采空区注N2后采空区物理场变化数值模拟

摘要：为了研究注氮对采空区内部流场的影响，以某矿122106工作面为研究对象，采用数值模擬的方法，分析注氮后采空区的物理场变化情况，结果表明：采空区注氮后，对采空区氧气浓度场、温度场影响较大，对采空区压力场影响较小。注氮12min至30min内，采空区降温范围和降氧惰化范围沿工作面方向分别从25m和20m扩展至整个工作面方向和70m，沿采空区方向分别从10m和30m扩展至35m和40m。注氮防灭火技术是一种安全、高效的降温降氧的防灭火技术措施。

关键词：注N2;数值模拟;煤自燃

一直以来，矿井煤自燃事故频发，给矿井带来重大的经济财产损失甚至血的教训。随着煤炭行业对安全生产的重视，各种煤矿防灭火技术、装备、工艺、材料在全国各矿井广泛应用，其中，注氮防灭火技术是最早实践、应用最广泛的一种防灭火技术之一。氮气具有不燃、不助燃、防爆、不分层等特性，是一种简单、安全、可靠、高效的防火措施。

为了优化注氮防灭火工艺，国内外学者做了大量的研究，金永飞[1]利用Fluent软件研究不同注氮参数对采空区煤自燃危险区域变化的影响，从而确定最合理的注氮参数;文虎[2]为降低采空区氧浓度，达到防控采空区煤自燃的目的，采用多点间歇式注氮，保证工作面的安全回采;陈晓坤[3]运用Fluent软件研究了不同注氮量、注氮深度、注氮高度对采空区氧气浓度场的影响。

本文借助Fluent软件，对注氮后采空区氧气浓度场、温度场以及压力场变化进行数值模拟和对比分析，考察注氮对采空区物理场的影响。

一、工作面概况

某矿122106工作面为走向长度5910米，倾斜宽度350米，平均煤厚11m，可采走向长度5910米，倾斜350m，平均采高7米，可采储量为1750.57万吨，服务年限17.9个月。122106工作面采用四巷式布置方式，分别包括内回风顺槽、外回风顺槽、辅运顺槽、胶运顺槽。工作面风量3000m3/min。122106工作面开采的2-2煤层为容易自燃煤层，最短自燃发火期为35天。

二、模型建立

遗留有大量遗煤的采空区是一个多组分组成的流体体系，该流场主要包括能量守恒方程、连续性方程、组分输运方程和动量守恒方程等四个控制方程[1]。在数值模拟计算之前，需要确定研究对象的几何模型、边界条件、关键参数等[2]。

1.几何模型

采空区为350m宽×300m深，在该区域煤壁10m内浮煤的厚度7.14m，其余为1.82m。发生渗流的破裂带位于采空区进风口和回风口两侧煤壁之间、煤层底板上方15m以内。由于渗流从整个工作面流向采空区，可以考虑工作面和上下巷40m深度，其中工作面尺寸为5m宽×3.2m高，两条巷道尺寸为5.5m宽×4.3m高。工作面风量为设计配风量，进风侧氧气浓度20.98%，由风量和巷道面积计算出进风速度为2.11m/s。在进风隅角处注N2，管路为4寸管，流量1200m3/h，出口压力为0.6MPa，温度20℃。除开进风巷，计算区域均是壁面，=0。对计算区域进行三维几何模型建立前，先要进行网格划分，即：对于漏风渗透区域，工作面和垂直工作面网格步长1m，垂直于工作面方向的网格步长0.2m;而对于巷道区域及工作面的网格步长为0.4m。据此，建立计算区域三维模型，如图1所示。

2. 边界条件

（1）对于壁面，则有

（2）对于暴露面，则有

其中，是流体压能损失，是工作面摩擦风阻力，是通风流量。

计算区域巷道部分断面面积是基本保持不变的，是属于暴露面，风流在此处是紊流状态，因而流体与井壁以及流体层间都会由于摩擦阻力造成流体压能的损失。工作面摩擦风阻与工作面及巷道长度可以看做是正比关系，这是因为工作面是比较光滑的，而且综放面基本是水平的，各处断面的面积也是基本相同的。

