均压前后采空区自然发火数值模拟研究*

★ 煤矿安全 ★

均压前后采空区自然发火数值模拟研究*

郭丹丹 刘 伟 王文强 何 超

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

通过理论分析，建立了移动坐标下采空区流场、氧浓度场、气体及冒落煤岩温度场的数学模型，利用有限体积法进行耦合求解，模拟了均压前后采空区自然发火情况。结果表明均压能有效地减少采空区漏风，并能人为形成自燃三带，使得高温区由难以治理的两侧巷帮狭长区域集中到工作面附近，显著降低了采空区自然发火的危险。最后，通过工作面风量测定，验证了均压堵漏的效果。

采空区 自然发火 均压 数值模拟 漏风 自燃三带

采空区自然发火是指有自燃倾向的煤层开采后，在常温下与空气接触，发生氧化，产生热量使其温度升高，出现发火和冒烟的现象。相关研究表明，采空区漏风会使采空区自燃 “三带”的范围增大，增加采空区煤自燃的危险性。均压是以风治火的一种行之有效的方法，但由于采空区地质条件复杂，均压效果的检测极其困难，因此，在缺乏有效研究手段的情况下，采用数值模拟对采空区内的流场、氧浓度场和温度场进行预测,并通过检测漏风进行验证成为必然趋势。

1 工作面概况

汾西矿业集团水峪煤矿六采区6122工作面开采10#+11#煤层，煤层具有自然发火倾向，最短发火期为6个月。试生产以来漏风问题严重，经多次专项治理，仍存在多条漏风通道。为了解工作面漏风的具体情况，沿6122工作面布置测点，进行风量测定，得到均压前的风量。均压前6122工作面风量测定结果如图1所示。

工作面距离小的风量是进风风量，距离大的为回风风量，回风与进风之差为漏风风量。由测风结果可知， 2015年3月17日工作面进风量为591 m3/min，回风量为723 m3/min，工作面回风量明显大于进风量，存在严重漏风问题，漏风量达到132 m3/min；4月24日，进风量为517 m3/min，回风量为816 m3/min，漏风量为299 m3/min，可以看出，漏风在逐渐扩大。

图1 均压前6122工作面风量测定结果

2 均压前后采空区自然发火数值模拟

采空区自然发火是采空区内的空气流动、氧气运输与扩散、遗煤氧化放热以及固体对流换热等相互作用所造成的，是煤体放热与环境散热这对矛盾动态发展的结果。

2.1 移动坐标系及假设条件

随着回采工作面不断推进，采空区边界不断变化、空间范围不断扩大。为此，引入移动坐标系，将深度不断扩展的采空区转化为稳态的、区域相对固定的研究对象。如图2所示，以进风口为原点

(o)，y轴设置在工作面的切顶线上，x轴则沿采空区走向，可近似将工作面的移动速度看作是一个固定常数。

图2 采空区移动坐标及煤岩温度场边界

采空区边界如图2所示，靠近工作面的边界为Γ1，上下两行煤柱是Γ2、Γ3边界，深部边界为Γ4，研究固体温度场时，将采空区的事实边界Γ2、Γ3外推到热流通量为0的边界Γ7、Γ8，视为绝热边界来处理。

2.2 数学模型

采空区自然发火是采空区内压力场、氧浓度场、气体及固体温度场等相互影响、相互作用的结果。

由达西定律和质量守恒定律来建立采空区流场方程，由菲克定律和质量守恒定律来建立采空区氧浓度场方程，由傅立叶定律和能量守恒定律建立采空区温度场方程，得到采空区自然发火多场耦合数学模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：K——多孔介质的渗透系数，m/s；

ρg——控制体内的气体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

p——静压和速压之和，Pa；

α——煤层的倾角，(°)；

n——采空区内浮煤的孔隙率，%；

kO2——氧气的扩散系数；

u(t)——单位时间单位体积的耗氧量，mol/(s·m3)；

cO2——氧气摩尔浓度，mol/m3；

λy——采空区冒落煤岩导热系数，W/(m·K)；

Ke——煤岩与气体对流换热系数，J/(m2·s·K)；

tg——气体温度，K；

ts——煤岩温度，K；

ρs——煤岩的密度，kg/m3；

cs——煤岩的比热容J/(kg·K)；

q(t)——单位时间内控制体内遗煤的放热量，kJ/(mol·s)；

λg——气体导热系数，W/(m·K)；

cg——气体的比热容J/(kg·K)。

对于边界Γ1，其每一点的全风压值、氧浓度、温度都可以现场测定，是第一类边界条件。边界Γ2、Γ3、Γ4是第二类边界条件，固体温度场中假定边界Γ4至Γ10上的热流通量为0，视为绝热边界来处理。

2.3 模型解算及结果分析

采用有限体积法对采空区自然发火模型进行求解。先确定模型的解算范围，对计算区域进行网格划分，再对模型及其边界条件按有限体积法进行离散，得到了压力、氧气浓度和温度的节点方程组，最后设计和编制了计算机程序对节点方程组进行了耦合求解。

图3 均压前后采空区内各场的分布情况

以6122工作面为计算模型，根据6122工作面正常推进时的实际生产和供风量情况，进行均压防灭火。工作面长度为190 m，推进速度为3.6 m/d。均压前，进风量为300 m3/min，回风量为800 m3/min，通风阻力为20 Pa。均压后设定进风量为750 m3/min，回风量为790 m3/min，通风阻力为45 Pa。

利用软件设计平台Visual Basic 6.0，编制解算程序，通过Tecplot 9.0等后处理软件对数据文件进行处理，得到采空区压力、氧气浓度、温度分布图形显示。数值模拟的结果如图3所示。

