采空區注N₂后采空區物理場變化數值模擬

摘要：為了研究注氮對采空區內部流場的影響，以某礦122106工作面為研究對象，采用數值模擬的方法，分析注氮后采空區的物理場變化情況，結果表明：采空區注氮后，對采空區氧氣濃度場、溫度場影響較大，對采空區壓力場影響較小。注氮12min至30min內，采空區降溫范圍和降氧惰化范圍沿工作面方向分別從25m和20m擴展至整個工作面方向和70m，沿采空區方向分別從10m和30m擴展至35m和40m。注氮防滅火技術是一種安全、高效的降溫降氧的防滅火技術措施。

關鍵詞：注N2;數值模擬;煤自燃

一直以來，礦井煤自燃事故頻發，給礦井帶來重大的經濟財產損失甚至血的教訓。隨著煤炭行業對安全生產的重視，各種煤礦防滅火技術、裝備、工藝、材料在全國各礦井廣泛應用，其中，注氮防滅火技術是最早實踐、應用最廣泛的一種防滅火技術之一。氮氣具有不燃、不助燃、防爆、不分層等特性，是一種簡單、安全、可靠、高效的防火措施。

為了優化注氮防滅火工藝，國內外學者做了大量的研究，金永飛[1]利用Fluent軟件研究不同注氮參數對采空區煤自燃危險區域變化的影響，從而確定最合理的注氮參數;文虎[2]為降低采空區氧濃度，達到防控采空區煤自燃的目的，采用多點間歇式注氮，保證工作面的安全回采;陳曉坤[3]運用Fluent軟件研究了不同注氮量、注氮深度、注氮高度對采空區氧氣濃度場的影響。

本文借助Fluent軟件，對注氮后采空區氧氣濃度場、溫度場以及壓力場變化進行數值模擬和對比分析，考察注氮對采空區物理場的影響。

一、工作面概況

某礦122106工作面為走向長度5910米，傾斜寬度350米，平均煤厚11m，可采走向長度5910米，傾斜350m，平均采高7米，可采儲量為1750.57萬噸，服務年限17.9個月。122106工作面采用四巷式布置方式，分別包括內回風順槽、外回風順槽、輔運順槽、膠運順槽。工作面風量3000m3/min。122106工作面開采的2-2煤層為容易自燃煤層，最短自燃發火期為35天。

二、模型建立

遺留有大量遺煤的采空區是一個多組分組成的流體體系，該流場主要包括能量守恒方程、連續性方程、組分輸運方程和動量守恒方程等四個控制方程[1]。在數值模擬計算之前，需要確定研究對象的幾何模型、邊界條件、關鍵參數等[2]。

1.幾何模型

采空區為350m寬×300m深，在該區域煤壁10m內浮煤的厚度7.14m，其余為1.82m。發生滲流的破裂帶位于采空區進風口和回風口兩側煤壁之間、煤層底板上方15m以內。由于滲流從整個工作面流向采空區，可以考慮工作面和上下巷40m深度，其中工作面尺寸為5m寬×3.2m高，兩條巷道尺寸為5.5m寬×4.3m高。工作面風量為設計配風量，進風側氧氣濃度20.98%，由風量和巷道面積計算出進風速度為2.11m/s。在進風隅角處注N2，管路為4寸管，流量1200m3/h，出口壓力為0.6MPa，溫度20℃。除開進風巷，計算區域均是壁面，=0。對計算區域進行三維幾何模型建立前，先要進行網格劃分，即：對于漏風滲透區域，工作面和垂直工作面網格步長1m，垂直于工作面方向的網格步長0.2m;而對于巷道區域及工作面的網格步長為0.4m。據此，建立計算區域三維模型，如圖1所示。

2. 邊界條件

（1）對于壁面，則有

（2）對于暴露面，則有

其中，是流體壓能損失，是工作面摩擦風阻力，是通風流量。

計算區域巷道部分斷面面積是基本保持不變的，是屬于暴露面，風流在此處是紊流狀態，因而流體與井壁以及流體層間都會由于摩擦阻力造成流體壓能的損失。工作面摩擦風阻與工作面及巷道長度可以看做是正比關系，這是因為工作面是比較光滑的，而且綜放面基本是水平的，各處斷面的面積也是基本相同的。

