基于“O”型冒落的Y型通風(fēng)采空區(qū)氣體分布特征*

耿曉偉，劉　雨，郭曉陽，楊姍姍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

傳統(tǒng)的U型通風(fēng)系統(tǒng)，因受其特有的采空區(qū)漏風(fēng)流場的影響，工作面上隅角極易積聚大量瓦斯，在高瓦斯礦井尤為突出。相對而言，兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)系統(tǒng)中兩巷共同進(jìn)風(fēng)，隨著工作面的推進(jìn)，沿空留巷逐步填充支護(hù)變?yōu)榛仫L(fēng)巷，漏風(fēng)向采空區(qū)深部延伸，避免了瓦斯積聚在工作面上隅角，對上隅角瓦斯的治理效果顯著[1]。此外，這種形式的通風(fēng)方式下，各種軌道、電纜、管道以及電氣設(shè)備都處于新風(fēng)中，極大地消除了安全隱患，提高了回風(fēng)巷的安全性。

近年來，數(shù)值模擬被大量地應(yīng)用到采空區(qū)氣體運(yùn)移及流固耦合傳熱的研究當(dāng)中?；诓煽諈^(qū)“O”型圈理論，李宗翔等[2-3]建立了采空區(qū)氣體運(yùn)移與自然發(fā)火耦合數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了基于迎風(fēng)格式有限元方法求解的G3程序，并用該程序?qū)型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律、采空區(qū)遺煤自燃分布特征、采空區(qū)注氮防滅火等進(jìn)行了研究；根據(jù)Y型通風(fēng)采空區(qū)的空隙分布特征，文虎等[4]利用數(shù)值模擬方法求解了各條件下采空區(qū)中氧化帶的分布特征，定量分析了影響后退式沿空留巷采空區(qū)內(nèi)氧化帶范圍的關(guān)鍵參數(shù)。何磊等[5]采用數(shù)值模擬方法模擬研究了Y型通風(fēng)采空區(qū)流場和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并對比分析了U型和Y型通風(fēng)條件下采空區(qū)流場和瓦斯運(yùn)移特征。針對綜放工作面U型與Y型通風(fēng)特點(diǎn)，劉偉等[6]建立了多場耦合的采空區(qū)自然發(fā)火模型，對比研究了U型與Y型通風(fēng)對采空區(qū)自然發(fā)火的影響。

根據(jù)以上分析，本文以某礦4402綜放工作面為例，針對兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)方式，基于描述采空區(qū)冒落的“O”型圈理論[7]，結(jié)合采空區(qū)遺煤耗氧放熱的非均勻性特征[3]，用數(shù)值模擬的方法研究Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律、瓦斯和氧氣的運(yùn)移特點(diǎn)以及自燃“三帶”的分布形態(tài)，從理論上為該類型工作面采空區(qū)瓦斯和火災(zāi)防治工作提供參考。

1　采空區(qū)流場數(shù)學(xué)模型

1.1　模型假設(shè)

采空區(qū)復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其氣體流動也很不穩(wěn)定[8]，遺煤氧化放熱過程也非常復(fù)雜，為了研究方便，作如下合理假設(shè)：(1)氣體視為理想的不可壓縮氣體，忽略由氣體黏性引起的耗散熱；(2)采空區(qū)氣體視為線性滲流，服從Darcy定律[9]；(3)采空區(qū)視為各向同性的多孔介質(zhì)； (4)忽略Soret效應(yīng)和Defour效應(yīng)的影響。

1.2　基本控制方程

將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)后，多組分氣體在采空區(qū)中的滲流規(guī)律遵循如下通用控制方程[10]。

(1)

式中：▽為Hamilton算子；Φ為通用變量，可以代表不同的待求變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。以上參數(shù)在各方程中表示的意義如下：

1)連續(xù)性方程：

Φ=1 ，Γ=0，S=Sm

2)動量方程：

因為采空區(qū)視為各向同性的多孔介質(zhì)，故Si簡寫為[11]：

(2)

