采空区煤自燃三带数值模拟研究

杨国权

(阳泉煤业集团 五鑫煤业有限公司,山西 保德 036600)

采空区煤自燃三带数值模拟研究

杨国权

(阳泉煤业集团 五鑫煤业有限公司,山西 保德 036600)

基于矿井综放面采空区自燃“三带”实测数据, 利用FLUENT软件对采空区流场的分布进行了数值模拟研究,得出:不同风量下工作面采空区漏风流场的形态, 即不同供风条件下工作面采空区自燃“三带”的区域分布;在氧气浓度为7%～15%时,工作面的最大氧化带宽度为28.00 m;综放面的连续推进速度小于1.75 m/d(工作面月推进量小于52.5 m)时,工作面采空区将有发生自燃发火的危险。所得结果对预防采空区自燃,促进煤矿安全生产具有指导意义。

数值模拟;自燃“三带”;流场分布;速度分布

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一,大多发生在采空区附近[1]。因此,研究采空区自然发火的分布规律和自燃安全性,对提高煤炭自燃安全性,提高综采工作面安全具有重要意义。

针对采空区煤自燃,有大量相关学者进行了研究。综合来看,主要通过实测试验以及数值模拟与实测相结合两种方法来进行采空区煤自燃“三带”的研究。孟宪锐等对鹿洼煤矿采空区煤自燃三带分布规律进行了研究,得出煤自燃三带分布范围及防治煤自燃的最小推进速度[2];刘松等研究得出采空区自燃“三带”会随着工作面的推进不断前移,而且自燃“三带”的范围也会有规律的循环的不断变化[3],谢军等利用氧气浓度和浮煤厚度作为“三带”划分指标,对实际的采空区自燃三带进行了划分[4],

更多的还是采用数值模拟与实测相结合的方法研究采空区煤自燃“三带”分布规律,有的学者利用FLUENT软件模拟采煤工作面采空区的氧浓度场,通过双指标法划分采空区自燃“三带”[5-6];有的学者在实测的基础上运用数值模拟进行验证,确定出采空区自燃氧化的“三带”分布状况[7-9]。

通常采用在井下埋管取样测定的方法来确定采空区煤的自燃“三带”划分[10]。由于井下取样点的位置和数量的限制,本文采用FLUENT数值模拟的方法,模拟结果的精度是由测量渗流场数据验证,采空区自燃区的范围由平面显示技术手段给予进一步验证了实际观测结果的正确性。采用计算机模拟和现场试验相结合的方法,分析了采空区内流场的分布情况。利用风速指数和氧浓度分布范围,得出综放工作面采空区“三带”范围。

1 数值模拟基本参数及设置

根据从现场实测采集回来的数据,建立三维采场物理模型见图1,包括进风巷、工作面、采空区、回风巷。

1-a 采场物理模型(单位:m)

1-b 局部放大图(单位:m)图1 采场物理模型三维图Fig.1 3D map of physical model of mining area

1) 进风巷宽4.7 m高3.5 m,回风巷宽4 m高3.5 m。回采工作面倾向长160 m,宽5 m,高3.5 m,倾角取6°。采空区走向长取200 m,竖直方向上,从底板向上分别是遗煤区、冒落带其他部分和裂隙带。遗煤区、冒落带(包含遗煤区)和裂隙带分别取3 m、12 m、35 m。

2) 模型在设定重力加速度时考虑了采空区的倾角的影响,设定如下:

gx=0 m/s2;

gy=-9.81 m/s2sin6°=-1.025 4 m/s2;

gz=-9.756 26 m/s2.

3)采场模型采用submap方法进行网格划分,采用六面体结构化网格划分方法,网格间距设为1.5 m,由于对采场的局部需要细化,使用y+自适应网格对局部进行细化,网格数量总数约为50万个。

4)考虑浮力的影响,利用Realizable型k-ε湍流模型计算工作面采空区地表流场。

5)考虑到整个组分的扩散效应,采用Species Model模型计算工作面采空区浓度场,将混合气体设置为methane-air。

6)采空区遗煤区、冒落带和裂隙带均设置为多孔介质区域。根据“O”形圈在采空区开采断裂面的理论,孔隙中多孔介质的孔隙度和渗透率是空间的函数。本文基于Visual Studio 2012环境,根据相关公式对Fluent进行了两次开发,并对遗煤区、冒落带和裂隙带的孔隙度和渗透率不均匀分布的UDF函数进行了汇总。

7)考虑到遗煤区O2的衰减,CH4的涌出及CO、CO2的生成,根据模拟结果编写了相对应的源项UDF函数。

进风巷进风口设定为速度入口(velocity-inlet),风速设为1 000 m3/min,即1 m/s,混合气体的组分设为氧气21%,其余为氮气;根据现场的测定数据,回风巷出风口设定为为压力出口(pressure-outlet),相对压力值设为-21 Pa;区域之间的交界面设为内面界面(interior);壁面边界设为无滑移静态壁面(wall)。

模型解算初始化时,将遗煤区、冒落带和裂隙带的瓦斯浓度初值设为100%;将工作面的氧气浓度初值设为21%(质量分数为23.23%),使用CFF(Custom Field Function)将工作面相对风压初值设为p=-10.5-0.131 25x.

