高抽巷负压对采空区瓦斯涌出及自燃“三带”影响的数值模拟

屈 昀 高锦彪 赵鹏翔 甘路军 常 青

(1.山西和顺天池能源有限责任公司，山西省晋中市，032700；2.西安科技大学安全学院，陕西省西安市，710054)

★ 煤矿安全 ★

高抽巷负压对采空区瓦斯涌出及自燃“三带”影响的数值模拟

屈 昀1高锦彪2赵鹏翔2甘路军1常 青1

(1.山西和顺天池能源有限责任公司，山西省晋中市，032700；2.西安科技大学安全学院，陕西省西安市，710054)

将采空区看作多孔介质，利用渗流力学等理论推导出采空区渗透率及采空区渗流控制方程。利用数值模拟软件Fluent,以天池煤矿401工作面的相关基础参数模拟高抽负压对采空区瓦斯涌出和自燃“三带”影响规律。从模拟结果得出，抽采率随着高抽负压的增大而增加，但随着高抽负压的增大，抽采率增加幅度越来越小；高抽巷瓦斯浓度随着抽放负压升高而下降，但瓦斯抽放纯量是增加的。随着高抽负压的增加会使可能自燃“三带”宽度有所拉宽，但总体来说随着高抽负压的增大并没有使得采空区自燃“三带”与工作面的相对位置有明显的变化，为瓦斯抽放时火灾的防治提供理论依据。

高抽负压 采空区 数值模拟 瓦斯浓度 抽采率 瓦斯抽放纯量 自燃“三带”

AbstractTaking gob as porous medium, the permeability and the seepage control equation of gob were obtained by using the theory of seepage mechanics. The simulation software Fluent was used to simulate the influencing laws of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" gas emission and spontaneous combustion based on the related parameters of 401 work face in Tianchi Mine. The numerical results showed that the extraction rate increased with high negative suction increased but the increase rate was more and more small; gas concentration in high gas drainage roadway decreased while suction pressure increased but the pure amount of gas drainage increased; the width of "Three Zone" of spontaneous combustion would increase with high negative pressure pumping had been widened; but the increase of high pumping negative pressure did not change the location of spontaneous combustion in "Three Zone" and relative positions. The research provides a theoretical basis for the prevention and control of fire during gas drainage.

Keywordshigh negative pressure, gob, numerical simulation, gas concentration, drainage rate, pure gas drainage amount, "Three Zone" of spontaneous combustion

在煤矿井下生产过程中，矿井瓦斯和煤自燃是两大主要危险源，当两种危险源同时存在时，对煤矿的正常生产和矿井人员的人身安全存在巨大隐患。在开采高瓦斯易自燃煤层矿井过程中，由于瓦斯排放和瓦斯抽采而导致采空区出现漏风现象和煤体破裂现象，从而引起采空区遗落煤体和破裂煤体长时间处于有氧环境中并发生自燃现象，而煤体自燃又成为矿井瓦斯爆炸的引火源。本文利用Fluent模拟软件以天池煤矿401工作面的基础参数为对象，分析了高抽负压对采空区瓦斯涌出和自燃“三带”的影响规律，为瓦斯与煤自燃的协同防治提供依据。

1 理论模型

1.1 采空区渗流控制方程

在理论推导中，假设采空区为多孔介质，在多孔介质层流中，速度与压力降呈负相关，用Darcy定律简化多孔介质模型：

(1)

式中： ▽P——介质层流两端压力差；

a——渗透率；

m——气体黏性系数；

根据Fick定律，扩散发生如下表示：

(2)

式中：Ji——第i种气体的扩散流量；

ρ——密度；

x——采空区深度；

Dim——扩散系数；

Di——气体i的扩散系数；

Xi——气体i的质量分数；

T——温度。

在混合气体中，随着局部混合气体的变化而导致Dim的变化，可计算为：

(3)

式中：Yi——摩尔分数。

式(2)可用多组分的扩散公式代替：

(4)

