蔣莊煤礦31603工作面三帶劃分和工作面動(dòng)態(tài)調(diào)整模型研究

＊李強(qiáng) 陳偉 張乾 張立勇 白鷺 單冬冬

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山東 277519）

煤自燃是帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失的自然災(zāi)害之一，也是煤礦安全的一項(xiàng)重要課題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在大中型煤礦中，嚴(yán)重或較嚴(yán)重自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤礦數(shù)量占了72.9%；而國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占47.3%。小煤礦中具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的比例更高，達(dá)到了85.3%[1]，火災(zāi)也給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的安全隱患，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。此外，煤自燃過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，嚴(yán)重危及井下人員的生命安全并且會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[3-5]。

王忠橋等[6]以柴里煤礦3606綜采工作面為研究背景，得出了3606綜采工作面采空區(qū)三維空間自燃“三帶”的分布規(guī)律和采空區(qū)二維平面氧化帶范圍。李偉等[7]采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)一步分析采空區(qū)的氧氣濃度，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互輔證，確定30103綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍。王耀強(qiáng)[8]采用分區(qū)模擬的手段對(duì)傾斜工作面自燃“三帶”分布進(jìn)行研究，證明煤層傾角主要通過(guò)影響采空區(qū)孔隙率分布進(jìn)而影響采空區(qū)自燃“三帶”分布。王斌等[9]通過(guò)對(duì)孤島工作面模擬得到三帶分布，為孤島工作面的火災(zāi)防治提供理論指導(dǎo)。

本文通過(guò)對(duì)蔣莊煤礦進(jìn)行數(shù)值模擬得到氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)而對(duì)31603工作面進(jìn)行三帶劃分，得到了最短自然發(fā)火期和不同環(huán)境溫度條件下的自然發(fā)火期，建立了工作面動(dòng)態(tài)調(diào)整模型為煤礦的自燃發(fā)火提供預(yù)警指標(biāo)。

1.工作面概況

蔣莊煤礦31603工作面走向長(zhǎng)439～545m，傾向長(zhǎng)147～185m，煤層厚度在1.1～1.32m之間，平均煤厚1.28m，煤層傾角平均4°；工作面同煤層西側(cè)16301工作面、南側(cè)16303里工作面已回采完畢，工作面上部無(wú)采空區(qū)。單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。頂板為極穩(wěn)定石灰?guī)r，底板為泥巖、粉砂巖；采用“E”型通風(fēng)方式，31603回采工作面進(jìn)風(fēng)順槽為31603材料道和31603中間巷，分別進(jìn)風(fēng)454m3/min、155m3/min。回風(fēng)道為31603運(yùn)輸巷。

2.數(shù)值模型的構(gòu)建

(1)采空區(qū)滲透系數(shù)分布

目前研究者們通常將“O”形圈理論和煤巖碎膨脹系數(shù)結(jié)合起來(lái)建立采空區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率分布函數(shù)[10]。本文結(jié)合前人研究及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，建立了采空區(qū)孔隙率與滲透率分布公式，該工作面采空區(qū)內(nèi)空間空隙率分布函數(shù)如式（1）[11]。

式中：ly為采空區(qū)傾向?qū)挾龋琺；H為采高，m；α為煤層傾角；hd為直接頂厚度，m；Kpb為直接頂破碎巖體殘余碎脹系數(shù)；l為基本頂破斷巖塊長(zhǎng)度，m；δ為相對(duì)軸向應(yīng)力，MPa；β1為回歸系數(shù)。

氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，需要定義流動(dòng)阻力，在Fluent中一般通過(guò)粘性阻力和慣性阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

式中，Si為采空區(qū)多孔介質(zhì)的動(dòng)量損失源；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；Dij和Cij分別為黏性阻力和慣性阻力損失系數(shù)矩陣；vj（j=1，2，3）為流體微元體在X、Y、Z方向上的速度分量，m/s。

由于采空區(qū)內(nèi)部的孔隙率的變化是均勻的，可以將采空區(qū)視為小范圍內(nèi)各向同性的多孔介質(zhì)。鑒于采空區(qū)是充滿介質(zhì)的流動(dòng)，在湍流流動(dòng)中，可以將式（2）用Ergun方程來(lái)進(jìn)行常數(shù)的推導(dǎo)。

由于式（3）中第二項(xiàng)在一般情況下是一個(gè)很小的量，為簡(jiǎn)化計(jì)算得到式（4）。因此得到采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透性系數(shù)和內(nèi)部損失系數(shù)如式（5）和式（6）。

