采空區(qū)注氮對瓦斯爆炸危險區(qū)的影響數值模擬

李蕓卓，蘇賀濤，季淮君

（1.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083；2.中國地質大學（北京）國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京100083）

采空區(qū)是煤礦災害事故的主要源頭[1]。在煤礦開采過程中，由于采空區(qū)遺煤和煤壁等瓦斯涌出使采空區(qū)發(fā)生瓦斯積聚，當這些積聚的瓦斯與通風口漏風進入采空區(qū)的新鮮空氣接觸，且一旦接觸到火源就會發(fā)生瓦斯爆炸的嚴重后果[2-3]。現如今，隨著煤礦加大開采深度，大量的高瓦斯礦井出現，采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合災害愈發(fā)增多[4-6]。注氮惰化工藝因其操作簡便且具有阻燃阻爆的特性，已成為現煤礦生產中普遍的技術手段[7-8]。采空區(qū)的特殊和復雜性，工作人員無法實地進入進行檢測，國內外許多學者應用實驗或模擬仿真對不同注氮參數條件下采空區(qū)氣體分布規(guī)律等特征參數進行了一定的研究[9-15]，但目前有關注氮對采空區(qū)瓦斯爆炸與自然耦合區(qū)域演變過程及采空區(qū)爆炸危險性演化趨勢尚未有深入研究。基于此，使用COMSOL 多物理場耦合模擬軟件對采空區(qū)不同注氮參數條件下，采空區(qū)氣體運移規(guī)律及瓦斯爆炸危險區(qū)分布特征進行研究分析，以期有助于防止采空區(qū)瓦斯爆炸與遺煤自燃耦合事故的發(fā)生。

1 工作面概況

許疃煤礦3235 工作面位于煤礦I 水平33 采區(qū)，所采煤層為32 煤。工作面走向長度為2 158 m，傾斜長長度為140～178 m，平均長度為160.8 m。煤層厚度1.0～3.0 m，平均2.5 m，煤層傾角10°～20°，平均15°，傾斜度較小，可近似看成水平煤層。全礦井瓦斯絕對涌出量為42.79 m3/min，相對涌出量為15.82 m3/t，鑒定結果為高瓦斯礦井。從勘探地質報告看，該礦井瓦斯成分以CH4為主，存在瓦斯局部富集帶。工作面所采煤層屬于I 類易自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期55 d。煤塵爆炸性指數為31.32%，具有爆炸性危險。工作面采用“U”型全負壓通風方式。

2 基于COMSOL 的采空區(qū)注氮數值模擬

2.1 物理模型

根據3235 工作面資料及現場實測，利用COMSOL 模擬軟件建立采空區(qū)注氮物理模型，采空區(qū)注氮物理模型如圖1。

圖1 采空區(qū)注氮物理模型Fig.1 Physical model of nitrogen injection in goaf

在建立采空區(qū)幾何模型時，忽略了采煤工作面各種設備的影響，理想化參數條件下將工作面、進風和回風巷道以及采空區(qū)設計為矩形斷面，工作面長160 m，進、回風巷道長20 m、寬5 m，采空區(qū)長250 m。自由流動區(qū)由工作面和巷道組成，風流從進風口流入經過工作面并由回風口流出，該流動過程遵循Navier-Stokes 方程。由于風流經過工作面時會產生向采空區(qū)作用的漏風現象，采空區(qū)是一種多孔介質，垮落巖和殘余煤堆積在其中，其間存在復雜的裂隙和通道，選取Brinkman 方程以描述多孔介質中流體的快速流動。考慮到混合氣體中的傳質作用，其濃度梯度的變化引起氣體擴散。不斷漏入采空區(qū)的風流與從采空區(qū)涌出的瓦斯形成符合Fick 定律的動態(tài)平衡。

2.2 邊界條件和模型參數

根據現場勘察情況，選擇模型邊界條件和相關參數。將進風巷設置為入口邊界；回風巷設置為自由流動出口邊界。注氮口設定為速度入口，并取氮氣的濃度為98%。壁面邊界設置為無滑移絕熱邊界條件。采空區(qū)注氮模型的基本參數見表1。

表1 采空區(qū)注氮模型的基本參數Table 1 Basic parameters of nitrogen injection model in goaf

隨著工作面不斷的推進，采空區(qū)四周的懸臂梁結構與煤壁、煤層底板形成“松散三角區(qū)”，進行回采工作時，互相連通便構成采空區(qū)漏風的主要通道-“O”型圈，“O”型圈內垮落的煤巖具有更大的孔隙率，基于該理論構建采空區(qū)孔隙率經驗擬合公式[16]：

