基于Fluent对火区下近距离煤层工作面CO异常涌入的数值模拟

王 刚，孙晋安，王海洋

（1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室 （培育），山东 青岛 266510；3.枣庄联创实业有限责任公司，山东枣庄 277011）

我国西部许多矿井的煤层资源埋藏较浅，上部小窑煤矿滋生。由于小窑煤矿多采用房柱式或以掘代采的开采方式，长期的漏风供氧极易形成大面积的煤炭自燃火区［1－2］。在开采火区下的近距离煤层时，由于工作面上部火区存在大量CO等有害气体，对工作面的安全生产构成了严重威胁。

火区下近距离煤层采煤工作面上部存在火区，有害气体浓度高、漏风通道多且复杂、漏风规律紊乱、高温火源点隐蔽性强等特点［3－4］，给工作面的安全回采带来严重威胁，同时也给防灭火工作带来了很大难度。目前，在应对近距离煤层上部火区时，为了有效防止上部火区有害气体异常涌入工作面，往往采用在工作面布置正压通风系统的方式［5］。为了进一步明确正压通风系统对火区下近距离煤层开采时的有效性及影响程度，对30110工作面在采用正压通风的情况下，考虑到上部采空区大面积顶板垮落的危险情况，结合Fluent软件对采空区漏风和CO浓度进行了数值模拟分析。

1 采空区顶板垮落形成冲击气流理论模型

火区下近距离煤层工作面回采期间，上部采空区一旦发生大面积顶板垮落，垮落顶板向采空区快速运动，采空区内的空气被突然压缩。此时，由于采空区内的气体运移过程滞后于空气受压缩过程，采空区内气体压力急剧增大，形成冲击气流，从而使采空区内的有害气体向工作面喷涌而出，威胁工作面的安全生产。

冲击气流的形成过程，从时间上可分为三个阶段。第一阶段，采空区大面积顶板瞬时冒落，采空区气体被突然压缩，压缩气体涌入采空区前的瞬间。此阶段开始过程中，采空区气体压强升高；此阶段最后状态，压缩气体刚刚准备涌入采空区，但还未涌入。第二阶段，压缩气体涌入采空区的前瞬间，到压缩气体涌入采空区瞬间。此阶段开始状态为第一阶段的最后状态，压缩气体刚刚准备涌入采空区，但还未涌入；此阶段最后状态，压缩气体刚刚涌入采空区，即涌入采空区的气体极少。第三阶段，气体涌入采空区瞬间，到冲击气流冲击采空区内垮落的岩石。此阶段大量气体涌入采空区，直到冲击采空区内垮落的岩石。

2 采空区渗流特性分析

采空区是由冒落岩石和遗煤等多孔介质充填的立体空间，富含孔隙和裂隙，具有多孔介质的特性［6－7］。同时，采空区内部的冒落岩石和遗煤的压实程度差异很大，孔隙呈不均匀分布和随机分布状态。因此，采空区多孔介质一般为非均匀多孔介质。采空区内部孔隙尺寸分布情况与采煤工作面采高、冒落煤岩的大小和排列状况、开采层和邻近层的岩性、原始应力和采动应力等因素有关。采空区内存在采动孔隙和原有孔隙等两种特性差异很大的孔隙。一般来说，采动孔隙的尺寸和渗透性都较原有孔隙要大。采动孔隙不仅在空间上分布不均，且在采动过程中也随着所受采动压力的变化而变化。因此，气体在采空区的流动，主要表现为气体在非均匀采动孔隙为主的多孔介质中的渗流。

采空区的渗流特性，包括多孔介质自身的特性和流体在多孔介质中渗流特性。多孔介质的孔隙率和渗透率是影响整个采空区漏风流场的重要参数［8］。

3 采空区气体流动的数学模型

3.1 多孔介质的Darcy定律

通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型可简化为Darcy定律

在多孔介质区域三个坐标方向的压降为

式中：1/aij为多孔介质动量方程中矩阵D的元素；vj为三个方向上的分速度；Dnx、Dny、Dnz为三个方向上的介质厚度。

3.2 连续性方程

式中：n为相数；t为时间；αk为第k相流体的体积分数；ρk为第k相流体的密度；为第k相流体的速度；ρ是混合相密度，混合相的质量变化量，描述了质量源的质量传递。

3.3 动量守恒方程

混合模型的动量方程，可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得。它可表示为

式中：是体积力；μ是混合相黏性，μk为第k相流体的黏性；是第k相的飘移速度，

3.4 能量方程

式中：keff是有效热传导率；T是热力学温度；SE是能量源项。

4 数值模拟物理模型及基本参数设置

4.1 工作面概况及物理模型创建

龙华煤矿现主采3－1煤层，上部2－2煤层已经由小煤窑采用房柱式采煤法开采，且部分区域进行了露天剥离采煤，长期的漏风供氧使2－2煤采空区形成了大面积自燃火区。2－2煤与3－1煤的层间距约30～40m，属近距离煤层，30110工作面是目前3－1煤层正在回采的工作面，工作面上部火区存在大量有害气体，其中CO平均浓度约10000ppm，最高可达15000ppm。

