧氣濃度分布異常從而提升自然發火的危險性。為此，一些學者開展了瓦斯抽放條件下采空區自然發火規律的研究。趙聰利用相似模擬技術研究了工作面瓦斯抽采條件下采空區內部自然發火規律特征[1]，但實驗分析成本高，難以系統全面的對問題進行分析。劉振清[2]等一些學者通過現場實測研究了瓦斯與火災綜合防治技術研究，而由于采空區環境復雜，具有極強的破壞性，直接進行觀測采空區氣體場分布特征耗時費力。與此不同，借助計算機輔助技術可以較好的解決對采空區氣體場規律的研究。李宗翔等利用有限元方法對采空區自燃三帶進行了劃分，并對采空區自燃發火的早期過程，綜放工作面的發火，綜放面煤柱內的漏風和耗氧過程等問題進行了數值模擬[3～5]。肖揚和朱毅[6,7]通過實驗和現場觀測，擬合出孔隙率等參數的分段函數，建立了采空區漏風松散提空隙分段分布方程，采空區不同深度的分段滲透系數方程等自燃發火預測模型。2007年，胡千庭[8]等人通過FLUENT軟件研究了實際工作面中的瓦斯分布規律并做了數值模擬，取得了一定的成果。2008年，李永存針對礦井風流規律，運用多種理論分析，在實驗的基礎上論證了軟件模擬的正確性。

在本文中，將采空區復雜環境模擬為簡化之后的幾何模型，以有限體積法為基本思想，將采空區劃分為有限個獨立的體積單位，以每個體積單元中的很小的體積元作為計算質點，該質點所被賦予的物理參數是該體積單元的平均值，借助計算機按照采空區控制方程組進行結算，加以邊界條件的設定，

2 抽采條件下采空區氧氣濃度場分布的數學模型

前述將采空區環境假設為多孔介質的基本條件是符合多孔介質的特征，即空隙的相互連續性。任何氣體流動都符合連續性方程，也稱為質量守恒方程。采空區多孔介質單相組分流動的質量守恒方程為：

式中：ρ為環境中氣體的平均密度；xi為空間中某個質點中的i在三維空間上各個方向的向量；t為時間；ui為在質點向量三個方向上的速度分量；Sm為單位時間采空區內氣體質量的總變化量。

流動遵循動量守恒方程

式中：p為單位氣流體積上的平均壓力；xj為空間中某個質點中的j在三維空間上各個方向的向量；tij為單位氣流體積上所受到的粘性應力；gi為i方向上所受的重力；Si為i方向上氣流由于阻力作用造成動量損失，一部分為粘性的動量損失，

流動過程中氣體中各組分還遵守質量守恒方程：

式中：Cs代表單位氣體的平均體積分數，ρ代表單位氣體的平均密度，Ds代表氣體的的擴散系數，Ss代表體積空間由于化學反應生成的質量變量的平均值。

反應中能量對氣體組分場具有一定的影響，實際環境中遺煤自燃中煤氧緩慢氧化通過化學反應生成了一定的熱量，在模擬中考慮能量的影響可以更準確的對氣體場進行更準確的描述和計算，能量方程可表示為：

式中：cp為氣體的比熱；T為空間的熱力學溫度；k為導熱系數；ST為能量源。

3 幾何模型

圖1 幾何模型與網格劃分

模擬對象工作面長度為200m，進回風巷道高3m，寬4m，采空區走向長度取500m，由跨落系數的分布計算采空區影響高度取30m；煤層無傾角沿走向采用后退式水平開采；工作面采用U型通風，進風巷進風量為1400m3/min，氧氣質量分數為23%，體積分數為20.7%，在回風側距漏風匯30m位置布置采空區瓦斯抽放管，整個采空區瓦斯涌出量約為25m3/min。模擬中取進回風巷道長度為30m，采空區瓦斯抽放管簡化為邊長為2m的正立方體，幾何模型與網格劃分如圖所示。劃分網格時，網格尺寸取6m，整個模型共包含網格41918個網格單元。

4 模擬結果與分析

4.1 不同瓦斯抽放條件下的氧氣分布

圖2 工作面配風量1400m3/min,無瓦斯抽放條件下的氧氣分布云圖

圖3 工作面配風量1400m3/min，抽放流量140m3/h條件下氧氣分布云圖

圖4 工作面配風量1400m3/min，抽放流量280m3/h條件下氧氣分布云圖

圖5 工作面配風量1400m3/min，抽放流量420 m3/h條件下氧氣分布云圖

由模擬結果可以看出，氧氣在巷道中濃度最大，由于采空區漏風有一定量的空氣從漏風源進入采空區，進風口風速較大，風壓較強，至采空區深部約50m的區域氧氣濃度較大，通過采空區跨落后落煤的空隙可以擴散到約采空區深部約100m的位置；距進風口較近的位置由于采空區頂板的冒落還未經充分的壓實，為自然堆積區，該區域孔隙率較大，滲透率較高，滲流阻力系數較小，因此該區域氧氣濃度梯度較小，分布較大；而隨著向采空區深部的蔓延，從50m到100m范圍采空區孔隙率呈指數函數的關系大幅下降，濃度梯度逐漸增大；在采空區中部，由采空區O型圈理論可知，采空區中部的孔隙率的壓實程度高于周圍兩側，氣體在采空區運移所受阻力較大，采空區中部較進風側減小快；在回風側由于該側是采空區漏風的匯，故瓦斯多積聚于此處，造成瓦斯濃度高，氧氣濃度相對較低。

