基于FLUENT的采空区自燃“三带”分布规律研究 *

杨夺，王文才，郝明

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；3.达拉特旗苏家沟煤炭有限责任公司 苏家沟煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 014399)

近年来，采空区自燃“三带”划分理论己得到很大的发展，其研究手段多种多样.一种是采空区实测数据，用CFD软件进行数值模拟来计算氧化升温带的范围；第二种是采煤工作面现场实测采空区氧气浓度和温度数据，统计出采空区自燃“三带”范围；李宗翔[1]提出研究多孔介质渗流方程和氧浓度平衡方程为基础，建立数学模型，同时考虑采空区漏风风流场和氧气浓度分布场来确定自燃“三带”；西安科技大学邓军等[2]研究出采空区煤炭自燃的定量标准，如自然发火最小浮煤厚度、最小氧气百分比等.

通过数值模拟方法，可以确定工作面采空区自燃“三带”的范围.从而确定煤炭自燃危险性.基于苏家沟煤矿4109工作面生产技术条件为背景，采用fluent数值模拟软件对苏家沟煤矿综采工作面采空区漏风流场进行了数值模拟，得出氧化带、散热带和窒息带的范围，为采空区防灭火提供数据支持.

1 数值计算模型的建立

利用二维方程建立苏家沟煤矿4109工作面采空区的模型，根据苏家沟煤矿4109工作面实际情况，采空区纵深取300 m，工作面长度200 m，配风量1 340 m3/min.工作面模型尺寸见表1.

表1 数值计算模型尺寸表

采空区的孔隙率从工作面内向深部孔隙率逐渐减小是由于采空区内冒落的岩石，浮煤等压实程度不同导致的.越靠近工作面多空区域的空隙率会越大，我们逐级划分为5个多孔介质区域[3].

具体的参数见表2所示.黏性阻力系数就是气体在采空区内渗流的能力，表中为渗透率的倒数，其值越大说明流体在多孔区域内流动的越困难.不同多孔介质区域的惯性阻力系数默认是一样的.

表2 数值计算模型参数选取表

2 数值计算的模型验证

采用fluent数值模拟软件，在现场实测工作面配风量为1 340 m3/min的情况下，残差监控在模拟过程中的迭代情况如图1所示，采空区氧化带分布如图2所示.氧化带划分采用采空区漏风风速指标0.001 6～0.004 m/s.

由图1可知，当迭代到160步左右时，残差值降到0.01以下，说明迭代结果是在误差允许范围内的.4109工作面采空区内氧化带分布见图2.

由图2可知，工作面配风量为1 340 m3/min时，4109工作面氧化带范围为进风侧40～120 m，回风侧33～115 m，工作面中部38～109 m.而现场实测得出采空区散热带范围为距工作面0～39.73 m，4109工作面配风量为1 340 m3/min时，氧化升温带范围为距工作面39.73～115.66 m，窒息带范围为距工作面115.66 m以远.数值模拟和现场实测误差较小，数值模拟具有较高的可靠性.扩散规律符合采空区气体浓度分布实际是根据fluent数值模拟采空区漏风风速分布云图得出的.可见对于以上模型建立的基础及模型参数(孔隙率和渗透率)取值是具有一定科学意义的，能够反映采空区实际氧化带分布的情况[4，5].

3 不同风量时自燃“三带”分布

以该模型为基础模拟现场几个有代表性意义配风量(1 050，1 340，1 640 m3/min)情况下采空区氧化带分布情况，如图3所示.

由图3中模拟结果可以清楚地看到，当工作面配风量增加时，因为采空区进回风两侧控顶距大两帮悬空未能及时导致垮落采空区进回风巷俩侧的氧化带距离工作面的距离的变化要比采空区中部的宽度大，相比采空区中部冒落压实程度较小，渗透率和孔隙率也比较大，受漏风影响较大，进回风巷两侧漏风的风速比较大，因此距离工作面的距离较远.采空区的顶板采用自燃垮落方法进行处理，冒落岩石的垮落程度随着工作面的向前推进越来越大，压实程度逐渐加大，其渗透率和孔隙率变得很小，因此采空区中部受漏风的影响不如进回风两侧[6].

根据工作面不同配风量(1 050，1 460，1 260 m3/min)情况下采空区氧气浓度的分布得出的结果如表3所示.依据不同配风量采空区漏风风速云图以及表3可以看出，配风量增大时，采空区氧化带的宽度也随之增大.

表3 不同风量情况下采空区自燃“三带”分布规律表

4 结论

根据数值模拟结果，4109工作面配风量为1 340 m3/min时，采空区氧化带范围为进风侧40～120 m，回风侧33～115 mm，工作面中部38～109 m.综合现场实测与数值计算结果得出苏家沟煤矿综采工作面采空区散热带范围滞后工作面0～40 m，氧化升温带范围滞后工作面40～115 m，滞后工作面115 m以远为窒息带.