停采撤架期间两道封堵下采空区气热场数值模拟研究

2024-01-22唐佐舒通梁玉柱

当代化工研究 2024年2期

＊唐佐舒通梁玉柱

（1.中国矿业大学江苏 221000 2.徐州矿务集团有限公司江苏 221000）

引言

井下工作面末采阶段由于停采撤架需要一定的时间周期，架上和架后煤体长时间处于稳定的漏风供氧状态，极易发生自燃[1-3]。尤其对于工作面倾角大、软岩支护困难的工作面，撤架周期大幅延长，煤自燃频发。目前，国内外广泛采用封堵隔氧、注惰稀释、喷洒阻化剂等技术作为防治井下工作面末采阶段煤自然发火的主要手段[4-6]，如在进回风隅角构建喷涂隔离墙、加大采空区氮气注入量等，但仍难以控制架间、回风隅角和回风流中CO的持续上升，停采撤架期间面临自然发火的危险，严重时导致工作面封闭，造成重大人员风险和经济损失。减少工作面向采空区漏风是控制煤自燃的主要方法，因此在采空区两巷及工作面进行构筑封堵，可以有效减少漏风量，降低采空区内的氧气体积分数，从而抑制采空区内遗煤的自燃[7-10]。

本文根据百贯沟煤矿2506工作面开采特点，结合在停采撤架期间采用两道封堵的措施，用数值模拟方法研究封堵前后采空区气热场变化规律，为工作面安全撤架提供理论基础。

1.矿井概况

百贯沟井田位于崇信县，2506工作面位于5号煤层，地面标高为+1296m～+1223m，工作面标高为+853m～+925m，走向长524m，倾斜长100m，煤层总厚4.0～7.8m，平均厚度5.5m，煤层倾角5°～10°，平均7°。2506工作面回采前期为小角度上山回采，后期为俯采，整体为俯采工作面，切眼处材料道与运输道落差25m，开切眼向外，两道高差呈增大趋势，工作面采高为2.6～3m（平均为2.8m），放顶煤高度为2.7m，采放比为1:0.96。工作面配风量为1400m³/min，工作面巷道采用“U”型布置方式。

2.数值模型建立

(1)孔隙率方程

目前研究者们通常将“O”形圈理论和煤岩碎膨胀系数结合起来建立采空区多孔介质的孔隙率分布函数[11]。本文结合前人研究及相关经验公式，建立了采空区孔隙率与渗透率分布公式，该工作面采空区空间空隙率分布函数如式（1）[12]。

式中：ly为采空区倾向宽度，m；H为采高，m；α为煤层倾角，°；hd为直接顶厚度，m；Kpb为直接顶破碎岩体残余碎胀系数；l为基本顶破断岩块长度，m；δ为相对轴向应力，MPa；β1为回归系数。

本文结合前人研究和现场部分参数，通过多次试算得出H，Kpb，ly，hd，煤层倾角过小，为方便计算将α设为0，hd=6.7m，ly=100m，Kpb=1.14，H=2.8m。

气体在采空区多孔介质流动时，需要定义流动阻力，在Fluent中一般通过粘性阻力和惯性阻力来实现。

式中：Si为采空区多孔介质的动量损失源；μ为动力黏度，Pa·s；ρ为流体密度，kg/m3；Dij和Cij分别为黏性阻力和惯性阻力损失系数矩阵；vj（j=1，2，3）为流体微元体在X、Y、Z方向上的速度分量，m/s。

采空区多孔介质渗透性系数和内部损失系数如下式。

式中：α是渗透率；C2是惯性阻力，粘性阻力k=1/α。

(2)耗氧及放热速率方程

为获得采空区内煤样的耗氧速度，采取工作面现场的煤样进行程序升温实验。具体实验步骤如下：

①将煤样放入干燥箱，40℃干燥24h，去除煤中水分以减小对实验的影响。

②将煤样放入特定煤样罐中，装入前要在进气口检查是否通气，检查无误后装入煤样罐，检查出气口是否有气体流。

③开启控温装置，干空气瓶流量设置为100mL/min，将炉温设置为40℃，开始进行程序升温，升温速率设置为0.8℃/min。

④接入气相色谱分析仪，每升温10℃采集一次气样并分析其成分。

对实验结果进行处理后，绘制氧气体积分数曲线如图1所示。根据计算结果绘制成耗氧速率随温度的拟合曲线图如图2所示。

图1 氧气体积分数随温度变化趋势

图2 煤样耗氧速度与温度的拟合函数

由图2可知，煤样在氧化升温过程中，耗氧速率随温度的增加而增加，对此趋势进行回归分析后可得式（5），其中A为0.16479，R0为0.4779，拟合后R平方为0.999，拟合效果很好。当温度为T，氧气体积分数为C时，采空区煤样的耗氧速率为：