式中：n 為采空區(qū)孔隙率，%；nx、ny為沿采空區(qū)深度和工作面傾斜方向的孔隙率，%；x 為沿采空區(qū)深度方向的坐標；y 為沿工作面傾斜方向的坐標；L為工作面長度，m。

采空區(qū)滲透率主要與孔隙率和粒度大小有關，基于達西流動定律下計算采空區(qū)滲透率K[17]：

式中：K 為采空區(qū)滲透率，m2；d 為垮落煤巖平均粒度，取0.3 m。

2.3 模擬方案

為了研究為了研究注氮對采空區(qū)爆炸危險區(qū)的影響，進而優(yōu)化注氮方案，模擬時設定進風口通風量為1 000 m3/min、注氮管直徑為100 mm，注氮流量在360～900 m3/h 的范圍。通過分析流場可知，注入采空區(qū)的氮氣流動方向應與漏風風流保持一致，從而起到氮氣驅替漏風惰化采空區(qū)的效果，則模擬時分別設定在采空區(qū)進風側10～50 m，相鄰注氮口間隔為10 m，即注氮位置分為10、20、30、40、50 m。

3 模擬結果

3.1 瓦斯爆炸危險區(qū)的確定

隨著采煤工作面的不斷推進，漏風稀釋采空區(qū)中的瓦斯，并為瓦斯爆炸提供了所需的氧氣。一旦采空區(qū)中的瓦斯體積分數達到爆炸極限，且遇到具有一定能量的火源，就會發(fā)生瓦斯爆炸事故。根據線性疊加的數學原理，將氧濃度、甲烷濃度、溫度等關鍵區(qū)域的交點視為耦合危險[18]。此外，由于體積分數大于18%的氧氣主要聚積在工作面附近，而工作面附近區(qū)域在高通風量條件下爆炸極限內的瓦斯不易聚集且熱量累積條件較差，采空區(qū)深部通常是發(fā)生瓦斯爆炸的主要場所。因此，選取氧氣體積分數為12%～18%的區(qū)間和爆炸極限內的甲烷進行耦合劃分出瓦斯爆炸危險區(qū)域，其表達式如下：

式中：Se為瓦斯爆炸危險區(qū)；SO2為氧氣達到瓦斯爆炸所需體積分數的區(qū)域；SCH4為瓦斯體積分數在爆炸極限內的區(qū)域；ST為達到瓦斯爆炸所需要溫度的區(qū)域；CO2為氧氣的體積分數；CCH4為甲烷體積分數。

3.2 注氮流量的影響

為研究注氮流量對采空區(qū)瓦斯爆炸區(qū)的影響，分別在采空區(qū)進風側采用鋪設束管方法，在注氮口位置為20 m，進風口通風量為1 000 m3/min 條件下，設置了5 種不同注氮流量（無注氮、360、540、720、900 m3/h）。根據式（3），并結合所模擬的采空區(qū)氧氣和甲烷濃度分布情況，對采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)進行劃分。不同注氮流量下采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分如圖2。其中藍色曲線氧氣為12%和18%的等值線，紅色曲線為甲烷5%和16%的等值線。紅色區(qū)域為瓦斯爆炸高危險區(qū)（一旦接觸火源就會發(fā)生爆炸）；灰色區(qū)域為瓦斯爆炸較高危險區(qū)（氧氣達到爆炸所需最低濃度或瓦斯?jié)舛仍诒O限內）；黃綠色區(qū)域為瓦斯含量過高不爆區(qū)；深綠色區(qū)域為沒有爆炸成分的惰性區(qū)域。

圖2 不同注氮流量下瓦斯爆炸危險區(qū)的劃分Fig.2 Hazard area division of gas explosion under different nitrogen injection flow rates

由圖2 可知，瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在距離工作面25 m 左右的采空區(qū)，并且隨著注氮量的增加，沿工作面風流方向上的危險區(qū)長度明顯減小，相比較采空區(qū)深度方向，注氮對工作面風流方向上爆炸危險區(qū)影響較大。由于注氮所產生的驅替漏風現象，對比圖2（a）與圖2（e）可以明顯發(fā)現，注氮量為900 m3/h 比未注氮時，氧氣12%的等值線有向工作面移動現象，爆炸極限內的甲烷區(qū)間向采空區(qū)深處傾移，這說明注氮量增加，不僅抑制了工作面向采空區(qū)的漏風，稀釋采空區(qū)中的氧氣，并且還阻止了采空區(qū)瓦斯向工作面的蔓延。

