停采撤架期間兩道封堵下采空區氣熱場數值模擬研究

＊唐佐 舒通 梁玉柱

（1.中國礦業大學 江蘇 221000 2.徐州礦務集團有限公司 江蘇 221000）

引言

井下工作面末采階段由于停采撤架需要一定的時間周期，架上和架后煤體長時間處于穩定的漏風供氧狀態，極易發生自燃[1-3]。尤其對于工作面傾角大、軟巖支護困難的工作面，撤架周期大幅延長，煤自燃頻發。目前，國內外廣泛采用封堵隔氧、注惰稀釋、噴灑阻化劑等技術作為防治井下工作面末采階段煤自然發火的主要手段[4-6]，如在進回風隅角構建噴涂隔離墻、加大采空區氮氣注入量等，但仍難以控制架間、回風隅角和回風流中CO的持續上升，停采撤架期間面臨自然發火的危險，嚴重時導致工作面封閉，造成重大人員風險和經濟損失。減少工作面向采空區漏風是控制煤自燃的主要方法，因此在采空區兩巷及工作面進行構筑封堵，可以有效減少漏風量，降低采空區內的氧氣體積分數，從而抑制采空區內遺煤的自燃[7-10]。

本文根據百貫溝煤礦2506工作面開采特點，結合在停采撤架期間采用兩道封堵的措施，用數值模擬方法研究封堵前后采空區氣熱場變化規律，為工作面安全撤架提供理論基礎。

1.礦井概況

百貫溝井田位于崇信縣，2506工作面位于5號煤層，地面標高為+1296m～+1223m，工作面標高為+853m～+925m，走向長524m，傾斜長100m，煤層總厚4.0～7.8m，平均厚度5.5m，煤層傾角5°～10°，平均7°。2506工作面回采前期為小角度上山回采，后期為俯采，整體為俯采工作面，切眼處材料道與運輸道落差25m，開切眼向外，兩道高差呈增大趨勢，工作面采高為2.6～3m（平均為2.8m），放頂煤高度為2.7m，采放比為1:0.96。工作面配風量為1400m3/min，工作面巷道采用“U”型布置方式。

2.數值模型建立

(1)孔隙率方程

目前研究者們通常將“O”形圈理論和煤巖碎膨脹系數結合起來建立采空區多孔介質的孔隙率分布函數[11]。本文結合前人研究及相關經驗公式，建立了采空區孔隙率與滲透率分布公式，該工作面采空區空間空隙率分布函數如式（1）[12]。

式中：ly為采空區傾向寬度，m；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；l為基本頂破斷巖塊長度，m；δ為相對軸向應力，MPa；β1為回歸系數。

本文結合前人研究和現場部分參數，通過多次試算得出H，Kpb，ly，hd，煤層傾角過小，為方便計算將α設為0，hd=6.7m，ly=100m，Kpb=1.14，H=2.8m。

氣體在采空區多孔介質流動時，需要定義流動阻力，在Fluent中一般通過粘性阻力和慣性阻力來實現。

式中：Si為采空區多孔介質的動量損失源；μ為動力黏度，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。

采空區多孔介質滲透性系數和內部損失系數如下式。

式中：α是滲透率；C2是慣性阻力，粘性阻力k=1/α。

(2)耗氧及放熱速率方程

為獲得采空區內煤樣的耗氧速度，采取工作面現場的煤樣進行程序升溫實驗。具體實驗步驟如下：

①將煤樣放入干燥箱，40℃干燥24h，去除煤中水分以減小對實驗的影響。

②將煤樣放入特定煤樣罐中，裝入前要在進氣口檢查是否通氣，檢查無誤后裝入煤樣罐，檢查出氣口是否有氣體流。

③開啟控溫裝置，干空氣瓶流量設置為100mL/min，將爐溫設置為40℃，開始進行程序升溫，升溫速率設置為0.8℃/min。

④接入氣相色譜分析儀，每升溫10℃采集一次氣樣并分析其成分。

對實驗結果進行處理后，繪制氧氣體積分數曲線如圖1所示。根據計算結果繪制成耗氧速率隨溫度的擬合曲線圖如圖2所示。

圖1 氧氣體積分數隨溫度變化趨勢

圖2 煤樣耗氧速度與溫度的擬合函數

由圖2可知，煤樣在氧化升溫過程中，耗氧速率隨溫度的增加而增加，對此趨勢進行回歸分析后可得式（5），其中A為0.16479，R0為0.4779，擬合后R平方為0.999，擬合效果很好。當溫度為T，氧氣體積分數為C時，采空區煤樣的耗氧速率為：

在溫度模擬過程中，以采空區進風巷風流溫度為煤的初始溫度。假設煤層頂底板巖層處的溫度和工作面溫度恒定不變，采空區遺煤進行氧化而放出熱量可以用式（6）表示。

式中：q為參加反應的氧氣所生成的氧化熱量，J；a為成堆煤與實驗室中煤樣的氧化速度之比；m為煤質量，g；dO2/dτ為氧化初速度，100/(g·s)；K為氧化速度常數。

綜上，將式（1）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）編譯成孔隙率函數、粘性阻力、慣性阻力、耗氧源項、熱源導入數值模擬軟件中。

(3)物理模型及參數設置

結合百貫溝2506工作面的實際情況建立采空區物理模型，如圖3所示，兩道封堵下采空區物理模型如圖4，封堵區域為采空區兩道區域，長度為4m，封堵墻高度為3m，寬度為2m，定義為孔隙率和滲透率極小的多孔介質區域。

