防滅火注氮鉆孔周圍氮氣運移規律數值模擬研究

2015-05-08 03:28:22吳伯慶趙先科李海濤

江西煤炭科技 2015年1期

吳伯慶，趙先科，李海濤

（1.潞安新疆煤化工（集團）有限公司，新疆哈密839003；2.西安科技大學能源學院，陜西西安710054）

近年來我國對能源的需求已經進入高峰期，煤炭開采量日益增多，采空區面積不斷擴大，留下大量浮煤，采空區自然發火事故頻發，形勢依然嚴峻。目前，常見的預防采空區自然發火的技術措施有注水、阻化劑、堵漏風等，但在地質條件復雜、煤層狀況不穩定的地區效果并不理想。資料表明〔1〕，注氮防滅火技術能夠有效降低采空區內的氧氣濃度，對于地勢錯綜復雜的礦井具有不可替代的優勢。

大量學者對采空區注氮技術進行了研究。徐精彩、文虎〔2〕等根據傳熱學和化學動力學原理，提出了采空區下限氧濃度和氧化帶寬度的計算方法，為采空區注氮后自燃火災的預測及預防提供了理論依據；李慶源、張峰等〔3〕通過埋管測試方法，研究采空區注氮前后標志性氣體在采空區內的分布狀態，為優化注氮參數，提高注氮效果提供了現實依據；何宗禮〔4〕利用FLUENT軟件對U型通風采空區注氮防滅火技術參數進行了研究，為日后研究采空區最佳注氮量提供了借鑒。紀忠、梁棟〔5〕等根據相似理論，采用實驗模擬的方法研究了氮氣在采空區三維空間中的運移規律，對于采空區注氮參數優化具有現實意義。何勇〔6〕通過分析采空區注氮技術在淮南礦業集團新莊孜礦的運用過程，總結了注氮防滅火技術的具體實施方案，為今后采空區注氮技術的運用提供了參考。

對于防滅火注氮設備而言，氮氣是在注氮壓力的作用下沖出注氮鉆孔，具有一定的運移規律。本文從壓縮氣體膨脹的原理出發，采用MATLAB軟件對氮氣在鉆孔周圍的運移規律進行了模擬，對注氮鉆孔周圍氮氣的運移規律進行了研究。研究方法和結論為今后氮氣在多孔介質內擴散規律的研究以及防滅火注氮設備參數優化提供了理論基礎。

1 注氮鉆孔周圍氮氣流動數學模型

氮氣在采空區的運移可看做是在多孔介質流場的均勻流動〔1〕，滿足連續性方程、能量守恒定律和達西定律。

（1）連續性方程

注氮鉆孔周圍氮氣流動滿足質量守恒定律：

式中：ux、uy、uz分別為氮氣流動x、y、z三個方向的速度分量，t為流動時間，ρ為氮氣的密度。

（2）能量守恒

氮氣從注氮鉆孔噴出，鉆孔周圍空間足夠大，鉆孔內流體阻力損失可以忽略，假設鉆孔內氣體密度恒定，根據流體力學可知，注氮鉆孔周圍氮氣流動過程滿足可壓縮空氣的絕熱變化能量方程：

式中：P、P2分別為注氮壓力和大氣壓力；γ1、γ2分別為注氮鉆孔內壓縮氣體密度和空氣密度；k為空氣的絕熱常數；v1、v2分別為注氮速度和鉆孔的出口速度；g為重力加速度。

（3）達西定律

由多孔介質中氣體流動理論知，注氮鉆孔周圍的采空區氮氣流動符合達西定律，其徑向不穩定流動時的偏微分方程為：

式中：P為采空區氮氣壓力的平方；λ為采空區氮氣滲透率；α為采空區氮氣含量系數；r為注氮鉆孔半徑。

2 物理模型與邊界條件

2.1 物理模型

選用直徑0.1m的注氮鉆孔，其二維物理模型如圖1所示，利用PDE工具箱畫出計算區域，采用布爾運算方法劃分與加密網格，劃分結果見圖2。

圖1 二維物理模型

圖2 模型網格劃分

2.2 邊界條件

在沒有外界影響的條件下，采空區內各點氮氣壓力保持起始值P0，注氮時，鉆孔周圍徑向上的氮氣壓力開始增加，影響范圍不斷擴大。氮氣流場邊界條件分為有限和無限兩種，無限流場即假設鉆孔無法影響到鉆孔邊界，因此其邊界壓力始終保持原有壓力。當鉆孔影響到期邊界時，邊界條件為：

式中：P0為采空區氮氣起始壓力；P1為注氮時鉆孔內壓力。

初始壓力：P＝P0＝P02（t＝0）

3 數值計算及模擬結果分析

3.1 數值計算

為求解方程，對達西定律采用拉普拉斯變換，得：

將（5）式化為標準化的貝塞爾方程，并解之得：

由（4）式得：

將（7）式帶入（6）式，得：

方程（8）的求解異常復雜，常規方法難以對其進行求解，目前利用計算機求解。本文采用PDETOOL進行求解。

3.2 模擬結果分析

從圖3（a）可以看出，氮氣的運移圖形呈喇叭形，越往下氮氣的擴張面積越大，這是由于氮氣從注氮管道噴出以后，在注氮口附近形成局部補給源，在注氮壓力和采空區負壓作用下氮氣沿著注氮方向發生運移，與此同時，由于注氮壓力縱向分力大于采空區的環境壓力，氮氣不斷地沿著垂直于注氮管道方向發生橫向蔓延，并形成了以鉆孔為中心的近似圓形的影響半徑，占據越來越多的區域。在氮氣流經的區域，原有采空區內氣體不斷被驅替，區域內各氣體組分情況發生變化，新形成的混合氣體在注氮推力作用下向前流動，改變了采空區原有的風流運動，形成新的滲流場。從圖3（b）可以清晰地看出同一截面上離鉆孔不同距離的氮氣壓力分布情況。由于氮氣氣體的粘性力和管道表面作用力，靠近管道中心一側的氣體壓強大，而管道壁面一側的壓強小，因而同一注氮管道內同一橫斷面上不同點處氮氣的壓強不同，呈向外依次減小趨勢。礦井采空區內充滿冒落的矸石和遺煤，可看做是多孔介質流場，氮氣在采空區的運移近似均勻流動。