采空区石门负压对氧气浓度场影响的动态演变过程研究_陈良舟.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 采空区石门负压对氧气浓度场影响的动态 演变过程研究 陈良舟 1， 谯 石 2， 戚绪尧1， 李学文2， 焦庚新1， 姬有仓3， 白成武3， 陈 靓 2， 宋润权3 （1．中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 2．四川省筠连川煤芙蓉新维煤业有限公司， 四川 宜宾 644000； 3．四川煤矿安全监察局安全技术中心， 四川 成都 610000） 摘要 为了研究采空区石门负压对采空区氧气场影响的动态演变过程， 采用数值模拟方法构 建了某矿综采工作面 CFD 模型并进行二次开发， 模拟了瓦斯抽放石门位于采空区不同位置时采 空区的氧气场分布。模拟结果表明 当瓦斯抽放石门位于煤自燃 “三带” 不同位置时， 石门负压对 采空区氧气浓度场具有不同影响， 其中， 石门位于散热带和自燃带范围时， 石门负压会不同程度 减小自燃带宽度， 有效缓解采空区防治煤自燃压力； 石门位于窒息带范围时， 能缩小回风巷一侧 自燃带范围， 但由于石门负压导致采空区内部负压过高， 工作面向采空区内漏风增加， 使运输巷 一侧自燃带范围急剧扩张， 不利于运输巷一侧采空区防灭火工作。最后， 将现场实测数据和模拟 结果进行对比， 证明了模拟结果的正确性。 关键词 石门负压； 氧气浓度场； CFD 模型二次开发； 动态演变； 煤自燃 “三带” 中图分类号 TD752．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 01-0047-05 Study on Dynamic Evolution Process of Negative Pressure Influence of Crosscut on Oxygen Concentration Field in Goaf CHEN Liangzhou1, QIAO Shi2, QI Xuyao1, LI Xuewen2, JIAO Gengxin1, JI Youcang3, BAI Chengwu3, CHEN Liang2, SONG Runquan3 （1.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Sichuan Junlian Sichuan Coal Furong Xinwei Coal Industry Co., Ltd., Yibin 644000, China;3.Safety and Technology Center of Sichuan Coal Mine Safety Supervision Bureau, Chengdu 610000, China） AbstractIn order to study the dynamic evolution process of negative pressure influence of the crosscut on the oxygen concentration field in the goaf, the CFD model was developed with the data collected from the fully mechanized mining face of coal mine． The model was used to simulate the distribution of oxygen concentration field when the gas drainage crosscut is located at three different positions of the coal spontaneous combustion three zones in the goaf． The results show that when the gas drainage crosscut is located at different positions of the“three zones”of coal spontaneous combustion, the negative pressure of the crosscut has different effects on the distribution of the oxygen concentration field． When crosscut is located in heat dissipation zone and spontaneous combustion zone, the negative pressure of crosscut can reduce the range of spontaneous combustion zone to different extents, which can effectively alleviate the spontaneous combustion of coal． When the crosscut is located in the suffocating zone, it can reduce the range of the spontaneous combustion zone on the side of return air tunnel, but