圖3 無封堵采空區物理模型

圖4 兩道封堵下采空區物理模型

采空區工作面寬100m，進回風巷長20m，進回風巷斷面12m2，采空區高40m、深160m。根據現場實際情況結合流體力學相關理論，設定邊界條件如下：

（1）入口條件：進風巷的入口設置為速度入口，風速為2m/s，氧氣的體積分數為23%。

（2）出口條件：回風巷出口設置為自然出流出口。

3.無封堵下采空區氣熱場模擬結果及分析

(1)采空區氧氣場分布

經過模擬得到采空區氧氣分布和三帶分布如圖5。

圖5 采空區氧氣分布

由圖5可以看出，氧氣由進風側進入采空區，由于孔隙率和阻力的原因，隨著深入采空區氧氣體積分數逐漸減少，散熱帶即氧氣大于18%的區域主要分布在進風側區域，回風側氧氣體積分數遠小于進風側氧氣體積分數。量化圖5可知，采空區內進風側散熱帶距工作面0～45m左右，氧化帶即氧氣體積分數大于8%小于18%的區域距工作面45～95m左右，回風側散熱帶距工作面0～5m左右，氧化帶距工作面5～30m左右。

(2)溫度場

采空區內溫度場的形成受到眾多原因的影響，其本質是煤氧化升溫所導致，高溫區域主要分布在氧化帶區域。從圖6來看，高溫點距離工作面70m，沿著工作面走向和采空區深處傾向，溫度逐漸下降。該區域內氧氣含量較高且漏風強度較小，有利于煤氧化熱量積聚形成高溫區域。

圖6 采空區溫度場分布及進風側溫度曲線圖

(3)一氧化碳場分布

采空區的CO體積分數分布如圖7所示，采空區內靠近工作面的區域，CO呈向回風側運移的趨勢且體積分數逐漸增大，在上隅角處達到最大，因為上隅角作為U型回采工作面的漏風匯集處，使CO聚集。采空區內CO高體積分數區域都集中采空區中部的氧化帶區域，隨著距離的深入，CO聚集梯度增加，在中部達到最大值，采空區深部則由于氧氣體積分數過低，遺煤難以發生氧化，所以CO體積分數很低。

圖7 采空區CO分布圖

4.兩道封堵下采空區氣熱場模擬結果及分析

圖8為采空區兩道封堵后的氧氣分布，由于減少了工作面向采空區的漏風，采空區內氧氣體積分數出現下降。在進風側，風流碰撞封堵墻產生渦流，部分流入采空區的風流在低壓下產生回流，使得采空區進風側的氧氣分布呈“人”字形。由于部分封堵布置在回風側，這影響了靠近回風側工作面區域的漏風和采空區內部的回風，壓差導致的風流在回風側封堵前回流，回風側氧氣體積分數維持在較低范圍。工作面中部的漏風未受到影響，部分風流從此處進入采空區，導致采空區靠近工作面中部的位置氧氣體積分數較高。量化三帶數據可得，進風側散熱帶距工作面0～25m，氧化帶距工作面25～50m，回風側散熱帶范圍基本為0，氧化帶距工作面0～8m。

圖8 兩道封堵下的氧氣分布

圖9為兩道封堵后的溫度分布，可以看高溫區域集中在回風側和采空區中部，進風側靠近工作面處由于流入大量恒溫風流，溫度變化不大；采空區中部和回風側聚集大量氧氣，漏風能力差且難以回流，所以更容易蓄熱；采空區深部溫度幾乎無變化。采空區溫度隨著深入采空區先增加后減少，最高溫度為316K，位于回風側距工作面20m處，且從中心向四周呈圈形分布。

圖9 兩道封堵下的溫度分布

圖10為兩道封堵后的采空區CO分布，其分布規律大致與溫度、氧氣分布規律相似，且基本集中在氧化帶范圍。在兩道封堵后，CO體積分數有所下降，流場開始收縮，更加靠近工作面且集中在采空區中部。

圖10 兩道封堵下的CO體積分數分布

將封堵前后采空區進回側氧氣體積分數變化繪制如圖11，圖12。進風隅角為采空區主要漏風點，封堵后采空區進風側氧氣體積分數大幅度下降，回風側則由于堵住回風，氧氣體積分數在靠近工作面處有一定程度增加，但在離工作面后20m后快速降低至無封堵的氧氣體積分數之下。

圖11 封堵前后進風側氧氣體積分數變化

圖12 封堵前后回風側氧氣體積分數變化

從表1中可以看出采空區兩道封堵會降低進回風側散熱帶和氧化帶范圍，其中進風側氧化帶前移20m，氧化帶寬度下降25m。氧化帶面積由2726m2降低為1737m2，氧化帶面積降低幅度為37%。

表1 封堵前后采空區自燃危險區域分布范圍

基于以上分析，封堵后采空區自燃危險區域向工作面靠近，因此在封堵后將進風側注氮位置設置于工作面后20m處。高溫區域向回風側移動，CO流場出現收縮向工作面靠近，回風側有部分CO積聚，因此在回風側也應該設置注氮口，以降低溫度和CO體積分數。

5.結論

本文通過對比分析兩道封堵前后的氧氣、一氧化碳、溫度場及采空區自燃危險區域變化得出以下結論：

（1）由于進風隅角為采空區主要漏風點，將其封堵后采空區進風側氧氣體積分數大幅度下降，回風側氧氣體積分數在靠近工作面處有一定程度增加，但在離工作面20m后快速降低至封堵前的氧氣體積分數之下。

（2）在兩道封堵后，采空區自燃危險區域向工作面靠近，其中進風側氧化帶前移20m，氧化帶寬度下降25m，采空區自燃危險區域面積減小，減小幅度為37%。

（3）在兩道封堵后，采空區內最高溫度降低，高溫區域向回風側移動，CO體積分數下降，流場出現收縮向工作面靠近且集中分布在采空區中部。