W型通风采空区自燃带和瓦斯运移规律的数值模拟

刘佳佳,高建良,王 丹

(1．黑龙江科技大学 安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027；2．河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003； 3．河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验，河南 焦作 454003)

0 引言

随着煤矿开采深度的不断增加，煤层瓦斯压力、瓦斯含量明显增大，采掘工作面和采空区的瓦斯涌出量迅猛增加，严重制约着煤矿的高效安全生产。根据统计资料来看，采空区是工作面乃至整个矿井瓦斯涌出的主要来源和灾害源之一，约占工作面瓦斯涌出的30%～80%[1]，许多重大事故的发生都与采空区有关系。

煤矿采空区的灾害形式主要有煤自燃和瓦斯超限引发的瓦斯事故两大类。从理论研究和现场实践来看，改变工作面的通风方式是解决采空区两大灾害的有效途径，针对工作面采用W型通风系统条件下采空区自燃和瓦斯运移规律的研究，国内外的专家学者做了一些研究，赵文华研究了偏W型通风方式治理近距离煤层群工作面上隅角瓦斯超限的问题，对类似矿井具有重要的借鉴价值[2]；李宗翔采用Matlab开发计算程序对W型通风冒落采空区流场进行了研究，得到了风流流场的分布规律[3]；周爱桃等通过建立数学物理方程，研究了在不同工作面供风量和抽放情况下的采空区煤自燃和流场分布规律，得出采空区不同瓦斯治理参数和自燃的对应关系[4]；吴玉国等采用矿用移动式束管采样、色谱分析系统和CFD数值模拟的方法，研究了工作面双U型通风方式下，采空区瓦斯分布规律，为指导采空区瓦斯抽放措施提供了理论依据[5]；秦跃平等比较了U型和W型两种通风方式下综放开采三维采空区瓦斯运移特征，由于相似模拟实验受到流场扰动、模型尺寸、人身安全和测量精度的限制，无法得到较精确的实验结果[6]。王勇研究了采煤面采用W型通风系统的优缺点，得出了W型通风系统对于解决瓦斯积聚、通风防尘等方面都有很好的效果[7]。

目前，国内外关于工作面采用W型通风系统采空区自燃带和瓦斯运移规律的研究较少，笔者以焦煤集团某矿2303工作面为例，采用计算流体力学(CFD)软件Fluent对W型通风方式下采空区自燃带、采空区氧气浓度分布和瓦斯运移规律进行了模拟研究。

1 工作面概况及数值模拟

1.1 2303综放面概况

2303综放面位于3采区三条大巷以西，4采区边界以北，是3采区的首采工作面。工作面走向长度1535 m，倾斜长度100 m，开采3#煤层，煤层平均厚度5.65 m，属于易自燃煤层，工作面采用综合机械化放顶煤，一次采全高顶板全部垮落采煤法，瓦斯涌出量较大，绝对瓦斯涌出量为24.7 m3/min。为了防止采空区煤炭自燃和工作面上隅角瓦斯频繁超限等问题，2303综放面通风系统调整为“两进一回”的W型通风系统。

1.2 采空区的物理模型

根据2303综放面现场的实际情况建立物理模型，采空区走向长度取200 m、工作面倾斜长度为100 m，进风巷长10 m、宽3 m，回风巷长10 m、宽3 m，工作面宽度为5 m。采空区遗煤基本位于冒落带内，故本模型只考虑冒落带，并将冒落带设为瓦斯源项。由于采空区冒落高度相对于采空区的长度和宽度而言很小，因此可以将采空区简化为二维模型。取采空区走向方向为X轴，采空区倾斜方向为Y轴，建立二维的物理模型如图1所示。

图1 2303综放面采空区的物理模型

1.3 采空区的数学模型

1.3.1 假设条件

从进风巷进入采场的新鲜风流大部分经过工作面流入回风巷中，小部分漏入采空区中，形成采空区漏风，由于采空区多孔介质非常不规则，气体流动十分复杂，将工作面内考虑为湍流流动区域，而层流是采空区气体流动的主要流态[8]。为了突出研究的重点，需要作如下假设：

1) 由于冒落矸石和遗煤分布的随机性，将采空区多孔介质视为各向同性，渗透率不随时间变化；

2) 将采空区气体考虑为不可压缩气体，不考虑流体粘性力做功所引起的耗散热，假设气体流动为稳定流动、等温过程；

3) 假设瓦斯的扩散系数保持不变，组分运输中气体设置为甲烷、氮气和氧气的混合气体，忽略水蒸气、二氧化氮等小组分气体，在数值模拟设置气体组分时需要把最大含量气体列于最后。

1.3.2 采空区的数学模型

根据质量守恒定律和渗流定律理论，建立采空区的数学模型：

采空区气体流动连续性方程：

(1)

式中：u、v——速度矢量在x、y方向的分量。

动量方程：

(2)

(3)

