Y型通风采空区注氮防火的数值模拟.pdf

第30卷第5期煤 炭 学 报Vol130 No15 2005年10月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYOct1 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 05 - 0593 - 05 Y形通风采空区注氮防灭火的数值模拟 李宗翔 1 ,李海洋 1 ,贾进章 2 1 1辽宁工程技术大学 职业技术学院,辽宁 阜新 123000 ; 21辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院,辽宁 阜新 123000 摘 要基于非均质漏风渗流方程、气体瓦斯、氧、 CO 渗流-扩散方程和多孔介质渗流综 合传热方程,建立了开采区注氮采空区自燃防灭火非定常数值模型.用迎风格式有限元方法联立 求解,通过计算机程序G3对Y形通风采空区注氮问题进行了数值模拟.描绘了Y形通风注 氮采空区的漏风流态和瓦斯、氧、CO等气体浓度以及温度的分布状态及其变化过程;以图形方 式给出了各量的区域分布解,分析了Y形通风采空区在注氮条件下特有的规律;给出了注氮与 工作面推进的合理配比关系.在进风侧向采空区注氮,对于防止Y形通风采空区自燃效果明显. 关键词Y形通风;采空区;注氮;温度场;有限元 中图分类号TD752.2 文献标识码 A 收稿日期 2005-01-11 作者简介李宗翔1962 - ,男,黑龙江绥化人,副教授,硕士.Tel 0418 - 2838120, E - mailzongxli7sohu1com Numerical si mulation of preventing spontaneous combustion by n itrogen injection in goaf of Y2type ventilation face L I Zong2xiang 1 , L IHai2yang 1 , J I A Jin2zhang 2 11College of Vocational, Liaoning TechnicalUniversity, Fuxin 123000, China;21College of Resource and Environment Engineering, Liaoning Tech2 nical University, Fuxin 123000,China Abstract Based on heterogeneous and porous medium seepage of air leakage2diffusion equation, as well as, gas and porousmedium synthesis heat transferring equation, a spontaneous combustion non2steady numerical model of nitrogen injection goafwas established; the process of nitrogen injection in goaf of Y2type ventilation face was nu2 merically simulated, by upwind finite element through the computer programs G3.The air flow state of nitrogen injection in goaf of Y2type ventilation face was described, the distribution state and its changing process of the concentration of the gas, oxygen, CO and temperature were done,too.The field solution was given in visual display .The special law under the condition of nitrogen injection in Y2type ventilation goafwas analyzed.The rea2 sonable relation of nitrogen injection and the speed of working face boosting were given.The effect to prevent the spontaneous combustion in Y2type ventilation goaf is obvious at the air in side. Key words Y2type ventilation; goaf; nitrogen injection; temperature field; finite element Y形通风对于排放采空区瓦斯和控制其他有害气体向工作面的涌入,以及防治工作面上隅角瓦斯超限 等,其效果是十分明显的 [1 ] ,今后在工程实践中的运用将会更加广泛.但Y形通风特有的漏风流态会使 采空区自然发火危险增大,影响工作面的正常生产.对于这一顾此失彼的问题,若考虑配以采空区注氮来 抑制或防止自燃的发生,则可以解决这一矛盾.因此,有必要先从理论上弄清Y形通风形式采空区注氮 的流体力学基本原理、流态过程和防灭火机制;这是与常规U形通风有不同边界条件的一类采空区场流 煤 炭 学 报 2005年第30卷 问题,也是定量化确定注氮参数和注氮技术理论研究方面必须要回答的一个内容.这里利用数值模拟方 法,对Y形通风采空区的注氮问题进行深入探讨和研究. 