基于Fluent 软件的采空区注氮方式优化研究

曹景轩

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000）

煤自燃是矿井火灾的主要形式[1]，其中采空区煤自燃占60%[2-3]，而向采空区注氮是采空区常用的防灭火方法之一[4-5]。由于现场注氮试验会消耗大量的人力与物力，因而数值模拟是当前确定采空区注氮参数的主要方法[6]。

大南湖一矿1305 工作面所采煤层为低变质褐煤，最短自然发火周期仅为37 d，属于低变质易自燃煤层（Ⅰ级容易自燃煤层），导致采空区面临较为严重的煤自燃威胁。因此，本文基于Fluent 数值模拟软件，开展适合1305 工作面采空区最优注氮方案研究，对预防采空区自然发火事故具有重要意义。

1 Fluent 数值模拟设置

根据1305 工作面的详细尺寸建立了工作面及采空区CFD 模型，工作面及采空区CFD 模型网格划分如图1。1305 胶运顺槽（MG1）及1307 辅运顺槽（MG2，为下一阶段开采工作面预先准备的回风巷）进风，前者进风量972 m3/min，后者进风量994 m3/min，1305 辅运顺槽（TG）回风。采空区瓦斯涌出量500 L/s。1307 辅运顺槽和1305 胶运顺槽通过联络巷（CT）连接，联络巷间间距200 m，1307辅运顺槽掘进头通过局扇通风。底板高度10 m，煤层厚9.8 m，顶板高度50.2 m，模型总高度70 m。采用规则四边形网格划分，网格数为461 196，总节点数570 362 个。采空区自燃“三带”划分方式为：散热带（15%≤O2）；氧化带（5%≤O2＜15%）；窒息带（O2＜5%）。基于质量守恒方程、动量守恒方程及组分运移守恒方程，结合基于“O 型圈”模式的采空区渗透率分布设置，对模型进行了求解。

图1 1305 采空区CFD 模型

2 采空区CFD 基础模型的准确性验证

在注氮方式优化之前，需要首先校对采空区CFD 基础模型。将两巷侧采空区获得的模拟数据与现场煤自燃“三带”采集数据进行对比分析，如图2。可以看出模拟数据对比实测数据吻合良好，验证了基础模型的准确性。本基础模型可以作为现实采空区模型的载体，用来试验各种注氮方式。

图2 模拟数据对比实测数据

1305 采空区在注氮方式优化前，采空区煤自燃“三带”分布状况如图3。对于采空区煤自燃预防工作，防治的目的是尽可能地缩短采空区氧化带，因而氧化带是采空区煤自燃防治的重点研究对象。可以看出，当前1305 采空区在工作面后方存在一条较大区域的“带状”氧化带，特别是在采空区进风侧，氧化带分布深入且狭长，这给1305 采空区带来了较为严重的煤自燃风险。

图3 1305 采空区煤自燃“三带”分布

3 采空区注氮方式的优化

（1）多种注氮方式对比分析

针对1305 采空区状况，考虑四种注氮方式：注氮方式一，在工作面后方30 m 胶运顺槽侧注氮；注氮方式二，在工作面后方第一个联络巷处注氮（距工作面约为100 m）；注氮方式三，在工作面后方第二个联络巷处注氮（距工作面约为300 m）；注氮方式四，同时在第一个和第二个联络巷处注氮。

四种注氮方式下，通过Fluent 数值模拟软件获得的采空区O2浓度分布与煤自燃“三带”分布状况，如图4。

从图中可以看出，从注氮方式一到注氮方式三，注氮方式均为单点注氮，注氮点逐渐深入采空区深部，较高浓度的O2（≥5%）侵入采空区的深度和分布范围逐渐降低，氧化带分布范围也逐渐减小。这表明当采空区采用单点注氮方式时，深部注氮较浅部注氮效果更佳。由注氮方式四和前三种注氮方式对比可知，注氮方式四较高O2浓度侵入采空区范围进一步减小，且氧化带分布范围也进一步减小。这表明采空区多点注氮较单点注氮可以取得更优的采空区惰化效果。

四种注氮方式相比于现有注氮方式，氧化带范围均缩减，缩减幅度的排序为注氮方式一＜注氮方式二＜注氮方式三＜注氮方式四。因此，注氮方式四，即通过在第一个和第二个联络巷处协同注氮，属于1305 采空区的最优注氮方案。

图4 不同注氮方式下采空区煤自燃“三带”分布

（2）优化效果分析

由前文知，注氮方式四是多种注氮方式中的最优注氮方案，因而属于1305 采空区采用的最终注氮方案。将图4（d）和图3 对比可知，当采用注氮方式四时，采空区进风侧高O2浓度（≥5%）侵入完全被限制住，狭长氧化带基本转换为窒息带，同时在工作面后方，也取得了不错的惰化效果。整体上，采用注氮方式四后，氧化带区域面积缩小3/4左右，惰化效果十分显著。

1305 采空区在采用注氮方式四后，采空区无煤自发热现象产生（如产生乙烯气体、煤壁挂汗等），工作面一直安全顺利开采到结束。基于Fluent 数值模拟软件进行的采空区注氮方式优化研究，用于指导煤矿采空区自然发火防治，保障了煤矿的安全生产。

4 结论

基于Fluent 数值模拟软件开展了大南湖一矿1305 工作面采空区注氮方式的优化研究，研究结果表明：当采空区采用单点注氮方式时，采空区深部注氮较浅部注氮效果更佳，采空区多点注氮方式同单点注氮方式相比，可以对采空区取得更好的惰化效果，最终在1305 正常回采期间，选择通过第一个和第二个联络巷协同注氮的方式预防采空区煤自燃。该注氮方式使得氧化带区域面积在现有注氮方式基础上缩小3/4 左右，惰化效果显著。1305 工作面正常回采期间没有发生煤自燃事故，保障了煤矿的安全生产。