式中：α是滲透率；C2是慣性阻力；黏性阻力k=1/α。

孔隙率、黏性阻力、慣性阻力等通過(guò)UDF編寫(xiě)并導(dǎo)入Fluent中。

(2)采空區(qū)物理模型及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

本文基于相關(guān)理論對(duì)模擬過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，因此對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程做出以下假設(shè)：

（1）將采空區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)，不發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)；（2）采空區(qū)內(nèi)破碎煤巖體為各向同性的多孔介質(zhì)；（3）采空區(qū)遺煤氧化反應(yīng)遵循阿雷尼烏斯定律，釆空區(qū)遺煤發(fā)熱量和耗氧速率與溫度的關(guān)系保持不變。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)理論，設(shè)定邊界條件如下：

（1）入口條件：進(jìn)風(fēng)巷的入口設(shè)置為速度入口，材料巷風(fēng)速設(shè)置為0.63m/s，中間巷風(fēng)速設(shè)置0.17m/s，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%。

（2）出口條件：回風(fēng)巷出口設(shè)置為自然出流出口（OUTFLOW）。

（3）采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)，孔隙率、粘性阻力、慣性阻力、耗氧速率等并通過(guò)用戶自定義函數(shù)（USER DEFINED FUNCTION）實(shí)現(xiàn)。

其他采空區(qū)模型參數(shù)設(shè)置如表2。

本文在設(shè)置上選擇湍流模型。湍流模型中選擇RNG k-ε模型，同時(shí)打開(kāi)能量方程及組分輸運(yùn)模型，勾選Inlet Diffusion等選項(xiàng)并添加CO氣體。

根據(jù)表1所示參數(shù)采用Workbench自帶建模軟件Designmodeler geometry進(jìn)行建模，模型如圖1所示。

圖1 采空區(qū)物理模型

表1 采空區(qū)物理模型參數(shù)

根據(jù)31603工作面煤層情況以及由孔隙率公式推導(dǎo)，取破碎巖石殘余碎脹系數(shù)Kpb=1.2，按照工作面作業(yè)規(guī)程，直接頂厚度5m，得出采空區(qū)孔隙率分布立體圖，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)孔隙率分布立體圖

(3)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

31603工作面傾向長(zhǎng)147～185m，分布有31603材料巷、31603運(yùn)輸巷和31603中間巷三條巷道。測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)31603材料巷、31603運(yùn)輸巷，進(jìn)回風(fēng)隅角各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#、2#），所有測(cè)點(diǎn)管路均采用束管/高壓膠管及2～4寸保護(hù)鋼管。采樣管路和測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意圖見(jiàn)圖3所示，單個(gè)測(cè)點(diǎn)最大布設(shè)長(zhǎng)度為75m。

圖3 三帶測(cè)點(diǎn)布置圖

3.模擬結(jié)果分析

(1)三帶分析

按照表2參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得到圖4氧濃度分布模擬結(jié)果。

圖4 采空區(qū)三維氧濃度分布圖

表2 采空區(qū)模型參數(shù)設(shè)置

從采空區(qū)三維氧濃度分布圖可以初步看出，由于進(jìn)風(fēng)巷速度較大，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)處位置相較于回風(fēng)處位置，氧化帶寬度較大，向z方向擴(kuò)散范圍較大。

如圖5所示，在Z=1m平面上，以工作面為起始處，在進(jìn)風(fēng)側(cè)，散熱帶寬度0～43m，氧化帶寬度為43～58m，此后為窒息帶；在回風(fēng)側(cè)，散熱帶寬度為0～10m，氧化帶寬度10～21m，此后為窒息帶；在工作面中間巷處，散熱帶寬度0～18m，氧化帶寬度18～32m，此后為窒息帶。

圖5 Z=1m時(shí)采空區(qū)xy面氧氣分布云圖

按照蔣莊煤礦31603工作面作業(yè)規(guī)程，取采高為1.28m，故在Z=1m關(guān)鍵平面方位作進(jìn)回風(fēng)巷垂直工作面方向（x）和沿工作面方向（y）氧氣分布分析。

如圖6、圖7所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合可知，隨著氣體測(cè)點(diǎn)深入到采空區(qū)深處，O2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，進(jìn)風(fēng)側(cè)在距離工作面43m處O2體積分?jǐn)?shù)降到18%左右，回風(fēng)側(cè)則在距離工作面58m處O2體積分?jǐn)?shù)降到8%左右。對(duì)比模擬數(shù)據(jù)可以看到，二者曲線趨勢(shì)基本吻合。證明了該O2控制方程為模型的數(shù)值模擬結(jié)果可信。