3)能量方程：

4)組分輸運(yùn)方程：

Φ=ωφ，Γ=Dφ，S=Wφ

5)標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：巷道和工作面氣體流動選用RNKk-ε方程，其中，在湍流動能方程中：

在湍流耗散率方程中：

式中：Sm表示采空區(qū)氣體質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。μ為有效動力粘度系數(shù)，取1.79×10-5Pa·s；Si為采空區(qū)多孔介質(zhì)第i個動量方程損失源項；α為滲透率，m2；C2是慣性阻力損失系數(shù)，1/m2；λe為采空區(qū)多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)，λe=nλg+(1-n)λs，λg，λs分別為多孔介質(zhì)中孔隙氣體、多孔骨架的導(dǎo)熱系數(shù)，分別取0.045 4 W/(m·K)，0.25 W/(m·K)；Ce為多孔介質(zhì)的有效熱容，Ce=nCg+(1-n)Cs，Cg，Cs分別為多孔介質(zhì)中孔隙氣體、多孔骨架的體積當(dāng)量熱容，分別取1 207 J/(kg·K)，998 J/(kg·K)；Ss為能量源項，J/kg。Dφ是氣體組分φ的動力彌散系數(shù)張量，m2/s；Wφ是氣體組分φ的源匯項，kg/(m3·s)。Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；C1ε，C2ε，Cμ，σk，σε為模型常數(shù)，分別取1.44，1.92，0.09，1.00，1.30。

1.3　 采空區(qū)“O”型圈模型

隨著工作面的推進(jìn)和關(guān)鍵層的斷裂，采空區(qū)中部的采動裂隙和冒落巖石被逐漸壓實(shí)，而在四周煤柱側(cè)的離層裂隙和冒落裂隙將保持下來，從而在采空區(qū)四周形成一個聯(lián)通的裂隙發(fā)育區(qū)，稱為采動裂隙“O”型圈[7]，是采空區(qū)漏風(fēng)滲流和氣體運(yùn)移的主要通道。本文基于此觀點(diǎn)對采空區(qū)不同參數(shù)進(jìn)行描述。結(jié)合采空區(qū)實(shí)際覆巖冒落壓實(shí)的分布狀態(tài)，這里給出描述煤巖冒落碎脹系數(shù)按“O”型圈分布的函數(shù)公式[2]：

Kp(x,y)=Kp,min+(Kp,max-Kp,min)e-a1d1(1-e-ξa0d0)(ξ<1)

(3)

圖1是ξ取0.233時的碎脹系數(shù)分布圖。顯然，采空區(qū)碎脹系數(shù)呈不均勻分布，采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率為：

(4)

根據(jù)Blake-Kozeny公式[12]可推導(dǎo)出采空區(qū)滲透率和慣性阻力損失系數(shù)分別為：

(5)

(6)

式中：Kp(x,y)為采空區(qū)冒落煤巖碎脹系數(shù)分布函數(shù)，無因次；Kp,max和Kp,min為初始和壓實(shí)冒落碎脹系數(shù)，分別取1.5，1.15；a0和a1為距離固壁和工作面的衰減率，分別取0.268 m-1，0.036 8 m-1；d0和d1為采空區(qū)內(nèi)某點(diǎn)(x，y)距離固壁和工作面的距離，m；ξ為控制“O”型圈模型形態(tài)分布的調(diào)整數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況通過試算確定。Dp為采空區(qū)平均調(diào)和粒徑，取0.07 m。

圖1　采空區(qū)“O”型圈碎脹系數(shù)分布Fig.1　Hulking coefficient distribution of goaf of O-type circle

1.4　采空區(qū)各源項及遺煤氧化放熱公式

1)瓦斯涌出源項：

(7)

(8)

2)氧氣消耗源項：

(9)

3)遺煤耗氧放熱公式：

(10)