式中：μeff=μ+μt；μt-湍流动力粘滞系数；μ-动力粘滞系数；n-多孔介质孔隙率。

组分传输方程：

(4)

式中：CS-组分s的体积浓度；SS-组分的生产率；DS-组分的扩散系数；

标准k-ε方程：

(5)

(6)

式中：μt=ρCμk2/ε，其中C1ε=1.44C2ε=1.92Cμ=0.09σk=1.0σε=1.3 ；k-湍动能，m2/s2；ε-湍动能耗散率，m2/s3；Gk-平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。

2 边界条件及数值模拟过程

2.1 边界条件

工作面进风巷为速度入口(Velocity-inlet),平均风速为3 m/s，其氧气体积分数为20.96%，瓦斯体积分数为0；回风巷设为自由出口(Out-flow)；工作面和采空区固壁为无滑移边界条件，即u=v=0；工作面和采空区的交界面设为内部边界(interior)。采空区渗透率按照自由堆积假设满足函数,e=1/D(c+ax+b*(y-L)2)其中，e-采空区渗透率a、b-分布不均衡系数，c-渗透率基数，D-平动系数，L-采空区宽度[9-10]。上下邻近层涌出的瓦斯和本煤层开采涌出的瓦斯是采空区瓦斯的主要来源，但采空区的具体位置和强度很难确定，因此可将采空区冒落带考虑为瓦斯源出源项，距离工作面越远，其瓦斯涌出强度越小。由于采空区围岩的支撑作用，采空区渗透率为“O”型圈连续分布，利用C语言将采空区瓦斯涌出强度、采空区渗透率定义为连续分布的自定义函数关系。

2.2 数值模拟过程

利用建模工具Gambit在笛卡尔坐标系下构建物理模型并对物理模型划分网格，将物理模型进行结构化网格划分，形成四边形的结构网格。使用Fluent软件进行数值模拟解算，最后将模拟结果导入Tecplot进行后处理操作。层流是采空区的主要流态，而工作面区域是湍流模型区域。控制方程采用控制容积法进行离散，其中对流项和扩散项使用Quick格式。采用松弛因子和三对角矩阵算法结合的方法迭代计算，其Pressure-Velocity的耦合使用Simple算法[11]。

3 采空区的数值模拟结果分析

3.1 工作面W型和U型通风方式下采空区自燃三带的划分

采空区自燃三带漏风风速划分标准中，风速>0.004 m/s是散热带，风速在0.004-0.00167 m/s之间的是自燃带、风速<0.00167 m/s的是窒息带，根据此标准可以得出不同通风方式下采空区自燃三带范围如下表1所示。

表1 不同通风方式下采空区自燃三带范围/m

通过图2可以看出，不同通风方式条件下采空区自燃带范围有较大差别。采用U型通风系统时，工作面两端的压差比较大，工作面向采空区漏风范围比较宽，所以自燃带更接近采空区深部；调整为W型通风后，由于工作面两端均压的作用，工作面两端的压差比较小，工作面向采空区的漏风范围较窄，自燃带更接近工作面，自燃带的宽度减小，所以工作面采用W型通风方式可以起到均压防灭火的作用。

图2 采空区速度分布

3.2 不同通风方式下采空区瓦斯爆炸界限范围的分析

根据瓦斯爆炸的必要条件(1)瓦斯浓度在5%～16%(2)瓦斯的引火温度为650℃～750℃(3)氧气浓度>12%以上，可以确定2303综放面通风方式调整前后瓦斯爆炸的界限宽度范围。

由图3可以看出，2303综放面通风方式调整后采空区瓦斯爆炸界限范围有非常大的差别。U型通风方式条件下，工作面向采空区的漏风范围比较宽，采空区瓦斯爆炸界限为65 m～90 m(进风巷侧)，宽度为35 m，瓦斯爆炸界限宽度逐渐变窄(回风巷侧)；W型通风方式条件下，由于工作面两端的压差较小，工作面向采空区的漏风范围比较窄，采空区瓦斯爆炸界限为54 m～72 m(进风巷侧)，宽度为18 m，比U型通风方式条件下采空区瓦斯爆炸界限范围小得多，因此2303综放面W型通风方式能减小采空区瓦斯爆炸界限范围的宽度，可以有效防止采空区瓦斯爆炸事故的发生。

图3 采空区瓦斯分布

3.3 “两进一回”W型通风进风巷风量不同对模拟结果的影响

对于2303综放面采用“两进一回”的W型通风系统，两条进风巷风量不同对采空区漏风量、压力场分布、氧气浓度场分布等都有较大的影响。笔者对2303综放面两条进风巷风量比例分别为1∶1、1∶2、2∶3时，采空区漏风量、压力场分布、氧气浓度场分布进行了分析研究如图4、5所示。