為了更加具體直觀的反應注氮對于爆炸危險區(qū)的影響，分別畫出了不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積的關系圖，不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積如圖3。

圖3 不同注氮流量下爆炸高危險區(qū)最大寬度和面積Fig.3 The maximum width and area of the high hazard explosion area under different nitrogen injection flows

由圖3（a）可以看出，在無注氮條件下，瓦斯爆炸高危險區(qū)的最大寬度約為13 m，增加注氮量到360 m3/h 時危險區(qū)最大寬度變化不明顯，但繼續(xù)增加注氮量至900 m3/h，最大寬度只有約5 m。通過圖3（b）可以看出，當注氮流量從720 m3/h 增加至900 m3/h 時，危險區(qū)的面積變化梯度略有減小。總體上注氮流量與危險區(qū)最大寬度和面積呈線性負相關。

3.3 注氮位置的影響

注氮量為540 m3/h 條件下，不同注氮位置（10、20、30、40、50 m）下的氧氣體積分數對比如圖4。由圖4 可知，隨著注氮口逐漸遠離工作面，采空區(qū)氧氣濃度變化梯度總體上在不斷增加。瓦斯爆炸所需氧氣體積分數（12%～18%）的危險區(qū)域統(tǒng)計分析的具體結果，不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析見表2。

圖4 不同注氮位置下的氧體積分數對比Fig.4 Comparison of oxygen volume fraction at different nitrogen injection locations

表2 不同注氮位置下危險區(qū)統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of hazard zones at different nitrogen injection locations

從圖4 與表2 可以看出，注氮位置對瓦斯爆炸所需氧氣體積分數區(qū)域有明顯的影響，當注氮位置由10 m 增加到40 m 時，該危險區(qū)域的分布范圍以及寬度為隨之減小，且起始點向工作面方向移動。當注氮口為10、20 m 時，危險區(qū)域起始點距工作面距離為11.1、12.1 m，危險區(qū)域的范圍明顯縮小了3.4 m。當注氮位置由30 m 變化到40 m，危險區(qū)域起始點由9 m 變?yōu)?.9 m，向工作面移動了2.1 m，而范圍幾乎未變化。值得注意的是，注氮口繼續(xù)向采空區(qū)深入10～50 m 時，相比較注氮位置為40 m 時危險區(qū)域的寬度增加了1.3 m。這是由于隨著采空區(qū)不斷深入，采空區(qū)的孔隙率和滲透率也會隨之減小，會影響氮氣采空區(qū)的擴散，從而影響注氮對氧氣稀釋的效果。從總體上來看，注氮位置在一定范圍內與對應瓦斯爆炸所需氧氣體積分數的危險區(qū)域呈現負相關性。

因此，應綜合考慮注氮流量和注氮位置以優(yōu)化注氮的效果，且注氮口不易過淺，以防止氮氣因注氮口局部高壓作用而快速回流至工作面，從而使工作面以及巷道新鮮風流遭受污染以至注氮效果不明顯，考慮到經濟成本以及采空區(qū)壓實等問題，注氮口也不易過深。同時也應該考慮注氮流量的增加，注入采空區(qū)的氮氣存在一定泄露而影響注氮效率。

4 結 論

1）采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)主要集中在工作面回風側附近，該區(qū)域氧氣和甲烷體積分數均達到瓦斯爆炸條件，一旦遇到火源便會發(fā)生爆炸。且隨著注氮量的增加，沿工作面走向方向上的危險區(qū)長度明顯減小。

2）通過改變向采空區(qū)的注氮流量，可以顯著改變瓦斯爆炸危險區(qū)的分布，隨著注氮量的逐漸增大，12%～18%體積分數內的氧氣和爆炸極限內的甲烷瓦斯，分別向工作面和采空區(qū)移動，瓦斯爆炸危險區(qū)的最大寬度以及面積均呈現減小趨勢。

3）注氮位置和瓦斯爆炸所需氧氣體積分數區(qū)域，總體上在一定范圍內呈現負相關性。注氮位置在10～40 m 范圍內離工作面距離越遠，采空區(qū)氧氣變化曲線梯度越大，瓦斯爆炸所需氧氣體積分數區(qū)域寬度整體呈現遞減趨勢。