瓦斯抽放在一定程度上影響了采空區氣體濃度場的分布。在進風側不同抽放條件下對氧氣濃度的分布影響效果不大，即使進入采空區深部位置，氧氣的擴散距離和濃度變化都沒有太大改變。采空區中部呈現出明顯的氧氣濃度較小趨勢的降低變化，隨著瓦斯抽放強度的增加氧氣濃度的梯度在距工作面較近的位置開始出現，由圖可以看出：無瓦斯抽放時，氧氣濃度開始明顯降低點位于約采空區深部43m的位置，而當工作面配風量1400m3/min，抽放流量420m3/h條件下氧氣濃度明顯降低點位于約采空區距工作面30m的位置，這主要是由于隨著采空區瓦斯抽放管的流量增大，大量的空氣經瓦斯抽放管從采空區側面被抽出，氧氣濃度的變化趨勢在走向上表現出減小的趨勢；在回風側瓦斯抽放的影響最為明顯，首先在抽放管位置可見明顯的氧氣濃度和氧氣分布范圍的增大，高流量的瓦斯抽放強度在帶走大量瓦斯的同時，也帶走了進入采空區的大量氧氣，也使工作面更多的空氣流入采空區。

合理的瓦斯抽放對防治瓦斯突出，預防采空區遺煤自燃都有重要的布置意義。合理的瓦斯抽放要求盡可能的較多的抽出瓦斯，而降低抽放瓦斯中氧氣的含量。有模擬結果可知當工作面配風量1400m3/min，抽放流量140m3/h條件下進行布置時，可以在對采空區漏風場沒有太大影響的情況下進行瓦斯抽放。

4.2 不同抽放條件下采空區自燃三帶分布規律

采空區自燃三帶的確定為采空區煤自燃工作提供了重要的依據。目前依據采空區氧氣濃度來劃分采空區自燃三帶，本文以氧氣濃度＞0.15散熱帶，氧氣濃度處于0.05～0.15之間為自燃帶，氧氣濃度小于0.05為窒息帶來劃分自燃三帶并分析抽放對自燃三帶的影響。

圖6 工作面配風量1400m3/min,無瓦斯抽放條件下的自燃帶模擬結果

圖7 工作面配風量1400m3/min，抽放流量140 m3/h條件下的自燃帶模擬結果

圖8 工作面配風量1400m3/min，抽放流量280 m3/h條件下的自燃帶模擬結果

圖9 工作面配風量1400m3/min，抽放流量420 m3/h條件下的自燃帶模擬結果

按氧氣濃度劃分的方法確定的自燃帶范圍較小，就該方法確定的自燃三帶在不同瓦斯抽放條件下的自燃帶變化主要表現在寬度和濃度，以及位置三個方面。在無瓦斯抽放條件下，進風口氧氣濃度較大，風壓較大，采空區內部在距工作面位置較近的位置難以形成有利的氧化自燃環境，因此在圖中表現為在近漏風源一側采空區深部約80m位置開始出現自燃帶，漏風經采空區流回漏風匯，自燃帶隨氧氣濃度變化向工作面靠近，這種情況的分布在不同條件下的分布基本一致，與瓦斯抽放強度關系不大，但是隨著瓦斯抽放強度的增加，可以看出在回風側自燃帶的分布轉移到瓦斯抽放口的位置，這主要是瓦斯抽放帶走大量瓦斯的同時，也導致大量氧氣隨漏風的流入導致抽放口附近氧氣濃度發生改變，在瓦斯抽放口易形成遺煤自燃所需的有利環境，同時也可以看出隨著瓦斯抽放強度的增加，并沒有發生明顯的變化，這說明瓦斯抽放對采空區自燃的影響范圍并不大主要局限于瓦斯抽放口附近。

5 結 論

1）隨著瓦斯抽放強度的增大，氧氣在抽放管中的平均濃度所占比例逐漸增大，瓦斯反之，模擬中發現當抽放流量約為140m3/h時，抽放出的瓦斯量最大，抽放效果較好。回風側的毗鄰工作面的采空區區域的氧氣含量較小，而進風側的毗鄰工作面的采空區區域氧氣含量較大，回風隅角瓦斯具有聚集的特征。

2）瓦斯抽放可以較大范圍內的改變采空區漏風匯一側氧氣濃度的分布，主要表現為隨著抽放強度的增大，采空區中部氧氣濃度降低，梯度變化增大，采空區漏風匯一側抽放口濃度逐漸增大，濃度變化梯度增大，對漏風源一側影響較小。

3）本文中采用了依據漏風風速、氧氣濃度的兩種方式劃分采空區“自燃帶”，并對劃分結果進行了比較分析。結果表明，兩種劃分范圍雖然有較大的出入，但是不同瓦斯抽放條件對他們范圍分布的影響是相同的；但也存在一定的差異，具體表現為按氧氣濃度確定的自燃帶寬度窄，濃度梯度大，按風速劃分的自燃帶分布寬度較大，速度變化較緩。

4）采空區自燃帶在傾向上是不對稱的，在進風側距離工作面較遠，在回風側距離工作面較近，且在進風側的氧化帶寬度要大于在回風側的寬度。在漏風源一側自燃帶主要分布在距工作面70～100m的采空區深部，沿傾向漏風匯位置距工作面距離逐漸減小。

5）按照風速的劃分標準，在瓦斯抽放口位置不易形成自燃帶；隨著瓦斯抽放強度的增大，依風速和氧氣濃度劃分的自燃帶都隨抽放強度的增大都有明顯的后移現象，但按風速確定的自燃帶后移距離更大。