从图3(a)、(b)可以看出：均压前，采空区端头处压力最大，风从采空区漏向工作面的情况相当严重，很容易造成采空区遗煤自燃；均压后，进风口处的压力最大，随着采空区深度的增加，压力逐渐减小，当深度达到160 m后，压力不再变化。消除了采空区内部向工作面的漏风，并人为形成采空区自然发火“三带”，大大减小了采空区自燃的危险。

从图3(c)、(d)可以看出：均压前，由于存在采空区深部向工作面漏风，巷帮附近垮落煤岩比较疏松，所以两侧沿巷帮区域氧浓度较大，使遗煤氧化反应加剧，产生的热量向采空区中深部传递，而采空区深部冒落煤岩比较致密，煤岩氧化产生的热量容易积聚，更加容易导致采空区自燃；均压后，氧化带分布正常，高氧浓度区域主要集中在工作面的进风段，该区域孔隙率大、漏风大，不会造成热量积聚，随着采空区深度的增加，氧浓度逐渐降低，减小了采空区自燃的危险。

从图3(e)、(f)可以看出：均压前，高温区域靠近保护煤柱附近，沿两侧巷帮区域狭长分布，采空区自然发火治理难度很大；均压后，采空区高温区域靠近工作面附近，相对比较集中，且靠近进风侧，这与现场采空区自燃火灾多发生在进风侧相符合。高温区是以中心坐标(75 m，50 m)为原点、半径为25 m的圆形区域，位于工作面附近，冒落煤岩处于自由堆积状态，孔隙大、漏风大，遗煤氧化生成的热量不易积聚，降低了采空区自然发火的危险。

综上可知，均压通风系统对减少工作面漏风，降低采空区自然发火危险有良好的效果。

3 均压方案及堵漏效果验证

3.1 均压防灭火具体方案

为防止6122工作面漏风引起采空区遗煤自燃，保证6122工作面回采期间的通风安全，需建立均压通风系统。在6122材料巷及运输巷各砌筑三道调压风门墙，风门墙均采用砖进行砌筑且用水泥全部抹面。在6122材料巷安装两台55 kW×2调压通风机，通风机通过6122材料巷内U型棚上进行吊挂安装。利用回风侧均压风门的调节风窗进行均压区域内的风量调节。均压通风系统的布置方式如图4。

图4 6122工作面均压通风系统

3.2 堵漏效果验证

均压后风量测定结果如图5所示。

图5 均压后6122工作面风量测定结果

由测风结果可知，2015年8月21日测定的工作面进风量为636.48 m3/min，根据通风报表上2015年8月20日6122工作面进风量为670 m3/min，可以看出这两个数据接近，认为测定的风量可靠性较大；2015年8月27日测定的风量与8月21的基本相同，最大风速也基本相同，说明通风系统比较稳定。并且两次测风的漏风量约为40 m3/min，较均压前的漏风量小，说明均压通风系统对减少工作面漏风有良好效果。

4 结论

(1)根据质量守恒、能量守恒原理等建立了移动坐标下的采空区自然发火数学模型，编制了相应的解算软件，能够实现采空区压力场、氧浓度场、气体和固体温度场的数值模拟。采用数值模拟方法有力地弥补了采空区现场试验的不足，为现场防灭火工作的实施提供了重要的参考依据。

(2)通过数值模拟对比分析均压前后的压力场、氧浓度场和固体温度场变化规律，得出采取均压通风能有效地改变氧浓度分布，使得高温区由两侧巷帮狭长区域转移到工作面附近，治理难度降低，且均压后采空区温度较之前显著降低，减小了采空区自然发火危险。均压前后漏风风量测定结果表明，采取均压措施可以显著减小采空区的漏风量，且效果稳定。

王东江,杨胜强, 刘松等.采空区漏风对煤自燃危险性的影响.煤矿安全,2011(5)

朱红青,李峰,张悦等.自动均压防灭火系统监控软件设计与气压分布模拟.煤炭科学技术, 2013(3)

唐明云,戴广龙,秦汝祥等.综采工作面采空区漏风规律数值模拟.中南大学学报(自然科学版), 2012(4)

叶正亮.高位钻孔瓦斯抽放采空区自燃 “三带”的数值模拟.中国煤炭,2012(7)

朱建芳,蔡卫,秦跃平.基于移动坐标的采空区自然发火模型研究.煤炭学报,2009(8)

刘伟,秦跃平,杨小彬等.采空区自然发火的能量迁移理论.煤炭学报,2013(6)

李宪人.有限体积法基础.北京:国防工业出版社,2008

(责任编辑 张艳华)

Numerical simulation research on spontaneous fire at gob before and after pressure balance

Guo Dandan, Liu Wei, Wang Wenqiang, He Chao

(College of Resource and Safety Engineering, China University of Mining & Technology,

Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to simulate the condition of spontaneous fire at gob before and after pressure balance, Theoretical analysis helped establish mathematical field model of airflow, oxygen concentration, gas and temperature of caving coal at gob based on moving coordinates, solving coupling equation with finite volume method. The result showed that pressure balance could effectively reduce air leakage at gob and artificially form three spontaneous fire zones, which gathered high temperature area from the long and narrow roadsides to where near working faces, mitigating the potential of spontaneous fire at gob. In addition, the performance of pressure balance was verified by measuring the quantity of airflow through working face.

gob, spontaneous fire, pressure balance, numerical simulation, air leakage, three spontaneous fire zones

国家自然科学基金资助项目(51604277, 51574249, 51174211)

TD75

A

郭丹丹(1992-)，女，山东临沂人，中国矿业大学(北京)硕士研究生，现从事安全技术及工程方面的研究。