式中：Mi——气体分子量；

Mmix——混合气体的分子量；

Dij——气体j中气体组分i的多组分扩散系数。

1.2 采空区孔隙率及渗透率

根据Darcy定律，多孔介质的渗透率和气体的流动速率呈反比。在采空区遗落煤体作为多孔介质的模拟中，对于采空区遗落煤体和破碎煤岩的渗透率k的研究起着至关重要的作用。采空区垮落带的渗透率值根据Blake-Kozeny公式可以估算出：

(5)

式中：DP——平均粒子直径，m；

ζ——空间所占的分数，取0.1～0.25。

由“砌体梁”理论推导出的内部岩层移动方程为：

(6)

式中： (Wx)i——第i组结构的移动曲线；

RT——第i组坚硬岩层抗拉强度；

hi——第i组坚硬岩层厚度；

q——自重及其上软岩层载荷；

(W0)i——上覆岩层最大下沉量。

根据空隙率公式：

式中：H空间——孔隙总高度；

H——自然状态下的总高度；

Kp——自然碎胀系数；

V空间——孔隙体积；

V——自然状态下的总体积；

ε——自然碎胀条件下的空隙率。

(6)、(7)、(8)联合可得老顶破段后垮落带空隙率ε随采空区深度x的变化规律为：

(9)

将(9)代入(5)得出渗透率随采空区深度变化公式：

(10)

2 采空区模型建立及边界条件设置

401工作面位于天池煤矿四采区第一区段，工作面为倾向回采，工作面长180 m(净煤柱平距)，倾向回采长度1435 m，工作面开采太原组15#煤层。401工作面采空区属于高瓦斯煤层采空区，其漏风流中不仅含有氧气和氮气，还包含一定体积分数的瓦斯。在含瓦斯漏风流的条件下，采空区遗煤易发生低温氧化而出现自燃，因此，研究含瓦斯风流条件下煤自燃指标气体产生规律并对其进行优化选择，以便对高瓦斯采空区中煤自燃进行准确的早期预测预报，成为高瓦斯矿井实现安全生产的关键问题。

2.1 模型建立

根据天池煤矿401工作面的几何尺寸建立三维CFD模型，利用Fluent软件进行数值模拟分析。建立的模型如图1所示。

2.2 边界条件设置

将速度入口设置为进风巷道入口边界，按照具体的模拟方案设定入口速度，用标准空气作为入口气体，将自由出流(Fluent软件术语)设置为回风巷、瓦斯尾巷和高抽巷出口边界，其风量分配值分别为0.55、0.4、0.05(回风、瓦斯尾巷和高抽巷占总回风的比例)，将多孔介质区域作为采空区边界，用UDF(编程语言)编入采空区空隙率和渗透率。无滑移静态壁面作为壁面边界，壁面温度与围岩温度相同,都为289 K。

根据天池401工作面的现场参数，建立的物理模型参数设置如表1所示。

图1 401工作面采空区三维模型

表1 401工作面物理模型参数设置

3 模拟结果分析

3.1 高抽负压对采空区瓦斯涌出影响

选取0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四组高抽负压分别进行模拟，探究高抽负压对瓦斯抽排的影响规律，模拟结果如表2所示。

表2 不同抽放负压下瓦斯抽排效果

由表2可知，高抽巷的抽放混合流量随着抽放负压升高显著增加，而回风巷和瓦斯尾巷的混合流量均呈现少许下降的状况，其中，当抽采负压由-1000 Pa升高到-2000 Pa时，高抽巷的混合流量增加了131%，而回风巷混合流量下降了3.5%，瓦斯尾巷混合流量下降了1.4%。高抽巷瓦斯浓度随着抽放负压升高而逐渐下降，瓦斯尾巷瓦斯浓度随着抽放负压升高有大幅度的降低，回风巷瓦斯浓度随着抽放负压升高下降不明显，其中，当负压由-1000 Pa增加到-3000 Pa时，高抽巷瓦斯浓度由47.2%下降到36.4%，下降幅度为22.9%；瓦斯尾巷瓦斯浓度由2.8%下降到0.56%，下降幅度达到80%。