对工作面各点的风量和工作面两端的压差进行测定，然后代入上式，就可以计算出工作面的压力及其分布。

①进口1：暴露面氧气的浓度：体积比21%， 质量比23.0%;进风速度2.11m/s。

②进口2：

压注液态N2浓度：100%

流速：42.5m/s

3.关键参数

（1）空隙率

采空区内多孔介质的空隙率在竖直方向上变化不大，故可假设其只在水平方向上有变化。空隙率n随距工作面距离x的关系如式：

（2）耗氧速率与放热强度

在新鲜风流中采空区松散煤体的放热强度和耗氧速率分别为：

放热强度：（2）

耗氧速率：（3）

（3）相關参数设置

如表1为相关参数设置。

三、数值模拟结果分析

1.注氮后采空区氮气浓度场变化特征

从图2可以看出，注入N2后，渗入采空区很明显，在12min时，其范围大概在沿工作面方向20m左右，沿采空区方向30m左右。在28.8min后，其范围扩展得很明显，沿工作面方向大概70m，沿采空区方向40m左右，可以看出，注氮沿工作面方向扩散较快。因此，注入N2后，扩散效果比较理想。

（1）注入时间12min（2）注入时间28.8min

图2 N2浓度场

2.注氮后采空区氧浓度场变化特征

如图3，注入N2后采空区氧浓度向后扩散。在注入12min后，对采空区氧浓度的降低有限，范围不大，而在注入28.8min后，惰化效果比较明显，沿工作面方向约80m，沿采空区方向在70m左右，氧气浓度均明显降低，起到了明显的惰化降氧效果。

3.注氮后采空区温度场变化特征

从图4可以看出：采空区发生温度交换的场范围不大，新鲜风流进入采空区进行能量交换受限很大，自身能量有限，根据能量守恒定律，能发生能量交换及其范围并不大。发生能量交换比较明显的是在进风侧采空区20-30m处。在注入N2为12min后，降温范围大概在沿工作面方向25m，沿采空区方向约10m。在28.8min后降温范围进一步加大，沿着整个工作面几乎都有，沿采空区方向约35m，起到了明显的降温效果。

4. 注氮后采空区压力场

从图5可以看出，采空区里压力场变化不大，比较稳定，两端压差为50Pa，对于采空区复杂多孔松散介质体系，新鲜风流压降非常明显，在进风隅角处，采空工距隅角约30m时，压力为6.56Pa，40m时约5.64Pa。

四、结论

1）采空区注氮沿工作面方向扩散速度比沿采空区方向快。采空区注氮后，对采空区氧气浓度场、温度场影响较大，对采空区压力场影响较小。

2）注氮12min至30min内，采空区降温范围沿工作面方向从25m扩展至整个工作面方向，沿采空区方向从10m扩展至35m。

3）注氮12min至30min内，采空区降氧惰化范围沿工作面方向从20m扩展至70m，沿采空区方向从30m扩展至40m。

参考文献：

[1]金永飞，杨正伟，孙超，刘文永，郭军.基于FLUENT的注氮参数对采空区煤自燃防治的影响研究[J].煤炭技术，2018，37（11）：230-233.

[2]文虎，胡伟，刘文永，张泽，程双礼.色连二矿12205工作面收作期间防火技术[J].煤矿安全，2017，48（04）：75-78.

[3]陈晓坤，张华威，翟小伟，赵彦辉，王栋.注氮对采空区氧气分布影响的数值模拟[J].煤矿安全，2014，45（11）：23-26.

[4]文虎，张泽，赵庆伟，刘文永，郭军.煤层分层前后采空区自燃“三带”的数值模拟[J].煤矿安全，2017，48（03）：178-181.

作者简介：杨彪（1986-），男，汉，陕西合阳人，本科，2010年毕业于中国矿业大学，中级通风安全工程师，现从事“一通三防”工作。