1 采空区遗煤自燃过程的计算程序G3及基本方程 采空区场流安全分析的定量化描述,涉及一场一态多相气体、温度的复杂动态问题的联立求解.笔者 开发的采空区垮落非均质漏风渗流、O2- CO - CH4气体浓度和温度分布及其动态变化的计算机程序简 图1 Y形通风注氮采空区的几何模型 Fig11 Geometrymodel of nitrogen injection in goaf of Y2type ventilation Q 工作面风量;Q1 配风量;Q2 排风巷风量 称G3 ,能够为此需要提供一种分析平台 [2 ]. G3 数值模型的主要特点①采空区渗流场用变渗透 性系数的达西渗流耦合计算来近似描述非线性渗流 湍流、过渡流 [3 ] ;②综合考虑氧化和瓦斯涌出 稀释的氧浓度的关系;③模型中非线性的、非自 伴性方程采用迎风格式有限元解法 [4 ]. 求解首先计 算采空区漏风流态和速度场、按瓦斯涌出强度求瓦 斯分布,动态变化过程采用时间差分,按时间循环 迭代计算煤的耗氧生热、氧浓度、CO和温度分布. Y形通风注氮采空区几何模型如图1所示.在采空 区平面流场Ω中,综合考虑一场一态多相气体、温度的动态问题联立求解的非线性方程组为 b M K p -1 3 K 0 p -1 2 p 2 pf Wg, d c Θ dτ v c Θ[D c Θ ] c - cΘ cn W Θ , Ce 9t 9 τ CgVt λe 2 t QS H h t - Tf , W O2 - 1- n H1γ 0e b0t nc O20H W CH4 c - cO2 c O2 , W CO2β W O2 - W1/H, QS b2 b1βW O2 - TW- T0λSCS/π τ, 式中,Ω为计算区域;p,pf分别为通风动力风压和自燃热风压 [5 ] ,Pa;b为待定的识别参数, m 2 / Pas ;M为采高, m;KP为垮落碎胀系数分布函数 [3 ] ;K 0 P 为初冒碎胀系数;Wg为采空区瓦斯 涌出强度, mol/ m 2 s ,Wg 01022 4W CH 4 H;Θ 为 Ω中各相气体 CH 4, O2, CO 组分; c Θ为Θ相气体浓度, mol/m3;c为全相空气饱和浓度,c 441643 mol/m3;n为空隙度;τ为时 间变量;v为真实速度,vV / n 其中V是由方程组第1式解出的渗流速度场 ; D为气体弥散系数张 量 [4 ] , m 2 /s;WΘ为Θ气体产生或被消耗的源汇项, mol/ m 3 s ;Ce为垮落介质有效热容量, J / m 3 ℃ , CenCg 1 - n Cs,其中Cs,Cg分别为多孔骨架、空隙气体的当量热容, J / kg ℃ ; t为采空区温度,℃;λe为垮落介质有效热传导系数, W / m℃ ; λenλg 1 - n λs,其 中λs,λg分别为多孔骨架、空隙气体的热传导系数 ;源汇Qs中第2项为向底板的传热项 [2 ] ;H为流场垮 落高度函数 , m;h为对流换热系数, W / m 2 ℃ ; Tf为风流温度,℃;H1为采空区遗煤厚度, m, γ 0为煤耗氧速度待定系数, mol/ m 3 s ;b0为实验常数 [6 ] ,b0 01023 5℃ - 1 ;β为产生CO化学反应 的耗氧量占煤耗氧总量的比例,取β a1 a2- a1 cO 2 /c0 O 2 , 其中a101053,a20108;W1 为采空区吸收CO强度, mol/ m 2 s ;b1,b2为煤对应化学反应、化学吸附氧化热, J /mol;TW为底板 处的煤矸温度;T0为初始温度,℃; 2 方程求解的初值、边界条件及模拟算例 边界条件ppi,0α1riQ 2 il 在工作面和上漏风巷道边界上 , p0 在其他边界 ; kHp - q, c Θ | Γ1 0 在注氮口边界,k为渗透性系数 ; c Θ | Γ1 c0Θ , t |Γ1 T0在漏入新风边界上 . 初始条件 c Θ | τ0 c0Θ , t |τ0 T0在Ω上 . 其中Γ1,Γ2分别为第 1,2类边界;q为注氮 495 第5期李宗翔等Y形通风采空区注氮防灭火的数值模似 口流量, m 3 /s .Qi为第i段漏风巷道或工作面的风量, m 3 /s;并规定Qi的方向与边界正方向逆时针 相同时ri0;pi,0为第i段漏风巷道边界上起点风压,Pa;ri为第i段漏风巷单位长度的风阻, Ns 2 /m 9 ;l为工作面或沿空巷漏风边界上距入风口的位置;α1为工作面及漏风巷道边界壁的局部阻力系 数;c0Θ为新风气体浓度,c0 O 2 91375 mol/m 3 ,c0COc0 CH 4 0. 以铁法晓南矿W3 - 705工作面为假设Y形通风注氮的计算条件,工作面的风量Q900 m 3 /min,正 常开采推进度为916 m /d;M215 m,KP1115～11 50 距工作面的负指数衰减率为01037,距固壁边界 衰减率01268 ,n 0113～0133,k 2114～60183 m 2 / Pa s [2 ] ;α1 0165,Wg 91110 - 5 ～512 10 - 4 mol/ m 2 s ,呈负指数衰减变化.计算中取 γ0213110 - 5 mol/ m 3 s ,以80℃ 为遗煤自燃 失控的标志,煤层为近水平,不考虑热风压的影响pf0,T0 17℃. 模拟计算程序在CPU为PⅣ- 210G的微机上运行,计算历时数小时.图2为采空区垮落非均质特征 及区域剖分结果,全区域采用三角形线性单元剖分,注氮口附近采取二次加密.Δp为风压等值线差距; Δq为流函数线的流量差距; QCH4,QCO分别为从采空区边界涌出的瓦斯、CO绝对涌出量;qL为工作面向 采空区的漏风量;v1为工作面推进度, m /d;Tmax为自燃采空区最高温度,温度等值线的差距为10℃.自 燃 “ 三带 ”划分中的自燃氧化带的确定按v112 m /min∩c O 2 10 的范围确定. 