高抽巷瓦斯纯量随着抽放负压升高呈现增多的趋势，且增加了很多。抽采率也得到了很大地提升，当抽放负压由-1000 Pa增加到-3000 Pa时，抽采率由45%升高到了86%，抽采率虽然随着高抽负压的增大而明显增加，但提升幅度却越来越小，当抽放负压由-2000 Pa增加到-3000 Pa时，抽采率只提高了6.6%。

3.2 高抽负压对采空区自燃“三带”影响

选择0 Pa、-1000 Pa、-2000 Pa、-3000 Pa四组高抽负压分别进行数值模拟，研究高抽负压对采空区自燃“三带”的影响规律。不同高抽负压对自燃带的影响如图2所示。

图2 不同高抽负压对自燃带的影响

由图2可知，从自燃带的宽度来看，进风侧的可能自燃带宽度由负压0 Pa增加到-3000 Pa时拉宽了13 m；中部拉宽了10 m，回风侧拉宽了22 m，401工作面的平均回采速度为2.5 m/d。由此可知，浮煤在升温氧化带内停留的时间在进风侧增加了5.2 d，采空区中部增加了4 d，回风侧增长了8.8 d。

不同高抽负压时自燃“三带”范围如图3所示。由图3可以看出，高抽负压为0 Pa时，由于瓦斯尾巷的存在使得回风侧的“三带”比进风侧更加深入采空区，在采空区进、回风侧有细长的“两道”可能自燃带；高抽巷附近可能自燃带在高抽负压为-3000 Pa时，明显向采空区深部推移，可能自燃带边界向采空区深入了7 m左右。

图3 不同高抽负压时自燃“三带”范围

4 结论

(1)由数值模拟结果可以看出，随着抽放负压升高，高抽巷瓦斯浓度下降，瓦斯抽放纯量增加，抽采率随着高抽负压的增大而明显增加，但随着抽放负压的增大，抽采率的提升幅度却越来越小。

(2)由数值模拟结果可以看出，当高抽负压增加后，使得可能自燃“三带”宽度整体上均有所拉宽，但总体来说随着高抽负压的增大并没有使得采空区的可能自燃带与工作面的相对位置有明显的变化。

[1] 邓军，徐精彩，阮国强等．国内外煤炭自然发火预测预报技术综述[J]．西安矿业学院学报，1999(4)

[2] 李宗翔，王继波等．晓南矿W2702面采空区自然发火安全控制与管理[J]．煤炭科学技术， 2003(12)

[3] 王振刚, 白志鹏. 综放面走向高抽巷瓦斯抽采技术研究[J]. 中国煤炭, 2016(2)

[4] 周福宝．瓦斯与煤自燃共存研究(I)：致灾机理[J]．煤炭学报，2012(5)[5] 叶正亮. 高位钻孔瓦斯抽放采空区自燃“三带”的数值模拟[J]. 中国煤炭,2012(7)

[6] 李树刚，安朝峰，潘宏宇等．采空区煤自燃引发瓦斯爆炸致灾机理及防控技术[J]．煤矿安全，2014(12)

(责任编辑 张艳华)

Numericalsimulationofinfluenceofnegativepressureathighpumpinglaneon"ThreeZone"ofgasemissionandspontaneouscombustioningob

Qu Yun1， Gao Jinbiao2， Zhao Pengxiang2， Gan Lujun1， Chang Qing1

(1. Shanxi Heshun Tianchi Engergy Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 032700, China; 2. School of Safety Science & Engineering, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

TD712.5 TD752.2

A

国家自然科学基金(51604219)，中国博士后科学与基金项目 (2016M602843)

屈昀，高锦彪，赵鹏翔等. 高抽巷负压对采空区瓦斯涌出及自燃“三带”影响的数值模拟[J].中国煤炭，2017,43(9)：98-101，143. Qu Yun, Gao Jinbiao, Zhao Pengxiang, et al. Numerical simulation of influence of negative pressure at high pumping lane on "Three Zone" of gas emission and spontaneous combustion in gob[J]. China Coal, 2017，43(9):98-101，143.

屈昀(1972-)，男，山东微山人，高级工程师，工程硕士，2013年毕业于山东科技大学，现任山西和顺天池能源有限责任公司总经理，主要从事瓦斯灾害防治研究。