雁南煤礦I0128205綜放工作面采空區自燃“三帶”數值模擬研究

徐百平

摘要：為了探究雁南煤礦I0128205綜放工作面采空區自燃“三帶”分布規律，本文以雁南煤礦I0128205綜放工作面實際概況為工程背景，對采空區溫度場和氧氣場在實際通風量為1000m3/min的情況下進行數值模擬。根據數值模擬結果，劃分出I0128205綜放工作面采空區自燃“三帶”。

Abstract： In order to explore the distribution regularity of spontaneous combustion "three zone" in goaf of Yanan Coal Mine I0128205 fully mechanized coal face， this paper takes the actual overview as the engineering background， carries out numerical simulation of goaf temperature field and oxygen field under the condition that the ventilation volume is 1000m3/min. According to the results of numerical simulation， the "three zone" of spontaneous combustion in the goaf of fully mechanized coal face of I0128205 are divided.

關鍵詞：采空區;自燃“三帶”分布規律;數值模擬

0? 引言

礦井火災是煤礦主要災害之一，大多數發生在采空區附近[1-3]。采空區遺煤在合適的通風量下與氧氣發生氧化反應，致使采空區遺煤氧化升溫，熱量積聚到一定程度就會使采空區遺煤自燃，引起火災。火災的發生，不僅會威脅井下作業人員的生命安全，而且會造成火區周邊資源的浪費，直接影響礦井的安全、高效生產。

本文將以雁南煤礦I0128205綜放工作面為背景，以工作面實際參數建立采空區物理模型，在滿足工作面實際通風量情況下，對采空區自燃“三帶”分布規律展開研究，分析氧氣濃度場、溫度場的變化規律，為礦井的安全、高效生產提供有力的理論支持。

1? 工作面概況

雁南煤礦I0128205綜放工作面可采走向長度為1790m，工作面平均斜長200m，頂煤平均厚度為5.1m，采高為3.0m。工作面壓力大，不放煤走向長度為40m（初采10m，末采15m，預留停采線15m）。循環進度為1.60m，工作面回采率97%，頂煤回收率80%，煤層容重為1.23t/m3。雁南煤礦煤層具有煤層自燃傾向性，最短發火期為3-6個月，自燃等級為Ⅰ級。

2? 數值模擬計算

2.1 物理模型建立及網格劃分

根據I0128205工作面實際概況，建立采空區三維模型。模型一共由4個部分組成：即進風巷道、回風巷道、采煤工作面和采空區，如圖1所示。對已建立的采空區物理模型進行了網格劃分，共計產生358000個網格，每個網格的步長為0.5m，具體如圖2所示。

2.2 控制方程

2.2.1 連續性方程[4]

2.2.2 動量方程[5]

數值模型內流體滿足完全形式的Navier-Stokes方程：

2.2.3 氧氣擴散系數

2.2.4 滲透率分布系數

數值模型中滲透率分布系數由Carman公式[7]確定：

2.2.5 方程中的氧氣的耗散速率依靠阿累尼烏斯定律[8]表述：

將以上方程通過udf編寫等方式，定義到模擬軟件中，用以計算。

2.3 數值模擬結果及分析

將已建立完成的采空區模型導入fluent中進行迭代計算，經過3500步左右計算后，氧氣濃度殘差曲線趨于收斂，氧氣濃度殘差滿足模擬計算要求。

2.3.1 采空區內溫度場分析

由圖3溫度場分布云圖中可知：工作面向前推進，采空區內溫度呈現先上升再下降的趨勢，高溫區域主要集中在進風巷側，進風巷側平均溫度明顯大于回風巷側平均溫度。

2.3.2 采空區氧氣場分析

如圖4可以看出，當工作面通入新鮮風流后，在采空區內部存在滲流通道，致使采空區內部發生空氣滲流。隨著工作面的不斷向前推進，采空區內氧氣濃度也逐漸減低。在進風巷側，距離工作面70m左右，工作面采空區氧氣濃度在18%左右;距工作面90m左右，工作面采空區氧氣濃度在10%左右。在回風側，距離工作面40m左右，工作面采空區內氧氣濃度在18%左右;距離工作面60m左右，工作面采空區內氧氣濃度在10%左右。當工作面繼續向前推進，工作面采空區內的氧氣濃度變化的越不明顯。

根據氧氣濃度來劃分，劃分依據一般為：自燃帶的氧氣濃度>18%;氧化帶的氧氣濃度：10～18%;窒息帶的氧氣濃度：<10%。本文根據氧氣場模擬結果進行劃分確定I0128205工作面采空區自燃“三帶”范圍為：在進風巷側，采空區自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度70m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>90m。在回風巷側，采空區自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度40m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>60m。

3? 結論

①工作面向前推進，采空區內溫度呈現先上升再下降的趨勢，高溫區域主要集中在進風巷側，進風巷側平均溫度明顯大于回風巷側平均溫度。

②隨著工作面的不斷向前推進，采空區內氧氣濃度也逐漸減低。

③I0128205工作面采空區自燃“三帶”范圍為：在進風巷側，采空區自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度70m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>90m。在回風巷側，采空區自燃“三帶”分布范圍為：自燃帶寬度40m;氧化帶寬度20m;窒息帶寬度>60m。

參考文獻：

[1]鄭紀武.采空區漏風對煤自燃特性的影響研究[D].西安科技大學，2018.

[2]王海賓.唐口礦6305工作面煤自燃特性及防滅火技術研究[D].西安科技大學，2017.

[3]齊景峰.采空區遺煤自燃危險程度自動預測系統研究[D].西安科技大學，2017.

[4]賈海林，翟晨光.采空區煤自燃“三帶”空間分布特性研究[J].能源與環保，2017（01）：1-6，29.

[5]張淼，王濤，魯義，陳世強，丁仰衛.寸草塔煤礦22煤層自燃“三帶”分布及影響因素[J].礦業工程研究，2019，34（02）：63-69.

[6]姜偉光.液相質擴散系數的數學描述及實驗驗證田[D]大連：大連交通大學，2008.

[7]劉瑜，陳偉，宋永臣，等.含甲烷水合物沉積層滲透率特性實驗與理論研究[J].大連理工大學學報，2011（6）：793-797.

[8]高正陽，方立軍.混煤燃燒動力學參數的熱重試驗研究[J].鍋爐技術，2000，31（11）：9-12.