上隅角CO涌出防控数值模拟研究

刘 超，陈 真，杨 彪，毛少军，张慧峰，杨程帆

(1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 719000；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

陕北地区不少矿井工作面存在上隅角CO异常涌出的现象，原因包括采空区遗煤氧化产生CO、工作面生产过程中产生CO、井下交通工具产生CO等在工作面上隅角聚集。CO作为一种有毒有害气体，如果井下现场人员长期处于高CO状态，体能会受到影响，甚至出现不良身体反应。因此，一旦CO在工作面上隅角聚集或涌出，会严重威胁工作面安全生产环境，危害井下工人的身体健康，影响工作面正常生产[1]。小保当一号井112207综采工作面回采期间，在工作面无任何自然发火迹象的情况下，上隅角CO浓度较大，特别容易造成煤自燃火灾预测预报的误报，甚至出现CO超限的现象。针对这一问题，利用FLUENT流场数值模拟软件，研究工作面上下端头设置临时密闭，对综采面上隅角CO涌出的防控具有实用价值。

1 工作面概况

小保当一号井112207综采工作面位于2-2煤11盘区，西部相邻112201采空区，东部布置112208工作面正在掘进顺槽，北至2-2辅运大巷，切眼中线距离南部井田边界26 m。直接顶为厚度1.25～11.47 m的细粒砂岩，老顶为厚度4.07～35.29 m的中粒砂岩，直接底为厚度8.19～26.62 m的砂质泥岩及粉砂岩，老底为厚度2.9～14.37 m的砂质泥岩。煤层倾角不足1°，煤层厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，容重1.32×103kN/m3，根据井下实际情况设计采高5.7 m。

小保当一号煤矿开采方式为大采高煤层开采，回风隅角CO主要来源有煤层原生CO气体、采空区遗煤氧化释放CO、煤层采掘过程产生CO和矿用胶轮车产生CO。

2 采空区数值模拟三维模型及参数设置

2.1 控制方程

工作面开采过后，采空区顶板垮落，采空区内充满了垮落下来的块状破碎岩石，覆盖遗留在采空区内部的松散煤体，形成多孔流场区域。采空区内破碎岩体及松散煤体之间的裂隙在采空区内分布极为丰富，根据这些特征基本允许将松散煤体和岩体均视为均匀的多孔介质，仅需在模拟时设置不同的渗流参数作为区分即可[2 -5]。在渗流模型中，漏风强度仅考虑平均意义下的，也就是通过单位面积松散煤体的漏风量[6 -7]。在设定的计算区域内，流体的密度保持不变，空气渗流应当符合达西定律[8 -9]。常温常压下松散煤体吸附平衡且氧化缓慢，氧化消耗的氧气量和产生的气体产物等量。根据菲克定律，空气中各组分扩散是从浓度最高处向最低处进行的[10 -11]。因为煤自燃是一个非常缓慢的过程，所以工作面在正常推进时，可以将采空区的渗流、扩散及化学反应考虑成一个稳态过程。因此采空区温度基本可以认为保持不变[12]，故控制方程如下

2.2 采空区物理模型

根据现场观测，112207综采工作面采空区会有一定厚度浮煤，现阶段因为采空区浮煤厚度分布的复杂性和采空区的封闭性，还没找到准确测量浮煤厚度的方法。在预测煤自燃的过程中浮煤厚度的测量是通过间接测算的方法[13]。

112207综采工作面位于小保当一号井2-2煤11盘区，煤层平均厚度为5.7 m，工作面走向长5 630 m，倾斜长350 m，采高为5.7 m。112207综采工作面胶运顺槽6.5 m×4.25 m(宽×高)，回风顺槽5.4 m×4.4 m(宽×高)。工作面回采率在95%左右，遗煤的空隙率定为30%。根据现场观测，估算出采空区平均浮煤厚度。

浮煤厚度：5.7×(1-0.95)/(1-0.3)=0.41 m。

采空区两道浮煤厚度：进风侧(5.7-4.25)/(1-0.3)=2.07 m。回风侧(5.7-4.4)/(1-0.3)=1.86 m。

对采空区流场进行模拟，首先构建采空区几何模型。本次所模拟的区域为一个350 m×300 m×30 m的立体区域，其中X轴方向为工作面倾向方向，Y轴为工作面走向方向，Z轴为垂直方向。三维模型如图1所示。并在进回风端头各设置一道临时密闭，临时密闭尺寸与现场实际相同，工作面临时密闭位置如图2所示。