由图4模拟结果可知，2303综放面采用U型通风方式时，工作面两端压差为56.7 Pa，通过对工作面与采空区的边界线上曲线积分计算得出，工作面向采空区的漏风量为0.625 m3/s；将2303综放面调整为“两进一回”的W型通风方式时，当两条进风巷风量比例分别为1∶1、2∶3、1∶2条件下，工作面两端压差分别为28.5 Pa、34.2 Pa、36.9 Pa，工作面向采空区的漏风量分别为0.348 m3/s、0.422 m3/s；0.435 m3/s，通过分析比较发现，2303综放面采用两条进风巷风量比例为1∶1的W型通风方式，工作面向采空区的漏风量最少，工作面两端的压差最小，而工作面向采空区的漏风是引起采空区煤炭自燃的主要因素之一，所以2303综放面采用W型通风方式可以有效降低采空区煤炭自燃的危险性，在2303综放面回采的过程中再结合采空区注氮和三相泡沫等技术可以从根本上解决采空区煤炭自燃问题。

图4 采空区压力场分布

由图5模拟结果可知，2303综放面调整为W型通风方式后，对采空区氧气浓度场分布有较大的影响，采用U型通风方式时，由于采空区漏风比较大，采空区内抑制煤自热的氧气浓度下限(抑制煤自热的氧气浓度下限为8%)大约位于距离工作面150 m处；而将2303综放面调整为“两进一回”的W型通风方式时，当两条进风巷风量比例分别为1∶1、2∶3、1∶2条件下，采空区内抑制煤自热的氧气浓度下限(抑制煤自热的氧气浓度下限为8%—10%)分别位于距离工作面130 m、120 m、105 m处，通过分析可以看出，2303综放面采用两条进风巷风量比例为1∶1的W型通风方式时，可以明显减少引起煤自燃的氧气浓度场的范围，对抑制采空区的煤炭自燃具有重要的作用。

图5 采空区氧气浓度场分布

4 现场测试结果分析

通过对2303综放面采空区预埋管路，将采集气样在地面上进行分析，在掌握工作面回采速度和采空区气体浓度变化的同时，观测工作面向采空区的漏风量等相关参数，根据2303综放面采空区气体浓度随工作面回采的现场实测数据(取距工作面100 m)如表2所示。

表2 现场观察数据表

将现场实测氧气浓度数据和数值模拟得到的氧气浓度数据进行比较如图6所示

图6 现场实测和数值模拟采空区氧气浓度分布对比

通过图6可以看出，现场实测和数值模拟得到的氧气浓度值基本吻合，说明了采用数值模拟可以得到比较准确的采空区自燃三带和瓦斯分布规律，同时也验证了采用计算流体力学软件Fluent模拟研究采空区自燃带和瓦斯分布规律的可靠性。

5 结论

1)要2303综放面使用W型通风方式后，由于工作面两端均压的作用，工作面两端的压差比较小，工作面向采空区的漏风范围较窄，自燃带更接近工作面，自燃带的宽度变窄，可以有效防止采空区煤炭自燃，可以起到均压防灭火的效果。另外，W型通风方式条件下，可以有效的解决上隅角瓦斯超限问题，能减小采空区瓦斯爆炸界限的宽度，可以有效防止采空区瓦斯爆炸事故发生。

2) 2303综放面采用两条进风巷风量比例为1∶1的W型通风方式，可以有效降低采空区煤炭自燃的危险性，能明显减少氧气浓度场的范围，对

抑制采空区的煤炭自燃具有重要的作用，同时在2303综放面回采的过程中，结合采空区注氮和三相泡沫等技术从根本上解决其采空区煤炭自燃问题。

3) 2303综放面现场实测和数值模拟得到的氧气浓度值的对比结果，证明了采空区自燃带和瓦斯分布规律的准确性，同时验证了采用计算流体力学软件Fluent采空区自燃带和瓦斯分布规律的可靠性。

[1] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2] 赵文华.近距离煤层群工作面的偏W型通风方式及其应用[J].矿业安全与环保,2007,34(2)：44-45.

[3] 李宗翔.W型通风冒落采空区流场数值模拟计算[J].辽宁工程技术大学学报,2007,26(6) ：816-818.

[4] 周爱桃,王凯等.易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模拟[J].中国安全科学学报,2010,20(8) ：49-53.

[5] 吴玉国,邬剑明等.双U型通风系统综放开采采空区瓦斯分布规律[J].煤炭学报,2011,36(10)：1705-1708.

[6] 秦跃平,朱建芳等.综放开采采空区瓦斯运移规律的模拟实验研究[J].煤炭科学技术,2003,31(11)：13-16.

[7] 王勇.采煤工作面W型通风系统分析及应用[J].山东煤炭技术，2009：156-157.

[8] 李诚玉,周西华等.采空区瓦斯运移的数学模型[J].矿业快报，2007(8)：17-19.

[9] 王凯.J型通风综采采空区流场与瓦斯运移数值模拟[J].中国矿业大学学报，2007,36(3)：277-282.

[10] 李树刚,张伟等.综放采空区瓦斯渗流规律数值模拟研究[J].矿业安全与环保,2008,35(2)：1-7.

[11] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社,2004.