對工作面各點的風量和工作面兩端的壓差進行測定，然后代入上式，就可以計算出工作面的壓力及其分布。

①進口1：暴露面氧氣的濃度：體積比21%， 質量比23.0%;進風速度2.11m/s。

②進口2：

壓注液態N2濃度：100%

流速：42.5m/s

3.關鍵參數

（1）空隙率

采空區內多孔介質的空隙率在豎直方向上變化不大，故可假設其只在水平方向上有變化。空隙率n隨距工作面距離x的關系如式：

（2）耗氧速率與放熱強度

在新鮮風流中采空區松散煤體的放熱強度和耗氧速率分別為：

放熱強度：（2）

耗氧速率：（3）

（3）相關參數設置

如表1為相關參數設置。

三、數值模擬結果分析

1.注氮后采空區氮氣濃度場變化特征

從圖2可以看出，注入N2后，滲入采空區很明顯，在12min時，其范圍大概在沿工作面方向20m左右，沿采空區方向30m左右。在28.8min后，其范圍擴展得很明顯，沿工作面方向大概70m，沿采空區方向40m左右，可以看出，注氮沿工作面方向擴散較快。因此，注入N2后，擴散效果比較理想。

（1）注入時間12min（2）注入時間28.8min

圖2 N2濃度場

2.注氮后采空區氧濃度場變化特征

如圖3，注入N2后采空區氧濃度向后擴散。在注入12min后，對采空區氧濃度的降低有限，范圍不大，而在注入28.8min后，惰化效果比較明顯，沿工作面方向約80m，沿采空區方向在70m左右，氧氣濃度均明顯降低，起到了明顯的惰化降氧效果。

3.注氮后采空區溫度場變化特征

從圖4可以看出：采空區發生溫度交換的場范圍不大，新鮮風流進入采空區進行能量交換受限很大，自身能量有限，根據能量守恒定律，能發生能量交換及其范圍并不大。發生能量交換比較明顯的是在進風側采空區20-30m處。在注入N2為12min后，降溫范圍大概在沿工作面方向25m，沿采空區方向約10m。在28.8min后降溫范圍進一步加大，沿著整個工作面幾乎都有，沿采空區方向約35m，起到了明顯的降溫效果。

4. 注氮后采空區壓力場

從圖5可以看出，采空區里壓力場變化不大，比較穩定，兩端壓差為50Pa，對于采空區復雜多孔松散介質體系，新鮮風流壓降非常明顯，在進風隅角處，采空工距隅角約30m時，壓力為6.56Pa，40m時約5.64Pa。

四、結論

1）采空區注氮沿工作面方向擴散速度比沿采空區方向快。采空區注氮后，對采空區氧氣濃度場、溫度場影響較大，對采空區壓力場影響較小。

2）注氮12min至30min內，采空區降溫范圍沿工作面方向從25m擴展至整個工作面方向，沿采空區方向從10m擴展至35m。

3）注氮12min至30min內，采空區降氧惰化范圍沿工作面方向從20m擴展至70m，沿采空區方向從30m擴展至40m。

參考文獻：

[1]金永飛，楊正偉，孫超，劉文永，郭軍.基于FLUENT的注氮參數對采空區煤自燃防治的影響研究[J].煤炭技術，2018，37（11）：230-233.

[2]文虎，胡偉，劉文永，張澤，程雙禮.色連二礦12205工作面收作期間防火技術[J].煤礦安全，2017，48（04）：75-78.

[3]陳曉坤，張華威，翟小偉，趙彥輝，王棟.注氮對采空區氧氣分布影響的數值模擬[J].煤礦安全，2014，45（11）：23-26.

[4]文虎，張澤，趙慶偉，劉文永，郭軍.煤層分層前后采空區自燃“三帶”的數值模擬[J].煤礦安全，2017，48（03）：178-181.

作者簡介：楊彪（1986-），男，漢，陜西合陽人，本科，2010年畢業于中國礦業大學，中級通風安全工程師，現從事“一通三防”工作。