圖6 進(jìn)風(fēng)側(cè)（即材料巷側(cè)）氧氣分布擬合曲線圖

圖7 回風(fēng)側(cè)（即運(yùn)輸巷側(cè)）氧氣分布擬合曲線圖

(2)工作面采空區(qū)溫度變化的安全推進(jìn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整模型

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)所取煤樣氧化70℃時(shí)煤樣罐出氣口的氧氣濃度和交叉點(diǎn)溫度分析如表3。

表3 自然發(fā)火參數(shù)氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)定

根據(jù)推進(jìn)速度（1）、煤自燃傾向性計(jì)算公式（2）、公式（3）與氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)定等參數(shù)得到動(dòng)態(tài)調(diào)整方程（4）。

可以得到

式中，C70：70℃時(shí)煤樣罐出氣口的氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；

R70：表示緩慢氧化階段的平均溫升速率，℃/min；

Tcpt：煤的交叉點(diǎn)溫度，℃；

t70-cpt：煤的快速氧化階段的絕熱氧化時(shí)間，h；

tτ-30，t30-40，t40-70：煤緩慢氧化階段的絕熱氧化時(shí)間，h；

t：最短自然發(fā)火期，d；

τ：采空區(qū)環(huán)境溫度，℃；

Y：散熱帶長(zhǎng)度，m；

V：推進(jìn)速度，m/s。

根據(jù)工作面的動(dòng)態(tài)調(diào)整方程（4）可以得到不同采空區(qū)起始溫度與推進(jìn)速度的模型，總體趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 不同起始溫度自然發(fā)火期變化

(3)31603工作面不同環(huán)境溫度下采空區(qū)的最短自然發(fā)火期和推進(jìn)速度分析

蔣莊煤礦31603煤最短自然發(fā)火期伴隨初始溫度的升高而減小。根據(jù)蔣莊31603工作面溫度20℃，即起始溫度為20℃時(shí)，其自然發(fā)火期約為86.9d。自然發(fā)火期各參數(shù)和不同起始溫度的最短自然發(fā)火期如表4、表5所示。

表4 自然發(fā)火結(jié)果參數(shù)匯總

表5 采空區(qū)不同起始溫度自然發(fā)火期變化規(guī)律

根據(jù)公式（2）可以得到不同起始溫度自然發(fā)火期變化規(guī)律，如表5所示。

工作面回采過(guò)程中為了防止采空區(qū)煤炭自燃，通常利用工作面安全回采速度，而工作面的最低安全回采速度與采空區(qū)氧化帶的寬度以及煤層最短自然發(fā)火期息息相關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中，Vf：工作面回采最小推進(jìn)速度，m/d；

Ls：采空區(qū)氧化帶的寬度，m；

T：煤層最短自然發(fā)火期，d。

根據(jù)模型計(jì)算，正常井下溫度20℃情況下，工作面平均推進(jìn)速度4.8m/d，大于工作面最小推進(jìn)度0.49m/d，因此在正常開(kāi)采條件下，理論上采空區(qū)遺煤不會(huì)自燃。根據(jù)表5的采空區(qū)不同起始溫度自然發(fā)火期變化規(guī)律，可以計(jì)算得出不同溫度下工作面動(dòng)態(tài)調(diào)整最小速度分布為煤礦防滅火起到理論指導(dǎo)作用。如表6所示。

表6 不同溫度下工作面動(dòng)態(tài)調(diào)整最小速度分布

4.結(jié)論

（1）通過(guò)Fluent數(shù)值模擬得到了31603工作面最大三帶分布范圍：散熱帶寬度為距離工作面0～43m，氧化帶寬度為距離工作面43～58m，此后為窒息帶。

（2）31603工作面最小推進(jìn)速度為0.49m/d。根據(jù)31603工作面正常日平均推進(jìn)速度4.8m/d，即大于工作面最小推進(jìn)度，因此在正常開(kāi)采條件下，理論上采空區(qū)遺煤不會(huì)自燃。

（3）建立了不同環(huán)境溫度下工作面動(dòng)態(tài)推進(jìn)模型和不同環(huán)境溫度下最短自然發(fā)火期變化規(guī)律，為蔣莊煤礦防滅火具有指導(dǎo)作用。