Y型通风下采空区自燃CO蔓延规律仿真研究

张 娇，王智懿

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

0 前 言

采空区煤自燃发火是矿山重大灾害之一[1]，且煤矿大部分火灾的产生都是由于煤自燃所导致，采空区自燃往往会产生有害气体(CO)，煤矿采空区一般密封不好，就会漏风，回采工作面进风巷的风流入采空区，将采空区煤自燃产生的有害气体从回风巷带出，这将威胁到井下作业人员的生命安全。国内外学者对采空区煤自燃气体蔓延进行了相关的研究，李宗翔等[2]采用Bachmat方程对采空区煤自燃气体钻孔导流进行了数值模拟研究，关万里[3]对神东矿区的采空区煤自然规律进行了研究，刘伟等[4]对Y型通风下采空区自然发火进行了模拟研究，马步才[5]对采空区煤自燃CO超限防治进行了研究。但很少有学者对Y型通风下采空区煤自燃CO蔓延规律进行研究，本文采用PyroSim火灾仿真模拟软件，构建采空区煤自燃仿真模型，在不同工况下对采空区煤自燃蔓延规律进行仿真模拟研究，以探明Y型通风下采空区煤自燃CO蔓延规律，对于采空区CO钻孔导流及人员的生命安全具有重要的意义。

1 仿真软件介绍与控制方程

1.1 PyroSim介绍

PyroSim是专门用于火灾动态仿真模拟的软件，它可以数值计算出温度、烟雾、CO等多种物质在火灾中的变化、运动规律[6]。它可以模拟同一个模型在不同工况下的火灾仿真结果，可为各种条件下的火灾研究及预测提供可能，故本文采用该火灾仿真软件进行建模仿真。

1.2 控制方程

PyroSim的数值计算是采用适合于低速流动和热驱动的Navier-Stokes方程，采用大涡流流体力学模型处理紊态流动；其中流体的能量、动量和质量控制偏微分方程如下[7]。

能量守恒：

(1)

动量守恒：

(2)

质量守恒：

(3)

式中：ρ为气体的密度，g为重力加速度，u为速度矢量，τij为牛顿流体粘性应力张量，f为外部矢量，p为压力，h为显焓，q"为热通量矢量，q‴为单位体积的热释放速率，Φ为耗散函数。

2 模型构建

2.1 采空区自燃模型

采空区为回采工作面采完后留下的封闭区域，Y型通风下采空区的气体流动简图如图1所示。在此，建立一个规格为200 m×100 m×3 m的采空区，在采空区回采工作面进风巷顶端设置一个2 m×2 m的进风口，在Y型通风采空区回风巷侧面均匀设置19个1 m×1 m的出风口，用以研究巷道通风对采空区煤自燃CO蔓延的影响，由于该模型体积庞大，考虑到计算时间和计算精度，模型中每个网格的大小设置为1 m×1 m×1 m，共60 000单元个网格。

图1 Y型通风下采空区气体流动简图

2.2 边界条件及火源设置

为研究不同工况下采空区煤自燃CO的蔓延情况，设置进风口风速分别为2，4，6 m/s，和两处不同位置的火源，其中一处在采空区中间部位，另一处在靠近回采工作面一侧，共6种工况；为实时监测煤自燃采空区内CO、温度的蔓延规律，故在Z=2.9 m处分别设置CO浓度切片和温度切片；煤自燃发火是由慢到快的一种发火方式，其属于t2型火，火源最大热释放功率为1 055 kW[8]，采空区环境温度设置为20℃，模拟时间设置为1 000 s。

2.3 火源热释放规律

采空区煤自燃发火属于t2火，该火的发生规律符合公式4[9]：

Q=a·t2

(4)

式中：Q为火源的热释放速率；a为火灾发展系数；t为时间。

t2火具有4种类型：超快速、快速、中速和慢速，4种类型的火灾增长速度对应的火灾发展系数分别为：0.187 8、0.046 89、0.011 27、0.002 931，煤自然发火增长速度缓慢，其火灾的发展速度属于慢速；故其系数a为0.002 931，在这种情况下，煤自燃发火火源热释放功率达到1 055 kW则需要600 s，煤自然发火的火源热释放规律如图2所示。

图2 火源热释放规律曲线

3 煤自燃发火规律

在PyriSim软件中建立a、b、c、d、e、f 6种工况的采空区煤自燃发火模型分别进行数值模拟，工况a风速为2 m/s、火源在采空区中间部位，工况b风速为2 m/s、火源在采空区左侧部位，工况c风速为4 m/s、火源在采空区中间部位，工况d风速为4 m/s、火源在采空区左侧部位，工况e风速为6 m/s、火源在采空区中间部位，工况f风速为6 m/s、火源在采空区左侧部位，对6种工况下采空区煤自然发火温度、CO的蔓延规律进行仿真研究。

3.1 温度分布规律

火源热释放功率为1 055 kW，600 s火源热释放达到稳定状态，在此，取火源稳定状态900 s时的温度分布图进行比较，如图3所示，其中(a)(b)(c)(d)(e)(f)分别对应着工况a、b、c、d、e、f在900 s的瞬时温度分布图；由图可知，在两种火源位置下，不同风速的采空区温度分布都是以相对圆形的等温线向外递减，温度的分布与回采工作面进风巷漏进的风量无关；由此，故可以得出采空区煤自燃发火温度的分布与采空区的风速及火源位置关系不大。

3.2 CO分布规律

取火源稳定状态900 s时的CO分布图进行比较，如图4所示，其中(a)(b)(c)(d)(e)(f)分别对应着工况a、b、c、d、e、f在900 s的瞬时CO分布图；由图可知，当火源位于采空区中间部位时，不同风速下CO会向回风巷蔓延，但随着风速的增加CO有向回采工作面蔓延的趋势，此时若进风巷漏进采空区的风量不大，采空区煤自燃发火产生的CO都会进入回风巷被带走，不会对工作面人员造成影响，若漏进的风量过大，则需要采取措施加以控制；当火源位于采空区左侧部位时，不同风速下CO会向回采工作面蔓延，且随着风速的增加CO向回采工作面蔓延越严重，这将对工作面作业人员的生命安全造成威胁，需要采取措施减少漏风，或采取CO钻孔导流，将钻孔钻在靠近回采工作面一侧最有利于CO的导流。

图3 不同工况下900 s采空区温度分布图

图4 不同工况下900 s采空区CO分布图

4 结 语

通过设置6种工况对Y型通风下采空区煤自燃发火时温度、CO的蔓延、分布情况分别进行数值模拟对比研究。发现采空区煤自燃发火时温度的分布与火源位置及风速的关系不大，都是以近似于圆形的等温线向外扩散；当火源位于采空区中间时，CO向回风巷蔓延，但风速越大CO越有向工作面蔓延的趋势；火源位于采空区左侧时，CO向回采工作面侧蔓延，风速越大CO蔓延越严重；故改善采空区的密封性对于井下作业人员的安全具有重要作用；当不清楚采空区煤自燃发火火源的具体位置时，若需要对CO进行钻孔导流，则钻孔的位置最好靠近回采工作面一侧，这将最有利于CO的导流。