上隅角CO涌出防控數值模擬研究

劉 超，陳 真，楊 彪，毛少軍，張慧峰，楊程帆

(1.陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西陜煤榆北煤業有限公司，陜西 榆林 719000；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北地區不少礦井工作面存在上隅角CO異常涌出的現象，原因包括采空區遺煤氧化產生CO、工作面生產過程中產生CO、井下交通工具產生CO等在工作面上隅角聚集。CO作為一種有毒有害氣體，如果井下現場人員長期處于高CO狀態，體能會受到影響，甚至出現不良身體反應。因此，一旦CO在工作面上隅角聚集或涌出，會嚴重威脅工作面安全生產環境，危害井下工人的身體健康，影響工作面正常生產[1]。小保當一號井112207綜采工作面回采期間，在工作面無任何自然發火跡象的情況下，上隅角CO濃度較大，特別容易造成煤自燃火災預測預報的誤報，甚至出現CO超限的現象。針對這一問題，利用FLUENT流場數值模擬軟件，研究工作面上下端頭設置臨時密閉，對綜采面上隅角CO涌出的防控具有實用價值。

1 工作面概況

小保當一號井112207綜采工作面位于2-2煤11盤區，西部相鄰112201采空區，東部布置112208工作面正在掘進順槽，北至2-2輔運大巷，切眼中線距離南部井田邊界26 m。直接頂為厚度1.25～11.47 m的細粒砂巖，老頂為厚度4.07～35.29 m的中粒砂巖，直接底為厚度8.19～26.62 m的砂質泥巖及粉砂巖，老底為厚度2.9～14.37 m的砂質泥巖。煤層傾角不足1°，煤層厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，容重1.32×103kN/m3，根據井下實際情況設計采高5.7 m。

小保當一號煤礦開采方式為大采高煤層開采，回風隅角CO主要來源有煤層原生CO氣體、采空區遺煤氧化釋放CO、煤層采掘過程產生CO和礦用膠輪車產生CO。

2 采空區數值模擬三維模型及參數設置

2.1 控制方程

工作面開采過后，采空區頂板垮落，采空區內充滿了垮落下來的塊狀破碎巖石，覆蓋遺留在采空區內部的松散煤體，形成多孔流場區域。采空區內破碎巖體及松散煤體之間的裂隙在采空區內分布極為豐富，根據這些特征基本允許將松散煤體和巖體均視為均勻的多孔介質，僅需在模擬時設置不同的滲流參數作為區分即可[2 -5]。在滲流模型中，漏風強度僅考慮平均意義下的，也就是通過單位面積松散煤體的漏風量[6 -7]。在設定的計算區域內，流體的密度保持不變，空氣滲流應當符合達西定律[8 -9]。常溫常壓下松散煤體吸附平衡且氧化緩慢，氧化消耗的氧氣量和產生的氣體產物等量。根據菲克定律，空氣中各組分擴散是從濃度最高處向最低處進行的[10 -11]。因為煤自燃是一個非常緩慢的過程，所以工作面在正常推進時，可以將采空區的滲流、擴散及化學反應考慮成一個穩態過程。因此采空區溫度基本可以認為保持不變[12]，故控制方程如下

2.2 采空區物理模型

根據現場觀測，112207綜采工作面采空區會有一定厚度浮煤，現階段因為采空區浮煤厚度分布的復雜性和采空區的封閉性，還沒找到準確測量浮煤厚度的方法。在預測煤自燃的過程中浮煤厚度的測量是通過間接測算的方法[13]。

112207綜采工作面位于小保當一號井2-2煤11盤區，煤層平均厚度為5.7 m，工作面走向長5 630 m，傾斜長350 m，采高為5.7 m。112207綜采工作面膠運順槽6.5 m×4.25 m(寬×高)，回風順槽5.4 m×4.4 m(寬×高)。工作面回采率在95%左右，遺煤的空隙率定為30%。根據現場觀測，估算出采空區平均浮煤厚度。

浮煤厚度：5.7×(1-0.95)/(1-0.3)=0.41 m。

采空區兩道浮煤厚度：進風側(5.7-4.25)/(1-0.3)=2.07 m。回風側(5.7-4.4)/(1-0.3)=1.86 m。

對采空區流場進行模擬，首先構建采空區幾何模型。本次所模擬的區域為一個350 m×300 m×30 m的立體區域，其中X軸方向為工作面傾向方向，Y軸為工作面走向方向，Z軸為垂直方向。三維模型如圖1所示。并在進回風端頭各設置一道臨時密閉，臨時密閉尺寸與現場實際相同，工作面臨時密閉位置如圖2所示。

