采空区自燃带和瓦斯分布规律的数值模拟

刘佳佳,　高建良,　王　丹

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027;2.河南理工大学 安全科学与工程学院, 河南 焦作 454003;3.河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室, 河南 焦作 454003)



采空区自燃带和瓦斯分布规律的数值模拟

刘佳佳1,高建良2,3,王丹1

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院, 哈尔滨 150027;2.河南理工大学 安全科学与工程学院, 河南 焦作 454003;3.河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室, 河南 焦作 454003)

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对潞安集团某矿6206综采工作面采空区进行数值模拟，研究工作面采用Y型通风系统时采空区自燃带和瓦斯的分布规律。结果表明：将6206综采工作面改造为Y型通风系统后，工作面和采空区的最低负压区在回风巷出口处，涌出的瓦斯涌入回风巷后排出，工作面向采空区的漏风量较大，散热带基本处于采空区整个区域内，自燃带范围较小；Y型通风方式可以有效防止采空区煤炭自燃，解决上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限问题。工作面的理论计算风速值与数值模拟风速值吻合，验证了数值模拟方法的可靠性。

Y型通风; 采空区; 瓦斯运移; 数值模拟

0　引　言

近年来,随着煤层开采深度的增加,采掘工作面的瓦斯涌出量呈明显增长趋势。受综采工作面回采强度大,采空区遗煤多、漏风量大等因素的影响,煤矿采煤工作面普遍使用的U型通风系统回风巷和上隅角瓦斯超限问题越来越严重,制约着综采工作面安全、高效生产[1]。

解决瓦斯积聚最有效最基本的措施是加强通风,因此,选择合理、可靠的工作面通风系统是防止瓦斯积聚和采空区漏风引起煤炭自燃的关键[2]。目前,国内的许多专家学者对Y型通风系统条件下的综采工作面采空区流场和瓦斯运移规律进行了大量研究。何磊、杨胜强等[3]的研究结果表明,Y型通风系统可以消除采空区上隅角的集中漏风,有效解决U型通风上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限等问题;徐钧、戚良锋等[4]利用模拟软件Fluent对“两进一回”Y型通风系统采空区流场和瓦斯浓度场进行了模拟研究,得到采空区瓦斯流动及浓度分布规律;王峰、程远平等[5]利用Fluent模拟软件研究有无抽采条件下采场瓦斯浓度分布规律;李宗翔、李海洋等[6]研究了注氮与工作面回采的合理配比关系,对防止Y型通风采空区自燃问题有明显效果。

目前,国内关于Y型通风系统“三维”采空区的自燃现象和瓦斯运移规律的研究较少,笔者以潞安集团某矿6206综采工作面为例,采用计算流体力学软件Fluent对工作面Y型通风系统下三维采空区自燃带和瓦斯爆炸界限宽度进行了模拟研究。

1　工作面概况及数值模型

1.16206综采面概况

6206综采面位于62采区下山,是矿井埋藏最深的工作面之一。煤层厚度4.5 m左右,倾角约为2°,工作面走向长度1 600 m,切眼长度100 m,采用综合机械化采煤法,月产煤炭约24 000 t,瓦斯涌出量较大,绝对涌出量为28.5 m3/min。为了防止上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限,将6206综采工作面U型通风方式调整为“两进一回”的Y型通风方式。

1.2采空区瓦斯运移的物理模型

根据6206综采工作面现场的实际情况,采空区走向长度取200 m;工作面倾斜长度为100 m;上下部进风巷长10 m,宽3 m;工作面宽度为5 m;Y型通风方式采空区内沿空留巷长200 m,宽3 m。由于“三带”中弯曲下沉带变形比较小,采空区遗煤基本位于冒落带内,故本模型只考虑冒落带,并将冒落带设为瓦斯源项。取采空区走向方向为x轴,采空区倾斜方向为y轴,采空区垂直方向为z轴,建立三维物理模型,如图1所示。

图1　6206工作面采空区的物理模型

1.3采空区瓦斯运移的数学模型

1.3.1假设与简化

采空区是由煤体与岩石组成的多孔介质,其内煤体和冒落岩石的孔隙通道非常不规则,气体的流动状态比较复杂,工作面区域瓦斯为湍流流动,采空区的瓦斯符合渗流达西定律。为了反映所研究问题的基本规律,作如下假设:

(1)采空区多孔介质视为各向同性,其渗透率不考虑时间的影响。

(2)采空区气体视为不可压缩气体,其流动近似为稳定流动、等温过程。

(3)组分运输中气体设为CH4、O2和N2的混合气体,忽略H2O、NO2等小组分气体,假设瓦斯在混合气体中的扩散系数保持不变。

(4)由于甲烷气体的密度小于空气的密度,甲烷在三维模型内会因为重力上浮,产生采空区上部甲烷浓度大于下部的现象,故在Fluent中需要设定重力环境,重力为9.8 N/kg,方向垂直于煤层底板向下。