式中：H為采空區(qū)流場高度，m；M為工作面采高，取3 m。W0和W1為均勻穩(wěn)定瓦斯涌出源項和衰減瓦斯涌出源項，分別取1.58×10-4mol/(m2·s)，8.19×10-4mol/(m2·s)；α為瓦斯涌出衰減系數(shù)，取0.08；ν為工作面推進(jìn)速度，取12 m/d；mCH4為CH4的摩爾質(zhì)量，取0.016 kg/mol。ωO2為混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%；ω0O2為新鮮風(fēng)流中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%；mO2為O2的摩爾質(zhì)量，取0.032 kg/mol；H1為采空區(qū)遺煤厚度，取平均值0.3 m；γ0為遺煤耗氧速率待定系數(shù)，取2.31×10-5mol/(m3·s)；b0為試驗常數(shù)，取0.023 5℃-1。τ為時間變量；b1，b2為遺煤總耗氧化學(xué)反應(yīng)、遺煤化學(xué)吸附放熱值，分別取2.21×105J/mol，3.53×105J/mol；β為遺煤氧化耗氧量占總耗氧量的比值，β=a1+ (a2-a1)ωO2/ω0O2，其中a1、a2為試驗常數(shù)，分別取0.053、0.08；T0為采空區(qū)初始溫度，取296 K。

2　物理模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

2.1　工作面概況

某礦4402綜放工作面埋深350 m，走向長1 216 m，傾斜長175 m。工作面主采4#煤層，煤層傾角平緩，賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，平均厚度12 m。工作面相對瓦斯涌出量最大為44.49 m3/min。相鄰工作面采用U型通風(fēng)方式，回采期間上隅角瓦斯頻繁超限，針對該問題結(jié)合4402工作面煤層賦存情況，決定采用兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)方式治理采空區(qū)及上隅角瓦斯。

2.2　物理模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)4402工作面實(shí)際情況，確定物理模型尺寸為：軌道巷和運(yùn)輸巷長35 m，寬5 m，高3 m；工作面長175 m，寬5 m，高3 m；沿空留巷長300 m，寬5 m，高3 m；采空區(qū)傾向長180 m，走向長300 m，高20 m。本文使用ICEM CFD建模軟件在笛卡爾坐標(biāo)系下創(chuàng)建物理模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對模型劃分網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格836 510個。

圖2　 Y型通風(fēng)采空區(qū)物理模型示意Fig.2　Sketch of physical model of Y-type ventilation goaf

2.3　求解參數(shù)設(shè)置

1)邊界條件

兩巷入口邊界條件均設(shè)置為速度入口，氣體溫度17℃，其中O2占20.96%，CH4占0.04%，CO2占0.04%，其他的均為N2。軌道巷風(fēng)速0.8 m/s，運(yùn)輸巷風(fēng)速2.4 m/s。沿空留巷出口邊界條件設(shè)置為自由出口。采空區(qū)初始溫度設(shè)為23℃，其與工作面及沿空留巷之間的面設(shè)置為內(nèi)部界面，其他面設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。

將采空區(qū)定義為多孔介質(zhì)流體區(qū)域[13]。使用C語言編寫UDF外部程序，參照式(3)～(10)分別定義了采空區(qū)多孔介質(zhì)區(qū)域的孔隙率、滲透率、慣性阻力損失系數(shù)、瓦斯涌出源項、氧氣消耗源項和遺煤氧化放熱源項，運(yùn)算時將其加載到相應(yīng)制方程中，以增強(qiáng)該數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)性和契合度。

2)材料物性

流體區(qū)域材料選擇甲烷—空氣混合物，多孔介質(zhì)固體參數(shù)按照4402工作面實(shí)際煤樣參數(shù)設(shè)定。

3)求解器設(shè)置

選擇基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon雙方程模型，氣體運(yùn)移使用組分輸運(yùn)無化學(xué)反應(yīng)方式。采用有限體積法對各控制方程進(jìn)行離散并求解，壓力與速度之間的耦合選用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1　采空區(qū)漏風(fēng)流場分布規(guī)律