圖1 采空區三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of goaf

圖2 工作面臨時密閉位置Fig.2 Temporary sealing position of working face

通過ANSYS Workbenchd中的網格劃分軟件Mesh，對圖2中的幾何模型進行網格劃分。整體采用非結構化網格進行劃分，并對局部進行細化，非結構化網格主要以四面體網格為主，以六面體網格為輔。網格劃分結果如圖3所示，采空區立體空間劃分的網格質量良好，可以滿足采空區流場模擬的要求。

圖3 三維模型網格劃分Fig.3 Mesh division of 3D model

2.3 關鍵參數設置

2.3.1 材料設置

根據實驗測定的CO產生速率，編寫UDF，在數值計算過程中加載到遺煤區域的源項中。采空區松散煤體和巖體的相關參數見表1。

表1 材料設置

2.3.2 邊界條件

暴露面：進風口O2體積百分比為21%；質量百分比為23.3%；溫度為300 K。

進風口風速：根據工作面供風量計算得出進風巷風速為1.68 m/s。

回風巷出口：設定為自由出口。

3 數值模擬結果及分析

基于建立的數值模擬模型，在相同的邊界條件前提下，分別對端頭無臨時密閉和有臨時密閉的采空區流場進行模擬。

3.1 速度場分析

上述2種情況下的采空區速度場云圖，如圖4、5所示。兩圖對比可以看出，在無臨時密閉的情況下，工作面部分新鮮風流從進風端頭直接進入采空區中，采空區內的氣體從工作面回風端頭涌出，形成一個漏風源和一個漏風匯的過程。相比之下，在工作面進回風端頭增設臨時密閉后，工作面的風流速度略微增大，進風端頭流入采空區的風流減小，同時，因臨時密閉的影響，采空區氣體從回風端頭涌出受阻。這說明，工作面進回風端頭建立臨時密閉對采空區漏風封堵以及氣體涌出防控具有一定的作用。

圖4 無臨時密閉采空區速度云圖Fig.4 Velocity cloud map of goaf without temporary sealing

圖5 有臨時密閉采空區速度云圖Fig.5 Velocity cloud map of goaf with temporary sealing

3.2 CO濃度場分析

圖6為工作面進回風端頭無密閉和有密閉2種情況下，采空區內部空間的CO濃度場云圖。從圖中可以看出，在采空區中，采空區回風側區域積聚的CO濃度比采空區進風側區域積聚的CO濃度大。在采空區漏風流場的影響下，CO氣體從工作面上隅角涌出。總體來說，沿工作面傾向方向，距離回風側越近，采空區內部的CO濃度越大，上隅角處的CO濃度能達到0.035‰～0.040‰，這也與現場上隅角CO濃度較為吻合。沿工作面走向方向，采空區深部的CO濃度大于靠近工作面的CO濃度，這是由于新鮮風流從進風端頭進入采空區后，在采空區內形成流場，經過采空區遺煤后，O2不斷被消耗，CO不斷產生，CO濃度逐漸增大。

用Fluent軟件從CO濃度場云圖中提取采空區回風側CO濃度數據，如圖7所示，為采空區走向方向回風側CO濃度隨采空區深度的變化規律。

圖6 采空區CO濃度場Fig.6 CO concentration field in goaf

圖7 采空區走向方向回風側CO濃度Fig.7 CO concentration at the return air side in the goaf direction

從圖中可以看出，隨著采空區深度的加深，CO濃度迅速增大，這是由于模擬過程中，采空區遺煤氧化產生的CO在采空區積聚的表現。對比分析圖7(a)和圖7(b)，工作面上下端頭無臨時密閉時，采空區內的氣體從上隅角涌出，導致上隅角和回風巷道10 m范圍內出現CO，CO平均濃度沿回風巷風流方向逐漸降低。在工作面上下端頭設置臨時密閉后，上隅角CO濃度驟降，回風巷道10 m范圍內CO濃度最低為0.001‰。

由此表明，在工作面上下端頭建立臨時閉墻，一定程度上可以減小工作面向采空區漏風，同時可以減少采空區氣體向工作面上隅角涌出。

4 結論

(1)在工作面進回風端頭無臨時密閉時，工作面新鮮風流從下隅角流入采空區中，為采空區遺煤氧化供給氧氣，產生的CO從上隅角涌出。

(2)在工作面進回風端頭設置臨時密閉，一方面，可以減小采空區漏風，另一方面，可以減少采空區氣體向工作面上隅角涌出。因此，端頭密閉可對工作面上隅角CO防控起到一定作用。