图2 采空区垮落碎胀系数KP分布及区域剖分 Fig12 The mesh division and the distribution of caving broken coefficient in nitrogen injection goaf 图3 注氮前采空区流态、气体浓度分布及温度场 Fig13 Air leakage state, gas concentration and temperature distribution in goaf before nitrogen injection r1,r201002 7, 01001 8 Ns2/m9;工作面漏风量qL - 9219 m3/min; 上回风巷中QCH41714 m3/min,QCO0137 m3/min,Δp5 Pa,Δq4 m3/min;达到稳定时的最高温度Tmax6912℃ 3 注氮计算结果的模拟分析 如图3的流态计算结果,采用Y形通风,工作面漏风是全程流向采空区内部方向的,因此,工作面 不受采空区瓦斯和CO等有害气体的影响.从图3计算机模拟采空区动态过程到35 d 趋于稳定的计算 595 煤 炭 学 报 2005年第30卷 图4 降低推进度时采空区温度分布 Fig14 Temperature distribution in goafwhen the working face boosts slowly 结果上看,由于W3 - 705工作面推进较快,正常推进速度为 916 m /d,未注氮情况的采空区温度达到稳定时虽然没有达到 自燃标志温度点 80 ℃ , 但已经接近自燃的临界状态,即 处于亚自燃状态;在上回风巷中持续有过量的CO释放涌出. 当工作面存在故障停顿或减慢推进度时,就有可能会发生自 燃.图4模拟了推进度v1 514 m /d时的自燃情况,模拟自 燃发火期为26 d,自燃高温点向前移动了约150 m,更靠近 工作面. 为避免这一不利情况的发生,应采取向采空区注氮措施, 图5模拟了当用1台注氮机以14 m 3 /min流量向采空区注氮 后采空区内各相气体浓度、温度的变化情况. 图5 注氮量14m3/min、日进度916 m在35 d时采空区流态、气体浓度分布、三带及温度分布 Fig15 Flow state, gas concentration distribution, tri2zones and temperature distribution in goafwhen the nitrogen quantity is 14 m3/min and advance length is 916 m /d, during the period of 35 d 工作面漏风qL78176 m3/min;上回风巷QCH41513 m3/min,QCO01093 m3/min,温度场Tmax2614℃,不自燃 模拟得到,在注氮条件下采空区几乎没有升温,注氮后流场的速度场整体变化不大,漏风流态和瓦斯 分布也仅在注氮管口附近区域发生变化;图5中显示了氮气流取代向采空区深部的漏风,由于注氮气流带 的形成,氧浓度分布发生了很大变化,注氮前入风侧高氧浓度区域尖突形部分反而消失,原来的自 燃氧化带最窄处却成了采空区自燃氧化的重心位置,这就降低了自燃危险性或根本不发生自燃.注氮的惰 化作用使采空区自燃氧化程度降低,同时,注氮后有害气体CO的分布发生了很大变化,在采空区深部由 注氮前的高浓度大面积分布到注氮后大幅度普遍降低,减少了CO向沿空巷道的涌出. 大量的模拟计算表明,对具体开采工作面,防止采空区自燃的发生决定于两个因素推进度与注氮的 合理配合.图6 a给出了单纯注氮而工作面处于停顿状态下采空区发生自燃的温度上升过程模拟结果. 695 第5期李宗翔等Y形通风采空区注氮防灭火的数值模似 图6 注氮量q14 m3/min在工作面不同推进度 0 或514 m /d下采空区的温度分布 Fig16 Temperature distribution in goafwhen the nitrogen quantity is 14 m3/min and the speed ofworking face are 0 and 514 m /d 图7 采空区自燃点的升温过程 Fig17 The temperature rising process caused by spontaneous combustion in goaf 1, 2, 3分别为工作面停顿状态,v1514, 916 m /d; 1′, 2′, 3′分别为注氮情况下工作面停顿、 v1514, 916 m /d 如图6 b所示,在注氮情况下,推进度即使降低到514 m /d 考虑到沿空留巷作业的限制 , 采空区仍 不会发生自燃.可 见,注氮对改善Y形通风采空区内部遗煤发生自燃的紧张危险 状态是非常有利的. 各种情况下的采空区自燃升温随时间的变化过程如图7所 示. 4 结 论 1在进风侧顺风注氮,氮气流经历于采空区深部区域, 氮气流首先取代了这部分的工作面向采空区的漏风,并缩小了 采空区高氧浓度区域自燃氧化带的范围,从而有效地控制 了采空区遗煤氧化升温的过程. 2单纯注氮不能完全避免自燃的发生,注氮与工作面 推进互动变化决定着自燃状况.注氮提高了采空区防自燃的安全性,降低了因工作面故障停顿带来的自燃 危险程度. 3 G3模拟注氮全过程方法有效, 输入的因素和输出的结果均很全面.提供的图形分布解给出Y形 通风采空区注氮条件下自燃升温过程和自燃易发区域位置,也能帮助确定满足预防自燃发生的合理注氮参 数流量和位置 , 限于篇幅不予赘述. 参考文献 [1] 牛建堂.利用h型通风解决综采面瓦斯[J ].煤, 2003 1 35～36. 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