the range on one side of transportation roadway is expanding rapidly, which is not conducive to fire prevention work in goaf． Finally, the data measured by the on-site beam tube monitoring system are compared with the simulation result, which proves 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0801800） ； 国家 自然科学基金资助项目（51774275， U1810106） ；江苏省自然科学 基金面上资助项目 （BK20161183） DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．011 陈良舟， 谯石， 戚绪尧， 等．采空区石门负压对氧气浓度场影响的动态演变过程研究 ［J］ ．煤 矿安全， 2020， 51 （1） 47-51． CHEN Liangzhou, QIAO Shi, QI Xuyao, et al． Study on Dynamic Evolution Process of Negative Pressure Influence of Crosscut on Oxygen Concentration Field in Goaf ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1 ） 47-51．移动扫码阅读 47 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 煤炭仍是我国目前最为重要的能源之一。在高 强度的煤炭开采过程中，瓦斯爆炸、煤炭自燃等煤 矿热动力灾害仍威胁着井下工作人员的生命安全[1]。 对于瓦斯含量高且易自燃的煤层，在工作面推进过 程中，开采强度提高导致工作面瓦斯涌出量增加， 随着工作面调风调压等变化，工作面向采空区的漏 风导致采空区内煤自燃危险性也急剧增加。因此， 阐明瓦斯和煤自燃对工作面、采空区的复合影响， 并提出有效的防治措施仍是该领域的研究重点。 瓦斯抽采是目前解决高瓦斯矿井煤炭开采的主 要措施[2]， 其中采空区瓦斯抽采对采空区氧气浓度 场的分布影响最大。对于采空区瓦斯抽采和煤自燃 的耦合影响， 一些学者已进行大量研究。李宗翔[3]提 出了采空区瓦斯与煤自燃耦合概念，并通过模拟和 实测得出大量瓦斯涌出能缩小自燃氧化区和自燃高 温区的范围。任万兴[4]分析了超大俯采工作面煤自 燃与瓦斯共存的特点，并提出了相应的防灭火措 施。秦波涛[5]研究了近距离煤层综放开采瓦斯与煤 自燃复合灾害问题，并针对具体煤矿提出了“抽- 注-堵” 一体化综合防灭火技术。张辛亥[6]采用大型 煤自然发火实验台研究了综放工作面采空区抽采条 件下自燃 “三带” 的分布规律。 但目前缺乏对采空区负压抽放对氧气浓度场影 响的动态演变研究， 大部分文献[6-10]一般关注特定条 件下采空区自燃 “三带” 的分布情况， 并未深入分析 氧气场的动态演变历程。而只有准确掌握采空区负 压抽放条件下采空区氧气场分布随时间推移的动态 变化，才能及时了解采空区煤自然发火危险区域， 做到有的放矢。为此，利用现场实测数据进行参数 校准和验证， 对 CFD 模型进行二次开发， 建立了符 合实际的 CFD 模型， 在此基础上模拟了采空区石门 负压抽放条件下采空区氧气场分布的演变，并总结 了采空区石门负压抽放位置对氧气场的影响规律， 对现场防灭火具有重要指导意义。 1采空区氧气分布理论和 CFD 模型二次开发 1.1基本控制方程 采空区气体流动遵守能量守恒、 质量守恒、 动量 守恒定律和组分守恒定律。主要控制方程如下 连续性方程 ∂ρ ∂t ＋ ∂ （ρui） ∂xi Sm（1 ） 式中 ρ 为混合气体密度， kg/m3； t 为时间， s； ui 为 i 方向上的速度分量， m/s； Sm为气体质量增减量； xi表示三维空间中的 i 方向。 。 动量守恒方程 ∂ ∂t（ρu i） ∂ ∂xj（ρu iuj） ∂p ∂xi ∂τij ∂xi ρfiSi（2 ） 式中 p 是气流微元压力， Pa； τij是黏性应力张 量； fi为 i 方向上的重力体积力， N； Si为 i 方向上气 体在多孔介质中运动时受到阻力而产生的动量损失 源项； uj为 j 方向上的速度分量， m/s； xj表示三维空 间中的 j 方向。 能量守恒方程 ∂ （ρT） ∂t div （ρuT） div （k cp gradT） ST（3 ） 式中 cp为比热容， J/ （kg ℃） ； T 为热力学温度， K； k 为采空区气体的导热系数； ST为能量源项。 1.2采空区多孔介质模型 采空区内主要是破碎岩块和碎煤充填堆积， 因 此可看成 1 个分布不均的多孔介质区域，可通过在 动量方程添加动量损失源项来描述采空区多孔介质 对气体流动的附加阻力[10]。 Si- （ 3 j 1 ΣDijμvj 3 j 1 ΣCij 1 2 ρ│vj│vj） （ix， y， z） （4 ） 式中 Si为多孔介质流动过程的动量损失源； μ 为动力黏度， N s/m2； vj（j＝1， 2， 3 ） 为 x、 y、 z 方向的速 度分量， m/s； ρ 为流体密度， kg/m3； Dij、 Cij分别为黏性 阻力和惯性阻力损失系数，采空区内部漏风风速较 小， 惯性阻力项忽略不计， 主要由黏性阻力项影响采 空区内渗流动量损失。 