采空區(qū)非間隔性注氮防火效果的數(shù)值模擬研究

采空區(qū)非間隔性注氮防火效果的數(shù)值模擬研究

0不斷擴(kuò)大,降低了工作面的推進(jìn)速度采空區(qū)的自然噴發(fā)是煤礦的主要災(zāi)害之一。采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃釋放出的有害氣體隨漏風(fēng)通道涌入工作面將會(huì)污染生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,影響作業(yè)人員健康。此外,在某種極端情況下,自燃產(chǎn)生的明火還可能引發(fā)瓦斯爆炸,造成無法挽回的重大損失。因此防止采空區(qū)煤自然發(fā)火是煤礦安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。目前,針對(duì)采空區(qū)自燃的預(yù)防及控制措施包括注氮、阻化劑、封堵漏風(fēng)通道,均壓滅火以及加快工作面推進(jìn)速度等。其中注氮是一種被廣泛應(yīng)用的較成熟的防滅火方法,通過向采空區(qū)注入一定量的惰性氣體破壞供氧條件,在不改變生產(chǎn)進(jìn)度和外部風(fēng)量的情況下,縮小自然升溫帶范圍,減少自燃的幾率。當(dāng)前普遍采用的埋管注氮方法是將多根注氮管搭接起來進(jìn)行間隔性循環(huán)注氮,隨著工作面的推進(jìn)注氮口位置將會(huì)不斷改變并偏離原有設(shè)計(jì)位置,注氮效果有可能無法達(dá)到預(yù)期要求,并且進(jìn)入采空區(qū)的注氮管無法回收,造成極大的資源浪費(fèi)。因此,有必要對(duì)傳統(tǒng)埋管注氮工藝進(jìn)行技術(shù)革新。非間隔性注氮是通過動(dòng)力裝置和牽引裝置按照一定速度逐漸將注氮管從采空區(qū)拖出,使之匹配工作面的推進(jìn)進(jìn)度,保持注氮口位置始終處于設(shè)計(jì)位置,因此注氮效果同傳統(tǒng)埋管循環(huán)注氮相比有較大優(yōu)勢(shì),并且可以將注氮管回收再利用,大大節(jié)約企業(yè)資源,提高經(jīng)濟(jì)效益。本文利用數(shù)值模擬方法,通過求解非間隔性注氮條件下采空區(qū)二維氧氣體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)來研究不同注氮口位置和注氮量時(shí)采空區(qū)自燃“三帶”的分布情況,并同埋管注氮進(jìn)行注氮效果比較,對(duì)非間隔性注氮的必要性從防火角度進(jìn)行論證,為以后注氮工藝的革新提供理論參考。1在廣闊的區(qū)域內(nèi)，氣體變量和質(zhì)量傳遞的數(shù)學(xué)模型1.1采空區(qū)冒落帶內(nèi)主要流態(tài)根據(jù)目前達(dá)成的研究共識(shí),氣體在采空區(qū)流動(dòng)可以看做空氣在多孔介質(zhì)中的滲流。采空區(qū)內(nèi)同時(shí)存在紊流,過渡流和層流三種狀態(tài),但諸多文獻(xiàn)研究結(jié)論表明,非線性流僅存在于靠近工作面的一小部分范圍內(nèi),為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程,假定層流為采空區(qū)內(nèi)主要流態(tài),忽略多孔介質(zhì)中風(fēng)流的慣性損失,動(dòng)量方程源項(xiàng)損失簡(jiǎn)化為達(dá)西定律。采空區(qū)內(nèi)垂直方向漏風(fēng)遠(yuǎn)小于水平方向漏風(fēng),而且采空區(qū)冒落帶高度同采空區(qū)寬度和長(zhǎng)度比很小,因此可以認(rèn)為在二維計(jì)算模型既可滿足工程需要。假設(shè)圍巖為不透氣邊界層,冒落帶內(nèi)多孔介質(zhì)近似為各向同性,氣體在空隙中的滲流除了受機(jī)械能影響產(chǎn)生對(duì)流作用外還受體積分?jǐn)?shù)差影響,既擴(kuò)散規(guī)律符合菲克假設(shè)。通常工作面兩端壓差不大,漏風(fēng)速度很小,因此可以認(rèn)為采空區(qū)氣體為不可壓流體,氣體密度保持不變。因?yàn)槟壳皩?duì)采空區(qū)自燃“三帶”的劃分大多依據(jù)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布情況,因此本文不對(duì)溫度場(chǎng)做深入研究,既不考慮熱量傳遞方程。假定采空區(qū)為連續(xù)的飽和多孔介質(zhì),忽略采空區(qū)內(nèi)各流體相變,僅考慮多孔介質(zhì)中流體的傳質(zhì)和流動(dòng)問題。1.2采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律經(jīng)過上述假設(shè)簡(jiǎn)化后,研究對(duì)象被假設(shè)為具有動(dòng)量源、組分源的二維多孔介質(zhì)傳質(zhì)問題。