多源多汇均压防灭火数值模拟研究

2017-03-09郝亚兵西山煤电集团有限责任公司通风处山西太原030024

山西焦煤科技 2017年12期

郝亚兵(西山煤电集团有限责任公司通风处，山西太原 030024)

矿井采空区火灾严重威胁着煤矿安全生产，它不仅能够烧毁煤炭资源和矿井设备，造成工作面和矿井封闭与停产，还可能引起煤尘、瓦斯爆炸，造成重大的人员伤亡事故[1-4]. 采空区遗煤自燃是采空区火灾的主要成因，其中煤自燃过程不仅与煤炭自身的放热性和氧化性有关，还与采空区漏风供氧密切相关，但是采空区漏风直接为遗煤自燃提供氧化所需的条件，是遗煤自燃的主要原因[5-6]. 采空区漏风源是研究采空区自燃三带分布的重要依据，漏风源、漏风汇存在漏风压差，导致采空区漏风分布不同，采空区内氧气浓度分布的自燃三带分布形式也不同[7-8]. 均压防灭火技术关键在于使采空区两侧区域的压力达到平衡，使其均匀分布，最大可能降低风压差带来的漏风[9-11]. 本文所研究的山西阳泉某矿，其开采井田范围存在着很多私挖乱采的采空区，且采空区之间的多源多汇关联比较复杂。因此，选取10201工作面采空区作为研究对象，其采空区是典型的“三源两汇”漏风场，加之采空区空间格局制约了内部压力的直接测定，故而采用数值模拟的方法研究采空区变化规律。

1 矿井概况

矿井采用斜井开拓方式，布置有3个井筒，其中主、副井为斜井，回风井为立井，开采水平则布置在地质条件较好的2#煤层。综合机械化开采走向长壁煤层，以中央并列式通风方式作为矿井通风，2个斜井为进风井，立井为回风井。矿井的总进风量为3 500 m3/min，总回风量3 800 m3/min.

矿井火区分布区域参数：1#火区集中在 10201回风顺槽南部，与回风大巷相距约705 m；2#火区散布在10201进风顺槽北端，与轨道大巷、回风大巷的距离分别为903 m、1 200 m；3#火区则位于10201进风巷北段，距离轨道大巷约750 m，距离回风大巷约1 070 m.

2 物理模型的建立

利用红外探测仪探测采空区漏风情况，探测结果见表1.

表1 采空区漏风探测情况表

注：⊕—外部向采空区漏风 ⊙—采空区向外漏风

根据探测情况建立几何模型，模型基本参数见表2. 其中，采空区进风侧设置为Velocity-inlet，漏风口都设置为Pressure-outlet，具体物理几何模型见图1.

表2 模型物理参数表

图1 物理几何模型图

3 参数设定与网格划分

根据10201工作面的实际情况以及采空区渗流参数进行孔隙率与黏性阻力系数的设定，煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区、裂隙带的黏性阻力系数设定为：4×105、1×106、1×107、4×108(1/m2). 同时，根据矿井的实际渗流参数，采空区渗透率呈现中部较小四周较大的特点，拟合孔隙率与空间位置的相关函数。使用ICEM软件，将计算区域划分成72 702个网格(见图2).

图2 计算区域网格划分图

4 数值模拟结果及分析

通过调整模拟工作面风压，10201工作面由最初的“三源两汇”漏风流场逐步演变，得到了“两源三汇”、“一进三出”、“一进四出”3种不同流场形式。

4.1 流场分布情况

升压0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa时Z=2 m平面漏风流线图见图3. 从图3中可以看出，当升压0 Pa时，采空区原始漏风流场为明显的“三源两汇”。逐步提高采空区压力，采空区漏风情况发生变化。当升压85 Pa时，漏风口1、3漏风向反转，但漏风口2依然向采空区漏风，表现出“两源三汇”的流场特征，这就表明采空区压力与漏风口2处的压力存在压差。继续升压到215 Pa，漏风口2刚好达到压力平衡态，故而只存在漏风口1、3，流场是典型的“一进三出”型。当升压达到250 Pa时，漏风口2的平衡态被打破，此时，采空区的向外漏风最为严重。

4.2 压力场分布情况

从压强等值线图(图4)可以看出：原始采空区流场(即三源两汇)的压强等值线分布较密，说明压力场变化显著。其中工作面压力差为30 Pa，漏风口2和上隅角间压差最大，达到210 Pa，漏风最多，其为外部火区有毒烟气进入采空区的主要通道。升压85 Pa以后，工作面上下隅角间压差依然保持在30 Pa左右，保证了工作面风量不变。最大压力差为漏风口2与上隅角之间的压力，其差值为125 Pa. 继续升压215 Pa，此次升压取得良好的效果，漏风口2外侧压力和该处采空区内部压力相平衡，通过升压措施，阻止了漏风口2连通的外部火区的烟气进入采空区。此时高压区域集中在采空区进风巷，且上隅角压力漏风口2处压力基本相等，因此，可以忽略漏风口2对采空区的影响。当升压值达到250 Pa时，下隅角区域压力最高，虽阻止外部火区的烟气进入采空区，但采空区内漏风面积较大，漏风通道过长。

4.3 O2浓度分布情况

该煤矿2#煤层为焦煤，其自燃临界氧浓度在4%～9%，散热带氧气浓度大于18%；氧化自燃危险带氧气浓度在9%～18%；窒息带氧气浓度小于9%.

升压0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa时，Z=2 m平面O2浓度分布云图见图5. 从图5中可以看出： “三源两汇”漏风流场在3个漏风点处风速变化较快，梯度较大，造成O2浓度在Z=2 m平面，呈现一种不规则的“飘带圈状”分布[13-14]. 当采空区流场处于“两源三汇”时(即升压85 Pa)，O2浓度分布呈现横放着的“几字型”分布，由于漏风口2在升压过程中，经历了流入、流出采空区两个过程，此时漏风口2处于流入压差降低的阶段，流场的扰动性减小，而且没有原始状态O2浓度分布图中的“犄角”现象[15-17]. 充分证明采空区涡风流区减少，但是氧化自燃带的分布依然很广。

图3 升压0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa时Z=2 m平面漏风流线图

图4 升压0 Pa、85 Pa、215 Pa、250 Pa时Z=2 m平面压力等值线图

当升压值为215 Pa时，采空区只有一个进风口，Z=2 m平面O2浓度分布受到“一进三出”的漏风场的影响，汇风处O2浓度明显偏大，而氧化自燃带较85 Pa时明显缩小，降低了采空区遗煤自燃风险，可以有效封堵漏风通道，缩小“氧化自燃”带。继续升压至250 Pa，由流线图可以看出，采空区的漏风面积增大，漏风路线延长，极大地促进了遗煤的氧化自燃。在“一进四出”漏风流场趋于稳定态时，三带内的O2浓度明显高于其他类型。