1.3.2控制方程

根据质量守恒定律和渗流定律,建立采空区瓦斯运移的控制方程。

连续性方程:

式中：u、v、w——x、y、z方向的速度分量,m/s。

动量方程:

式中：ε——湍动能耗散率,m2/s3;

ρ——采空区气流密度,kg/m3;

μ——动力黏滞系数,pa·s;

p——压力,Pa;

e——采空区渗透率,m2。

组分传输方程:

式中：φS——组分S的体积分数,%;

SS——组分生产率,kg/(m3·t);

DS——组分的扩散系数。

标准k-ε方程:

式中：k——湍动能,m2/s2;

μt——湍流动力黏滞系数,μt=ρCμk2/ε,Pa·s;Cμ=0.09;

Gk——平均速度梯度引起的湍动能k的产生

项;C1ε=1.44；

C2ε=1.92;

σk=1.0;

σε=1.3。

2　边界条件及数值模拟过程

2.1边界条件

进风巷设置为速度入口(Velocity-inlet),平均风速为2.5 m/s,其氧气体积分数为21%,进风巷瓦斯的体积分数为0;回风巷设置为自由出流(Out-flow);所有壁面为无滑移边界条件,工作面近壁面采用标准壁面函数法处理,壁面以绝热对待;工作面与采空区的边界设置为内部边界(Interior)。

采空区渗透率按照自由堆积假设满足函数

式中:a、b——分布不均衡系数；

c——渗透率基数；

D——平动系数；

L——采空区宽度。

采用自定义函数方法(UDF)将采空区瓦斯涌出源定义为随着采空区深度的增加瓦斯涌出强度逐渐衰减的线性分布,根据自由堆积假设将采空区渗透率定义为连续分布的函数关系[7]。

2.2数值模拟过程

利用Gambit软件在笛卡尔坐标系下建立模型并进行网格划分。工作面和进回风巷为一个体积,采空区为一个体积,进行非结构化网格划分。定义模型的边界条件,导入Fluent软件进行数值解算。解算时采用控制容积法对控制方程进行离散,对流项和扩散项采用一阶迎风格式,每条迭代线采用三对角矩阵算法和松弛因子相结合的方法进行迭代计算,速度与压力之间的耦合采用Simple算法[8]。

3　结果分析

3.1数值模拟结果

3.1.1不同通风方式的采空区自燃三带划分

根据采空区自燃三带漏风风速划分标准[9],风速>0.004 00m/s为散热带,风速在0.004 00～0.001 67m/s之间为自燃带,风速<0.001 67m/s范围为窒息带。对采空区自燃三带进行划分,取垂直方向离底板z=2m的平面进行模拟,结果如图2所示。

通过分析图2得出,6206工作面使用Y型和U型不同通风方式,采空区自燃三带有较大差别。U型通风时, 采空区进风巷侧散热带为0～80m,自燃带为80～97m,窒息带为97～200m;采空区回风巷侧散热带为0～102m,自燃带为102～135m,窒息带为135～200m。

图2　6206采空区风速分布(z=2 m)

采用Y型通风时,工作面和采空区的最低负压区在回风巷出口处,工作面向采空区的漏风量较大,散热带基本处于采空区整个区域内,自燃带范围非常小。研究结果表明,对于6206工作面回采初期,工作面使用Y型通风方式可以较好地解决采空区遗煤自燃问题。

3.1.2不同通风方式的采空区瓦斯爆炸界限范围

瓦斯爆炸的三个必要条件:(1)瓦斯体积分数在5%～16%之间;(2)瓦斯的引火温度为650～750 ℃;(3)氧气体积分数>12%,可以确定采空区瓦斯爆炸的界限宽度。根据该条件,模拟结果取垂直方向离底板z=2m的平面进行分析,如图3所示。

通过分析图3可以得出,6206工作面采用Y型和U型不同通风方式,采空区瓦斯爆炸界限有较大差别。采用U型通风系统时,工作面采空区的漏风范围比较小,在进风巷侧采空区瓦斯爆炸界限范围为65～90m,宽度为35m。采用Y型通风系统时,工作面向采空区的漏风量比较大,工作面和采空区涌出的瓦斯进入回风巷排出,有效地解决了上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限的问题。

图3　6206采空区瓦斯分布(z=2 m)

3.2工作面改造前后实测结果

为了分析6206综采面使用Y型通风的瓦斯分布情况,对6206综采面回风巷的瓦斯体积分数(φ)进行监测,并与采用U型通风的回风巷监测数据进行对比,结果如图4所示。

图4　工作面通风方式改造前后回风巷瓦斯浓度分布

由图4可以看出,6206综采工作面使用U型通风方式时,工作面和采空区的最低负压区位于上隅角附近,上隅角瓦斯容易积聚,在回采的50d内回风巷瓦斯超限8次(瓦斯超限报警体积分数为0.8%),严重制约着工作面的安全生产;将综采面改造为Y型通风方式后,工作面和采空区的最低负压区后移至回风巷的出口,上隅角和回风巷未出现瓦斯超限的情况,工作面月产煤炭量可以突破30 000t,实现了工作面的安全高效生产。