在温度模拟过程中，以采空区进风巷风流温度为煤的初始温度。假设煤层顶底板岩层处的温度和工作面温度恒定不变，采空区遗煤进行氧化而放出热量可以用式（6）表示。

式中：q为参加反应的氧气所生成的氧化热量，J；a为成堆煤与实验室中煤样的氧化速度之比；m为煤质量，g；dO2/dτ为氧化初速度，100/(g·s)；K为氧化速度常数。

综上，将式（1）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）编译成孔隙率函数、粘性阻力、惯性阻力、耗氧源项、热源导入数值模拟软件中。

(3)物理模型及参数设置

结合百贯沟2506工作面的实际情况建立采空区物理模型，如图3所示，两道封堵下采空区物理模型如图4，封堵区域为采空区两道区域，长度为4m，封堵墙高度为3m，宽度为2m，定义为孔隙率和渗透率极小的多孔介质区域。

图3 无封堵采空区物理模型

图4 两道封堵下采空区物理模型

采空区工作面宽100m，进回风巷长20m，进回风巷断面12m2，采空区高40m、深160m。根据现场实际情况结合流体力学相关理论，设定边界条件如下：

（1）入口条件：进风巷的入口设置为速度入口，风速为2m/s，氧气的体积分数为23%。

（2）出口条件：回风巷出口设置为自然出流出口。

3.无封堵下采空区气热场模拟结果及分析

(1)采空区氧气场分布

经过模拟得到采空区氧气分布和三带分布如图5。

图5 采空区氧气分布

由图5可以看出，氧气由进风侧进入采空区，由于孔隙率和阻力的原因，随着深入采空区氧气体积分数逐渐减少，散热带即氧气大于18%的区域主要分布在进风侧区域，回风侧氧气体积分数远小于进风侧氧气体积分数。量化图5可知，采空区内进风侧散热带距工作面0～45m左右，氧化带即氧气体积分数大于8%小于18%的区域距工作面45～95m左右，回风侧散热带距工作面0～5m左右，氧化带距工作面5～30m左右。

(2)温度场

采空区内温度场的形成受到众多原因的影响，其本质是煤氧化升温所导致，高温区域主要分布在氧化带区域。从图6来看，高温点距离工作面70m，沿着工作面走向和采空区深处倾向，温度逐渐下降。该区域内氧气含量较高且漏风强度较小，有利于煤氧化热量积聚形成高温区域。

图6 采空区温度场分布及进风侧温度曲线图

(3)一氧化碳场分布

采空区的CO体积分数分布如图7所示，采空区内靠近工作面的区域，CO呈向回风侧运移的趋势且体积分数逐渐增大，在上隅角处达到最大，因为上隅角作为U型回采工作面的漏风汇集处，使CO聚集。采空区内CO高体积分数区域都集中采空区中部的氧化带区域，随着距离的深入，CO聚集梯度增加，在中部达到最大值，采空区深部则由于氧气体积分数过低，遗煤难以发生氧化，所以CO体积分数很低。

图7 采空区CO分布图

4.两道封堵下采空区气热场模拟结果及分析

图8为采空区两道封堵后的氧气分布，由于减少了工作面向采空区的漏风，采空区内氧气体积分数出现下降。在进风侧，风流碰撞封堵墙产生涡流，部分流入采空区的风流在低压下产生回流，使得采空区进风侧的氧气分布呈“人”字形。由于部分封堵布置在回风侧，这影响了靠近回风侧工作面区域的漏风和采空区内部的回风，压差导致的风流在回风侧封堵前回流，回风侧氧气体积分数维持在较低范围。工作面中部的漏风未受到影响，部分风流从此处进入采空区，导致采空区靠近工作面中部的位置氧气体积分数较高。量化三带数据可得，进风侧散热带距工作面0～25m，氧化带距工作面25～50m，回风侧散热带范围基本为0，氧化带距工作面0～8m。

图8 两道封堵下的氧气分布

图9为两道封堵后的温度分布，可以看高温区域集中在回风侧和采空区中部，进风侧靠近工作面处由于流入大量恒温风流，温度变化不大；采空区中部和回风侧聚集大量氧气，漏风能力差且难以回流，所以更容易蓄热；采空区深部温度几乎无变化。采空区温度随着深入采空区先增加后减少，最高温度为316K，位于回风侧距工作面20m处，且从中心向四周呈圈形分布。