黏性阻力系数 D 与采空区渗透率 k 互为倒数， 且黏性阻力系数在流体微元体上简化为各向同性， 故可简化为 Si- 1 k μvj（5 ） 式中 k 为采空区渗透率，通过 Carman-Kozeny 公式得到采空区孔隙率 n 与渗透率 k 的关系 k- k0 0.241 n3 （1-n） 2 （7） 式中 k0为比例系数， 取 10-9。 the correctness of the simulation results. Key words negative pressure of crosscut; oxygen concentration field; CFD model redevelopment; dynamic evolution;“three zones”of coal spontaneous combustion 48 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 1工作面过石门前模拟结果 Fig．1Before working face passing through crosscut simulation results 1．3采空区气体组分输运模型 采空区内氧气、 二氧化碳、 一氧化碳、 甲烷等气 体会发生各种物理、化学反应，其中对氧气浓度场 分布产生影响的主要有煤体氧化、瓦斯涌出等， 采 空区内气体组分遵守组分质量守恒方程 ∂ （ρcs） ∂t div （ρμcs） ＝div （Γsgrad （ρcs） ） Ps（8） 式中 cs为气体组分 S 的体积浓度， mol； ρ 为气 体的质量密度， kg/m3； Γs为组分的扩散系数； Ps为该 组分在单位时间和体积的质量变化率。 氧气和采空区遗煤发生煤氧吸附等复合反应是 氧气浓度不断下降的主要原因，根据煤和氧气在低 温氧化阶段的反应特性， 氧气消耗速率 RO 2为 RO 2＝AC （O2） αexp （-E/RT） （9） 式中 E 为反应活化能， 根据不同煤种可取 12～ 95 kJ/mol，本次模拟取 65 kJ/mol； A 为指前因子； α 为常数， 取值为 0．5～1．0 之间； R 为气体常数； T 为热 力学温度， K； C （O2） 为氧气浓度。 1．4模拟参数和 CFD 模型二次开发 某煤矿综采工作面走向长 120 m，平均倾斜长 430 m， 面积 51 600 m2， 平均采高 3．2 m， 工作面采 用 “U” 型全风压通风方式。为缓解工作面上隅角瓦 斯超限问题，该矿通防部门决定在工作面采过瓦斯 抽放石门之后利用石门负压解决工作面瓦斯涌出问 题。模拟利用现场实测的数据校准验证，把采空区 多孔介质的描述、黏性阻力及采空区遗煤消耗速率 等复杂边界条件的表达式编写成 UDF 文件并导入 到 Fluent 求解器中进行编译、 求解[8]。所用到的 UDF 指 定 类 宏 有 DEFINE_PROFILE、 DEFINE_SOURCE 及 DEFINE_PROPERTY 等。 2结果分析 2．1采空区煤自燃 “三带” 划分 供氧是煤自燃的决定性因素之一，根据氧气浓 度划分法[11]， 并考虑到采空区石门的特殊情况， 最终 确定自燃带的氧浓度范围为氧气浓度 5～15， 散 热带的范围为氧气浓度大于 15， 窒息带的氧气浓 度范围为小于 5。 2．2模拟结果 工作面经过瓦斯抽放石门前后，采空区氧气浓 度场分布及自燃带分布云图如图 1、 图 2。通过对比 可以看出石门负压使得采空区靠近回风巷一侧的氧 气浓度分布发生较大变化，沿着工作面向回风巷一 侧方向自燃带范围逐渐变窄，靠近工作面中央自燃 带范围有不同幅度减小，尤其在回风巷一侧的采空 区， 自燃带范围下降很明显。工作面过石门之前， 回 风巷一侧距离工作面不足 10 m 处氧气浓度已经降 到 15， 工作面经过石门之后， 大概在 20 m 处氧气 浓度才降到 15，整个自燃带的范围也明显变小。 可以得出当瓦斯抽放石门位于散热带范围内时， 石 门负压能有效缩小自燃带的范围。 瓦斯抽放石门处于自燃带范围内时采空区的氧 图 2工作面过石门后 （刚进入散热带范围） 模拟结果 Fig．2Crosscut located in heat dissipation zone simulation results 49 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 图 3石门位于自燃带范围时模拟结果 Fig．3Crosscut located in spontaneous combustion zone simulation results 图 4石门位于窒息带范围时模拟结果 Fig．4Crosscut located in suffocating zone simulation results 图 5工作面束管监测测点布置示意图 Fig．5Beam tube monitoring point layout diagram in working face 气浓度场如图 3。可以看出， 处于自燃带范围内的石 门负压调风更明显地缩小回风巷一侧自燃带的范 围，从氧气浓度变化曲线图上可看出自燃带范围缩 小了 10～20 m，有效减小了回风巷一侧采空区防治 煤自燃的压力。可以得出当瓦斯抽放石门处于自燃 带范围内，利用瓦斯抽放石门负压可以很大程度缩 小采空区自燃带的范围，对于采空区防止煤自燃具 有非常明显的效果。 