30110工作面的实际几何参数如表1所示，建立的相应物理模型如图1所示。

表1 工作面物理模型几何参数

图1 30110工作面数值模拟的物理模型

4.2 网格划分及条件设定

利用ICEM CFD建立工作面三维模型，将坐标原点定在工作面回风巷外侧。采用Submap方法，将一个不规则的区域划分为几个规则区域，分别划分结构性网格。整个模型划分的网格数量约为25万个，所有部分均划分为Hexahedron（六面体），网格划分示意图如图2所示。数值模拟的边界条件及相关参数的确定如表2所示。

表2 边界条件及相关参数

图2 30110工作面采空区网格划分

5 数值模拟结果及分析

采用FLUENT软件对30110工作面处于正压通风状态时，上部2－2煤采空区顶板发生大面积突然垮落后，30110工作面采空区的漏风流速和CO浓度进行了模拟分析。在顶板垮落0.2s、0.4s和1.1s后，30110工作面采空区的漏风流速及分布如图3～5所示，CO浓度及分布如图6～8所示。

由图3～5可以得出，在30110工作面处于正压通风状态时，当工作面上部采空区发生大面积冒落后0.2s时，上部采空区流场发生突然变化，漏风流速沿采空区至工作面方向呈递增趋势，但是30110工作面空间流场并没有受到影响；当上部采空区冒落0.4s时，上部采空区流场受影响的范围稍有增大，漏风流速也有所增大，30110工作面空间流场未受到影响；在上部采空区冒落1.1s时，上部采空区流场受影响的范围增大，其中回风隅角处上部采空区的流场变化格外明显，但是30110工作面空间流场受到的影响仍然很小。因此，30110工作面采用正压通风时，在工作面上部采空区发生大面积冒落后的0.2～1.1s过程中，工作面上部采空区流场发生变化，漏风流速不断增大，但是对工作面流场影响不大。

由图6～8可以发现，在上部采空区发生大面积垮落的0.2s时，在工作面上部采空区产生了一个CO聚集区，沿工作面方向均匀分布，对工作面没有造成影响；在上部采空区发生大面积垮落后0.4s时，工作面上部采空区的CO聚集区扩大，自上而下CO浓度逐渐降低，沿工作面方向均匀分布，CO未涌入30110工作面空间；在上部采空区发生大面积垮落后1.1s时，工作面上部采空区的CO聚集区进一步扩大，但是CO没有涌入30110工作面空间，对工作面的安全生产仍然没有构成威胁。因此，正压通风可有效防止在工作面上部采空区发生大面积垮落时，采空区内CO涌入工作面，对于保障工作面的安全高效开采具有重要作用。

图3 采空区漏风流速分布示意图（垮落0.2s）

图4 采空区漏风流速分布示意图（垮落0.4s）

图5 采空区漏风流速分布示意图（垮落1.1s）

图6 采空区CO浓度分布示意图（垮落0.2s）

图7 采空区CO浓度分布示意图（垮落0.4s）

图8 采空区CO浓度分布示意图（垮落1.1s）

6 结论

1）30110工作面采用正压通风时，在工作面上部采空区发生大面积冒落后的0.2～1.1s过程中，工作面上部采空区流场发生变化，漏风流速不断增大，但是对工作面流场影响不大。

2）当30110工作面采用正压通风时，在工作面上部采空区发生大面积冒落后0.2～1.1s过程中，在工作面上部采空区产生了一个CO聚集区，该聚集区自上而下CO浓度逐渐降低，沿工作面方向均匀分布，并且随时间的推移，该CO聚集区范围逐渐增大，但是CO并没有涌入到30110的工作面空间。因此，正压通风可有效防止上部火区有害气体涌入工作面，对于保障火区下近距离煤层工作面的安全开采具有重要意义。

3）在30110工作面采用均压通风方式期间，工作面并未检测到CO的出现，与数值模拟结果相吻合。Fluent数值模拟，可以为火区下近距离煤层的开采提供依据。

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