圖3和圖4分別為兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采空區(qū)風(fēng)壓等值線和漏風(fēng)流線。通過觀察及分析可知，采空區(qū)風(fēng)壓在下隅角處最大，為76 Pa，運(yùn)輸巷進(jìn)來的風(fēng)流集中在下隅角幾乎垂直射入采空區(qū)，并且漏風(fēng)越靠近運(yùn)輸巷側(cè)越能吹到采空區(qū)的深部。風(fēng)壓沿著對角線向采空區(qū)深部逐漸減小，漏風(fēng)在風(fēng)壓作用下全程流向采空區(qū)深部。

圖3　 Y型通風(fēng)采空區(qū)風(fēng)壓等值線Fig.3　Wind pressure contour of Y-type ventilation goaf

圖4　 Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)流線Fig.4　Air leakage flow of Y-type ventilation goaf

從圖3可以看出，在工作面方向上，風(fēng)壓從上隅角到下隅角逐漸降低，這就使得采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流最終通過填充墻漏入沿空留巷。由圖3可知，采空區(qū)和沿空留巷末端的交匯處為風(fēng)壓能位最低點(diǎn)，為-14 Pa。

3.2　采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速分布規(guī)律

采空區(qū)漏風(fēng)速率分布如圖5所示。

圖5　 Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)速率分布Fig.5　Air leakage rate distribution of Y-type ventilation goaf

其中圖5(a)為工作面向采空區(qū)漏風(fēng)速率隨工作面長度的變化曲線，從圖中看出，工作面0～17 m和160～180 m的范圍漏風(fēng)速率較高，兩巷在工作面的拐角處漏風(fēng)速率最大，這表明：工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)集中在上、下隅角附近，上、下隅角附近的采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速率高，漏風(fēng)量大；相比較而言，工作面17～160 m范圍內(nèi)的漏風(fēng)速率較小且變化不大，基本趨于平緩。究其原因，風(fēng)流在下隅角處集中并垂直射入采空區(qū)，故漏風(fēng)較多，漏風(fēng)速率較大；過了拐彎處，工作面與沿空留巷的壓差逐漸降低，漏風(fēng)減少，漏風(fēng)速率也隨之變小；由于工作面和軌道巷的風(fēng)在上隅角匯合，使上隅角和沿空留巷的壓差增大，向采空區(qū)的漏風(fēng)增多，漏風(fēng)速率升高。

圖5(b)為采空區(qū)向沿空留巷漏風(fēng)速率隨采空區(qū)深度的變化曲線，由圖可知，距工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)向沿空留巷的漏風(fēng)速率越小，漏風(fēng)越少。漏風(fēng)集中在工作面距采空區(qū)0～25 m范圍內(nèi)，風(fēng)速沿著采空區(qū)深度方向快速降低，下隅角處風(fēng)速達(dá)到最大，漏風(fēng)最嚴(yán)重。然而25～300 m范圍內(nèi)的漏風(fēng)速率則相對較低，沿采空區(qū)深度方向降低緩慢。這是因為離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)壓實(shí)程度越高，孔隙率越小，能漏到沿空留巷的風(fēng)越少，漏風(fēng)速率越低；另外，離工作面越遠(yuǎn)，漏風(fēng)因受到沿程風(fēng)阻的阻礙作用，風(fēng)速逐漸減小。

3.3　采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家妶D6。

圖6　 Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植糉ig.6　Gas concentration distribution of Y-type ventilation goaf