3.3理论计算结果验证

为了验证数值模拟结果的可靠性,对比6206综采工作面U型通风方式模拟解算的风速值(vm)与相同条件下根据经典流体力学计算的风速值(vl)。计算理论风速值时,先计算巷道雷诺数,然后根据尼古拉茨实验公式计算沿程阻力系数,最后带入湍流速度分布的经验公式求得结果。

x=13m、z=1m处工作面横断面观测线(0

表1　模拟解算风速值与理论计算风速值

由表1可知,在工作面横断面观测线上模拟解算的风速值与理论计算的风速值误差很小,最大绝对误差为0.02,最大相对误差为0.30%,均在工程误差的允许范围之内。该结果在理论上验证了采用计算流体力学软件Fluent研究采空区自燃带和瓦斯分布规律的可靠性。

4　结　论

(1)6206工作面采用Y型通风系统,工作面和采空区的最低负压区在回风巷出口处,涌出的瓦斯涌入回风巷排出,工作面向采空区的漏风量较大,散热带基本处于采空区整个区域内,自燃带范围非常小。 6206工作面采用Y型通风方式可以较好地解决采空区遗煤自燃、上隅角瓦斯积聚及回风巷瓦斯超限的问题。

(2)6206综采工作面理论计算风速值与数值模拟风速值的对比结果,验证了采用计算流体力学软件Fluent研究采空区自燃带和瓦斯分布规律的可靠性,表明该研究方法可行。

[1]秦跃平, 朱建芳, 陈永权, 等. 综放开采采空区瓦斯运移规律的模拟实验研究[J]. 煤炭科学技术, 2003, 31(11): 13-16.

[2]余海龙, 鲜学福, 尹光志. 变形Y型通风方式防治瓦斯积聚的试验[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2000, 23(6): 45-48.

[3]何磊, 杨胜强, 暴庆丰, 等. Y型通风方式下采场瓦斯运移规律的数值模拟研究及瓦斯治理分析[J]. 矿业安全与环保, 2011, 38(2): 33-36.

[4]徐钧, 戚良锋. Y型通风采空区瓦斯流场数值模拟研究[J]. 安徽理工大学学报: 自然科学版, 2010, 30(3): 29-31.[5]王峰, 程远平, 王海锋, 等. 近距离保护层Y型通风工作面瓦斯抽采数值模拟研究[J]. 煤炭技术, 2011, 30(6): 101-103.

[6]李宗翔, 李海洋, 贾进章. Y型通风采空区注氮防灭火的数值模拟[J]. 煤炭学报, 2005, 30(5): 51-55.

[7]李树刚, 钱鸣高. 综放采空区冒落特征及瓦斯流态[J]. 矿山压力与顶板管理, 1997(Z1): 79-81.

[8]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[9]张国枢. 通风安全学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2007.[10]陈立， 郭鑫禾， 武江河. 综放面采空区遗煤自燃“三带”范围的预测[J]. 河北工程大学学报： 自然科学版， 2010(3)： 69-71.

(编辑荀海鑫)

Numerical simulation on goaf spontaneous combustion zone and influence of gas distribution

LIUJiajia1,GAOJianliang2,3,WANGDan1

(1.College of Safety Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China; 2.College of Safety Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 3.Gas Geological State Key Laboratory of Gas Control, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

This paper introduces a numerical simulation of Lu’an Group, a 6206 mine fully mechanized mining working face goaf, by using the computational fluid dynamics(CFD) software Fluent and presents a study of the law governing the goaf spontaneous combustion zones and gas distribution, as occurs in the application of Y type ventilation system to working face. The results show the reconstruction of 6206 fully mechanized coal face into Y type ventilation system leads to the occurrence of minimum negative pressure zone of working face and goaf in the air return tunnel exit, resulting in emission gas influxing into return to be discharged and consequently greater air leakage from working face to goaf, thus allowing the whole area of goaf to be cooled, providing a smaller spontaneous combustion range. Y type ventilation system affords an more effective prevention of the spontaneous combustion of coal in goaf, and a better solution to the gas accumulation in the upper corner and gas overrun in return airflow roadway. The theoretical calculation and numerical simulation of wind velocity data verify the reliability of numerical simulation.

Y-type ventilation; goaf; gas migration; numerical simulation

1671-0118(2012)06-0562-05

2012-09-11

国家自然科学基金项目(51174079);黑龙江省自然科学基金项目(B2007-10)

刘佳佳(1985-),男,河南省焦作人,助教,硕士,研究方向:矿山通风理论与技术、瓦斯灾害防治,E-mail:843611001@qq.com。

TD724

A