2 结论分析

2.1采空区漏风流场的分析与讨论

采空区内流场的分布是影响采空区的成分、浓度分布和“三带”划分的重要因素。氧气供给和持续蓄热是煤自燃的主要条件,风速的大小决定了煤的蓄热程度。对采场漏风的研究中[11-12],人们普遍认为,风速在矿区之间[0.1 m/min～0.24 m/min],是煤发生自燃的危险区域。

通过计算机数值模拟绘制综放面采空区风速分布的速度云图、矢量图及等值线图,见图2,图3,图4所示。

图2 风速矢量图Fig.2 Vector diagram of wind speed

图3 采空区风速[0.1,0.24]云图Fig.3 Cloud map of wind speed in goaf [0.1, 0.24]

图4 风速[0.1,0.24]等值线图Fig.4 Contour map of wind speed [0.1, 0.24]

由图2-图4可知,工作面空气泄漏到采空区是客观存在的,给工作面通风时,工作面端头入风处将有部分风流漏向采空区,有时采空区内也存在其它一些漏风地点,漏风量的多少直接影响采空区风速流场分布,风速大小对遗煤的氧气供给也有重要影响,因此,这些漏风往往是采空区自燃的隐患[13],采空区遗煤涌出的气体和漏风风流混合,混合后的气流从采空区的回风巷排出。根据对采空区漏风流场风速模拟,得出距回风巷0 m、40 m、80 m和120 m时氧化自燃的分布范围,汇总如表1所示。

表1 氧化自燃的分布范围Table 1 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.2采空区氧气浓度分布的分析与讨论

通常认为,氧气浓度下限值为7%才能够抑制煤自燃的发生[14]。为了显示综放面采空区氧化散热带,氧化自燃带,缺氧窒息带三带的氧气浓度分布,绘制图5、图6、图7来分别显示采空区不同氧气浓度分布范围。

图5 采空区氧气浓度[0,7%]云图Fig.5 Cloud map of oxygen concentration in goaf [0, 7%]

图6 采空区氧气浓度[7%,15%]云图Fig.6 Cloud map of oxygen concentration in goaf [7%, 15%]

图7 采空区氧气浓度[15%,21%]云图Fig.7 Cloud map of oxygen concentration in goaf [15%, 21%]

根据采空区氧气浓度模拟结果,得出距回风巷0 m、40 m、80 m和120 m时氧化自燃的分布范围,汇总见表2。

表2 氧化自燃的分布范围Table 2 Distribution of oxidation spontaneous combustion (m)

2.3基于“三带”的工作面最小推进速度

采用了计算机数值模拟和现场实测采集数据方法,通过对漏风风速和氧气浓度变化进行数值模拟、对氧气浓度变化实测三种手段,计算并且预算工作面 “两道一线”自燃“三带”的分布规律。 三种方法的计算和预测结果总结在表3中。

表3 自燃三带分布结果汇总表Table 3 Distribution of Three-zone of spontaneous combustion

根据表3所得结果,工作面采空区氧化自燃带宽度通过优化并最终确定为28.00 m,氧化自燃带宽度的确定以便于能够有效及时地识别采空区自燃氧化状态,对可能出现的自燃危险及时采取有效的防范措施,预防煤自燃的发生。

综采放顶煤工作面13号煤,煤的自燃倾向性为容易自燃,自燃发火期为3～6个月,根据现场情况确定最短发火期为20 d。由此可以看出,降低自燃的工作面的最低推进率下式计算为[15]:

式中:Vmin为降低自燃的工作面的最低推进率,m/d;Lmax为氧化自燃带最大宽度,m;k为备用富余系数,取1.25;Tmin为最短发火期,d。

通过上述分析与计算可以得出:综采工作面的推进速度是影响煤自燃的重要因素,当综采工作面的连续推进速度超过1.75 m/d(工作面月推进量大于52.5 m)时,达不到自燃发火的条件,故工作面采空区没有自燃发火危险。当综放面的连续推进速度小于1.75 m/d(工作面月推进量小于52.5 m)时,自燃发火的条件就容易达到,工作面采空区将有发生自燃发火的危险,综采工作面的推进速度确定对煤自燃防范有重要意义。

3 结束语

根据现场实际测得的数据,利用FLUENT软件模拟了漏风量变化、漏风速率变化和氧浓度变化的自燃“三带”分布。在氧气浓度为7%～15%时,得到工作面最大的氧化带宽度为28.00 m,得出了综放面的最低推进速度,当综采工作面连续推进速度不超1.75 m/d(工作面月推进量小于52.5 m)时,工作面采空区将有自燃发火的危险。研究结果对防止采空区自燃,促进煤矿安全生产具有指导意义。

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NumericalSimulationonThree-zoneofSpontaneousCombustioninGoaf

YANGGuoquan

(WuxinCoalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,Baode036600,China)

Based on the field data of spontaneous combustion three-zone in goaf in fully-mechanized working face,FLUENT was used to simulate flow field distribution.The form of air leakage flow field was obtained under different wind volume,that is the regional distribution of the spontaneous combustion three-zone in different air supply conditions.When the oxygen concentration ranges from 7% to 15%,the maximum width of the oxidizing zone is 28.00 meters.When continuous advancing speed of the working face is less than 1.75 m/d (advancing distance per month is less than 52.5 meters),there will be fire risk in the goaf. The research results are useful for the control and prevention of the spontaneous combustion in the goaf and safe production in the mines.

numerical simulation;three-zoneof spontaneous combustion; flow field distribution; velocity distribution

1672-5050(2017)04-0061-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.018

2017-06-23

杨国权(1972-)，男，山西盂县人，大学本科，助理工程师，从事通风与安全工作。

TD752

A

(编辑:樊 敏)