图1 采空区三维几何模型Fig.1 3D geometric model of goaf

图2 工作面临时密闭位置Fig.2 Temporary sealing position of working face

通过ANSYS Workbenchd中的网格划分软件Mesh，对图2中的几何模型进行网格划分。整体采用非结构化网格进行划分，并对局部进行细化，非结构化网格主要以四面体网格为主，以六面体网格为辅。网格划分结果如图3所示，采空区立体空间划分的网格质量良好，可以满足采空区流场模拟的要求。

图3 三维模型网格划分Fig.3 Mesh division of 3D model

2.3 关键参数设置

2.3.1 材料设置

根据实验测定的CO产生速率，编写UDF，在数值计算过程中加载到遗煤区域的源项中。采空区松散煤体和岩体的相关参数见表1。

表1 材料设置

2.3.2 边界条件

暴露面：进风口O2体积百分比为21%；质量百分比为23.3%；温度为300 K。

进风口风速：根据工作面供风量计算得出进风巷风速为1.68 m/s。

回风巷出口：设定为自由出口。

3 数值模拟结果及分析

基于建立的数值模拟模型，在相同的边界条件前提下，分别对端头无临时密闭和有临时密闭的采空区流场进行模拟。

3.1 速度场分析

上述2种情况下的采空区速度场云图，如图4、5所示。两图对比可以看出，在无临时密闭的情况下，工作面部分新鲜风流从进风端头直接进入采空区中，采空区内的气体从工作面回风端头涌出，形成一个漏风源和一个漏风汇的过程。相比之下，在工作面进回风端头增设临时密闭后，工作面的风流速度略微增大，进风端头流入采空区的风流减小，同时，因临时密闭的影响，采空区气体从回风端头涌出受阻。这说明，工作面进回风端头建立临时密闭对采空区漏风封堵以及气体涌出防控具有一定的作用。

图4 无临时密闭采空区速度云图Fig.4 Velocity cloud map of goaf without temporary sealing

图5 有临时密闭采空区速度云图Fig.5 Velocity cloud map of goaf with temporary sealing

3.2 CO浓度场分析

图6为工作面进回风端头无密闭和有密闭2种情况下，采空区内部空间的CO浓度场云图。从图中可以看出，在采空区中，采空区回风侧区域积聚的CO浓度比采空区进风侧区域积聚的CO浓度大。在采空区漏风流场的影响下，CO气体从工作面上隅角涌出。总体来说，沿工作面倾向方向，距离回风侧越近，采空区内部的CO浓度越大，上隅角处的CO浓度能达到0.035‰～0.040‰，这也与现场上隅角CO浓度较为吻合。沿工作面走向方向，采空区深部的CO浓度大于靠近工作面的CO浓度，这是由于新鲜风流从进风端头进入采空区后，在采空区内形成流场，经过采空区遗煤后，O2不断被消耗，CO不断产生，CO浓度逐渐增大。

用Fluent软件从CO浓度场云图中提取采空区回风侧CO浓度数据，如图7所示，为采空区走向方向回风侧CO浓度随采空区深度的变化规律。

图6 采空区CO浓度场Fig.6 CO concentration field in goaf

图7 采空区走向方向回风侧CO浓度Fig.7 CO concentration at the return air side in the goaf direction

从图中可以看出，随着采空区深度的加深，CO浓度迅速增大，这是由于模拟过程中，采空区遗煤氧化产生的CO在采空区积聚的表现。对比分析图7(a)和图7(b)，工作面上下端头无临时密闭时，采空区内的气体从上隅角涌出，导致上隅角和回风巷道10 m范围内出现CO，CO平均浓度沿回风巷风流方向逐渐降低。在工作面上下端头设置临时密闭后，上隅角CO浓度骤降，回风巷道10 m范围内CO浓度最低为0.001‰。

由此表明，在工作面上下端头建立临时闭墙，一定程度上可以减小工作面向采空区漏风，同时可以减少采空区气体向工作面上隅角涌出。

4 结论

(1)在工作面进回风端头无临时密闭时，工作面新鲜风流从下隅角流入采空区中，为采空区遗煤氧化供给氧气，产生的CO从上隅角涌出。

(2)在工作面进回风端头设置临时密闭，一方面，可以减小采空区漏风，另一方面，可以减少采空区气体向工作面上隅角涌出。因此，端头密闭可对工作面上隅角CO防控起到一定作用。