基于Fluent 軟件的采空區注氮方式優化研究

曹景軒

（國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

煤自燃是礦井火災的主要形式[1]，其中采空區煤自燃占60%[2-3]，而向采空區注氮是采空區常用的防滅火方法之一[4-5]。由于現場注氮試驗會消耗大量的人力與物力，因而數值模擬是當前確定采空區注氮參數的主要方法[6]。

大南湖一礦1305 工作面所采煤層為低變質褐煤，最短自然發火周期僅為37 d，屬于低變質易自燃煤層（Ⅰ級容易自燃煤層），導致采空區面臨較為嚴重的煤自燃威脅。因此，本文基于Fluent 數值模擬軟件，開展適合1305 工作面采空區最優注氮方案研究，對預防采空區自然發火事故具有重要意義。

1 Fluent 數值模擬設置

根據1305 工作面的詳細尺寸建立了工作面及采空區CFD 模型，工作面及采空區CFD 模型網格劃分如圖1。1305 膠運順槽（MG1）及1307 輔運順槽（MG2，為下一階段開采工作面預先準備的回風巷）進風，前者進風量972 m3/min，后者進風量994 m3/min，1305 輔運順槽（TG）回風。采空區瓦斯涌出量500 L/s。1307 輔運順槽和1305 膠運順槽通過聯絡巷（CT）連接，聯絡巷間間距200 m，1307輔運順槽掘進頭通過局扇通風。底板高度10 m，煤層厚9.8 m，頂板高度50.2 m，模型總高度70 m。采用規則四邊形網格劃分，網格數為461 196，總節點數570 362 個。采空區自燃“三帶”劃分方式為：散熱帶（15%≤O2）；氧化帶（5%≤O2＜15%）；窒息帶（O2＜5%）。基于質量守恒方程、動量守恒方程及組分運移守恒方程，結合基于“O 型圈”模式的采空區滲透率分布設置，對模型進行了求解。

圖1 1305 采空區CFD 模型

2 采空區CFD 基礎模型的準確性驗證

在注氮方式優化之前，需要首先校對采空區CFD 基礎模型。將兩巷側采空區獲得的模擬數據與現場煤自燃“三帶”采集數據進行對比分析，如圖2。可以看出模擬數據對比實測數據吻合良好，驗證了基礎模型的準確性。本基礎模型可以作為現實采空區模型的載體，用來試驗各種注氮方式。

圖2 模擬數據對比實測數據

1305 采空區在注氮方式優化前，采空區煤自燃“三帶”分布狀況如圖3。對于采空區煤自燃預防工作，防治的目的是盡可能地縮短采空區氧化帶，因而氧化帶是采空區煤自燃防治的重點研究對象。可以看出，當前1305 采空區在工作面后方存在一條較大區域的“帶狀”氧化帶，特別是在采空區進風側，氧化帶分布深入且狹長，這給1305 采空區帶來了較為嚴重的煤自燃風險。

圖3 1305 采空區煤自燃“三帶”分布

3 采空區注氮方式的優化

（1）多種注氮方式對比分析

針對1305 采空區狀況，考慮四種注氮方式：注氮方式一，在工作面后方30 m 膠運順槽側注氮；注氮方式二，在工作面后方第一個聯絡巷處注氮（距工作面約為100 m）；注氮方式三，在工作面后方第二個聯絡巷處注氮（距工作面約為300 m）；注氮方式四，同時在第一個和第二個聯絡巷處注氮。

四種注氮方式下，通過Fluent 數值模擬軟件獲得的采空區O2濃度分布與煤自燃“三帶”分布狀況，如圖4。

從圖中可以看出，從注氮方式一到注氮方式三，注氮方式均為單點注氮，注氮點逐漸深入采空區深部，較高濃度的O2（≥5%）侵入采空區的深度和分布范圍逐漸降低，氧化帶分布范圍也逐漸減小。這表明當采空區采用單點注氮方式時，深部注氮較淺部注氮效果更佳。由注氮方式四和前三種注氮方式對比可知，注氮方式四較高O2濃度侵入采空區范圍進一步減小，且氧化帶分布范圍也進一步減小。這表明采空區多點注氮較單點注氮可以取得更優的采空區惰化效果。

四種注氮方式相比于現有注氮方式，氧化帶范圍均縮減，縮減幅度的排序為注氮方式一＜注氮方式二＜注氮方式三＜注氮方式四。因此，注氮方式四，即通過在第一個和第二個聯絡巷處協同注氮，屬于1305 采空區的最優注氮方案。

圖4 不同注氮方式下采空區煤自燃“三帶”分布

（2）優化效果分析

由前文知，注氮方式四是多種注氮方式中的最優注氮方案，因而屬于1305 采空區采用的最終注氮方案。將圖4（d）和圖3 對比可知，當采用注氮方式四時，采空區進風側高O2濃度（≥5%）侵入完全被限制住，狹長氧化帶基本轉換為窒息帶，同時在工作面后方，也取得了不錯的惰化效果。整體上，采用注氮方式四后，氧化帶區域面積縮小3/4左右，惰化效果十分顯著。

1305 采空區在采用注氮方式四后，采空區無煤自發熱現象產生（如產生乙烯氣體、煤壁掛汗等），工作面一直安全順利開采到結束。基于Fluent 數值模擬軟件進行的采空區注氮方式優化研究，用于指導煤礦采空區自然發火防治，保障了煤礦的安全生產。

4 結論

基于Fluent 數值模擬軟件開展了大南湖一礦1305 工作面采空區注氮方式的優化研究，研究結果表明：當采空區采用單點注氮方式時，采空區深部注氮較淺部注氮效果更佳，采空區多點注氮方式同單點注氮方式相比，可以對采空區取得更好的惰化效果，最終在1305 正常回采期間，選擇通過第一個和第二個聯絡巷協同注氮的方式預防采空區煤自燃。該注氮方式使得氧化帶區域面積在現有注氮方式基礎上縮小3/4 左右，惰化效果顯著。1305 工作面正常回采期間沒有發生煤自燃事故，保障了煤礦的安全生產。