瓦斯抽放石门位于窒息带范围内采空区氧气浓 度场的分布情况如图 4。可以看出， 处于自燃带范围 内的石门负压调风能明显减小回风巷一侧自燃带的 范围，靠近回风巷一侧自燃带范围缩小至 20 m 左 右，有效减小了回风巷一侧采空区防治煤自燃的压 力。但靠近运输巷一侧采空区自燃带范围却有较大 扩张。推测可能由于石门负压导致工作面向采空区 漏风情况加重，使得这一区域氧气浓度始终很难下 降到 5以下， 增加了这一区域煤自燃危险性， 这种 情况很不利于靠近运输巷一侧采空区的煤自燃防 治。因此， 当瓦斯抽放石门处于窒息带范围内， 可以 适当考虑关闭石门负压调风，减小运输巷一侧防治 煤自燃的压力。或者有针对性地对运输巷一侧的采 空区采取防灭火措施， 注入氮气、 三相泡沫等， 保证 工作面安全生产。 2．3现场实测和模型验证 为了验证模拟结果的准确性，采用束管监测的 方法在工作面运输巷、回风巷分别设置了 2 个测点 采集氧气浓度变化值， 相邻测点间距 24 m， 分别编 号 1＃、 2＃、 3＃、 4＃测点， 工作面束管监测测点布置示意 图如图 5。 将束管监测采集的数据和模拟结果进行对比， 此处以工作面过石门之前的数据为例进行对比分 析， 采空区氧气浓度模拟结果与实测数据的对比如 图 6。 从图 6 可以看出，运输巷和回风巷的束管实测 数据和 CFD 模型的模拟结果吻合度很高， 进一步说 明了对于 CFD 模型的二次开发以及相关参数设置 的正确性， 也表明了文模拟结果的可靠性。 3结论 1） 随着工作面不断推进， 当瓦斯抽放石门位于 煤自燃 “三带” 的不同位置时， 石门负压对于采空区 50 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 图 6采空区氧气浓度模拟结果与实测数据的对比 Fig.6Comparison of simulated oxygen concentration and measured data 氧气浓度场的分布具有不同影响，其中石门位于散 热带和自燃带范围时，石门负压能不同程度减小自 燃带范围， 越靠近回风巷， 减小的程度越明显， 能有 效缓解防治采空区煤自燃的压力；石门位于窒息带 范围时，虽然能缩小回风巷一侧自燃带的范围， 但 由于石门负压导致采空区内部负压过高，工作面向 采空内漏风增加，使运输巷一侧自燃带范围急剧扩 张， 不利于采空区防灭火工作。因此， 在工作面推进 过程中，应根据实际情况，调整石门负压抽放系统 的运行，或者有针对性地对运输巷一侧的采空区采 取防灭火措施， 注入氮气、 三相泡沫等， 全面保证工 作面的安全生产。 2） 利用现场采集的数据将采空区多孔介质描述、 黏性阻力及采空区遗煤消耗速率等复杂边界条件的 表达式编写成 UDF，对 CFD 模型进行二次开发， 能 有效提高模拟的准确度。通过现场的束管监测系统 测得的数据和模拟结果进行对比，证明了模拟结果 的正确性。 参考文献 ［1］ 王德明．煤矿热动力灾害及特性 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （1） 137－142． ［2］ 袁亮．卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体 系 ［J］ ．煤炭学报， 2009， 34 （1） 1－8． ［3］ 李宗翔， 吴强， 肖亚宁．采空区瓦斯涌出与自燃耦合基 础研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2008， 37 （1） 38－42． ［4］ 任万兴， 巫斌伟， 王德明， 等．高瓦斯易自燃超大俯采 工作面的防灭火技术研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2009， 26 （2） 198－202． ［5］ 秦波涛， 鲁义， 殷少举， 等．近距离煤层综放面瓦斯与 煤自燃复合灾害防治技术研究 ［J］ ．采矿与安全工程 学报， 2013， 30 （2） 311－316． ［6］ 张辛亥， 陈曦， 李艳增．综放采空区抽放条件下自燃＂ 三带＂分布规律 ［J］ ．西安科技大学学报， 2008， 28 （2） 279－282． ［7］ 王海生．低瓦斯矿井自燃 “三带” 划分及模拟 ［J］ ．煤矿 安全， 2012， 43 （10） 177－180． ［8］ 文虎， 程小蛟， 许延辉， 等．特厚煤层综放工作面不同 漏风源位置对自燃带分布的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （2） 138－142． ［9］ 何启林， 袁树杰， 王新建， 等．徐庄煤矿综放采空区 “三 带” 宽度的确定 ［J］ ．煤矿安全， 2001， 32 （2） 6－7． ［10］ 时国庆， 王德明， 仲晓星， 等．综放面采空区氧化带分 布规律的 CFD 模拟 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2010， 27 （4） 568－571． ［11］ 杨宏民， 李化金．采空区自然 “三带” 划分指标的探讨 ［J］ ．煤矿安全， 1998， 29 （5） 26－28． 作者简介 陈良舟 （1994） ， 男， 安徽安庆人， 在读博士 研究生， 研究方向为矿井通风与防灭火。 （收稿日期 2018-12-06； 责任编辑 陈洋） 51 ChaoXing