從圖6(a)分析發(fā)現(xiàn)，Y 型通風(fēng)方式下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛然境省癓”形分布。采空區(qū)內(nèi)大部分瓦斯隨著漏風(fēng)涌向沿空留巷，越往采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛仍酱螅罱K由沿空留巷排出。工作面距采空區(qū)前20 m瓦斯?jié)舛鹊陀?%。圖6(a)中采空區(qū)右上角存在一個近似扇形的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域，該區(qū)域靠近沿空留巷側(cè)寬約100 m，靠近運(yùn)輸巷側(cè)寬約50 m，瓦斯?jié)舛仍?0%以上。結(jié)合圖6(b)2條曲線可知：上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?%，不存在瓦斯積聚現(xiàn)象；瓦斯?jié)舛入S著采空區(qū)深度的增加而升高，但由于運(yùn)輸巷側(cè)漏風(fēng)速率更大，因此瓦斯?jié)舛壬吒欤谎乜樟粝飩?cè)瓦斯?jié)舛日w高于運(yùn)輸巷側(cè)；高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域瓦斯?jié)舛葹?0%～85%。

3.4　采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律

兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采空區(qū)氧氣濃度分布見圖7，結(jié)合圖7(a)和圖7(b)綜合分析可知，Y 型通風(fēng)方式下，采空區(qū)氧氣濃度同樣呈“L”形分布。沿工作面方向，采空區(qū)靠近運(yùn)輸巷側(cè)的氧濃度較高，越靠近沿空留巷氧氣濃度越低；上、下隅角附近的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度均最大，為20.96%；在采空區(qū)內(nèi)0～50 m的范圍內(nèi)，氧氣濃度沿工作面方向的變化不大。沿采空區(qū)深度方向，氧氣濃度由工作面向采空區(qū)深部逐漸降低，并在深部形成了一個低氧濃度區(qū)域，該區(qū)域與高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域大致相同。

圖7　 Y型通風(fēng)采空區(qū)氧氣濃度分布Fig.7　Oxygen concentration distribution of Y-type ventilation goaf

3.5　采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

采空區(qū)自燃危險區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)主要有采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣體積分?jǐn)?shù)、測點(diǎn)的升溫特征3種方法[14-15]，在此采用氧氣體積分?jǐn)?shù)法來劃分，即采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)為8% ～ 18% 時為自燃危險區(qū)域。從圖7(a)可以看出，兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采空區(qū)自燃“三帶”在運(yùn)輸巷側(cè)最寬，在沿空留巷側(cè)最窄，結(jié)合圖7(b)可得出采空區(qū)自燃“三帶”寬度范圍，詳見表1。

表1　 Y型通風(fēng)采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

由表1可知，氧化帶在沿空留巷側(cè)寬度107 m，而在運(yùn)輸巷側(cè)寬度226 m，為沿空留巷側(cè)的兩倍，因此采空區(qū)自燃危險區(qū)域在運(yùn)輸巷側(cè)分布更廣。

4　結(jié)論與建議

1)兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)集中由工作面上、下隅角漏入，風(fēng)量和風(fēng)速沿著對角線向采空區(qū)深部逐漸減小，最終通過填充墻進(jìn)入沿空留巷。越靠近運(yùn)輸巷和沿空留巷，漏風(fēng)越大。工作面后方0～25 m范圍內(nèi)的漏風(fēng)最大，約占總漏風(fēng)的35%。

2)Y型通風(fēng)方式能有效避免工作面上隅角瓦斯積聚。采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉瞥噬险聦挼摹癓”形分布，并隨著采空區(qū)深度的增加而升高，沿空留巷側(cè)的瓦斯?jié)舛雀哂谶\(yùn)輸巷側(cè)。采空區(qū)深部200～300 m靠近沿空留巷側(cè)存在一個扇形的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域，瓦斯?jié)舛绕骄?0%以上，應(yīng)重點(diǎn)對該區(qū)域瓦斯進(jìn)行抽放。

3)氧氣在Y型通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)同樣呈“L”形分布，越靠近采空區(qū)深部氧氣濃度越低，采空區(qū)深部的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域同時也是氧氣的低濃度區(qū)域。采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域在運(yùn)輸巷側(cè)分布較廣，因此認(rèn)為在運(yùn)輸巷側(cè)向采空區(qū)采取如注氮、注CO2等防火措施更能有效抑制采空區(qū)遺煤自燃。

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