物理模型包括計(jì)算區(qū)域(工作面和采空區(qū))、壓力進(jìn)口(進(jìn)風(fēng)巷)、壓力出口(回風(fēng)巷)、速度進(jìn)口(注氮管)和壁面?？衫萌缦聰?shù)學(xué)模型進(jìn)行描述:上式反應(yīng)了采空區(qū)內(nèi)的混合氣體速度與濃度場(chǎng)在自燃耗氧與注氮稀釋影響下的變化過程,可以利用CFD計(jì)算軟件FLUENT求解上式后比較注氮前后、不同注氮方法和不同注氮參數(shù)條件下采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律。參考大多數(shù)文獻(xiàn)所取標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為氧化升溫帶位置介于氧氣濃度10%~18%之間。2帶氧化面積和注氮參數(shù)的確定2.1工作面采空區(qū)孔隙率以同煤集團(tuán)塔山煤礦8104工作面為研究對(duì)象,嘗試?yán)脭?shù)值模擬方法考察在注氮過程中采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律,確定合理的注氮量和注氮口位置,為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論依據(jù)和施工方案參考。塔山煤礦為年產(chǎn)千萬噸級(jí)大型煤礦,目前開采煤層為II級(jí)自燃煤層,最短自燃發(fā)火期為6個(gè)月,自投產(chǎn)以來,多個(gè)工作面曾發(fā)生過自燃或CO超限情況,以8104工作面尤為嚴(yán)重。8104工作面采用長(zhǎng)壁式機(jī)械化放頂煤全部垮落采煤法,無地?zé)岙惓?地壓情況正常。供風(fēng)量約為2800m3/min,工作面沿傾向約為207m,走向長(zhǎng)度取400m。采空區(qū)孔隙率分布一般情況下由于礦壓作用沿走向逐漸減小,兩道附近由于煤壁支撐沿傾向逐漸增大。根據(jù)礦壓位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本文通過擬合將采空區(qū)孔隙率表示為圖1,在距煤壁10m左右,受支架和煤壁支撐,孔隙率可以達(dá)到0.5左右,采空區(qū)深部由于巖層的沉降作用,孔隙率接近0.1。數(shù)值模擬時(shí)采用的滲透率按照?qǐng)D中給出的孔隙率利用Carmen-Kozeny公式進(jìn)行推算。由煤樣自燃升溫實(shí)驗(yàn)得常溫下新鮮空氣中煤樣耗氧速度1.52×10-5kg/m3·s;為了防止自燃發(fā)生,8104工作面目前采用傳統(tǒng)埋管循環(huán)注氮方法,以70m為步距對(duì)采空區(qū)進(jìn)行循環(huán)注氮,由此可對(duì)模擬結(jié)果合理性進(jìn)行驗(yàn)證,物理模型見圖2。2.2數(shù)值結(jié)果分析工作面采用標(biāo)準(zhǔn)的κ,ε雙方程紊流模型,進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口,風(fēng)速按照2800m3/min和巷道截面面積進(jìn)行換算。采空區(qū)設(shè)置為層流,由于真實(shí)的采空區(qū)流態(tài)非常復(fù)雜,這樣的設(shè)置對(duì)于所有區(qū)域并不是非常準(zhǔn)確,但可以保證反應(yīng)絕大部分的流場(chǎng)信息,能夠大致滿足工程需要。以新鮮空氣中耗氧速度WO02為參照,將不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下煤的耗氧速度編寫為UDF函數(shù)導(dǎo)入到FLUENT求解器中,對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式和中心差分格式離散,速度和壓力的耦合采用SIMPLE法。首先確定研究對(duì)象為采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布達(dá)到基本穩(wěn)定的階段,計(jì)算在未注氮情況下采空區(qū)氧氣分布情況,約經(jīng)過130次迭代后收斂。然后在采空區(qū)距工作面65m處設(shè)置160mm長(zhǎng)的內(nèi)部速度入口,入口方向朝采空區(qū)深部。計(jì)算20m3/min注氮量情況下采空區(qū)氧氣分布情況,大約200次迭代后殘差變化不明顯,可以認(rèn)為基本收斂。計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。從氧氣體積分?jǐn)?shù)分布情況看,在進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣較為集中,由于工作面風(fēng)量較大,滲透影響范圍高達(dá)近200m,進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶最大寬度介于約距工作面70~150m的區(qū)域內(nèi),空氣經(jīng)過沿途耗氧以及黏性動(dòng)量損失到回風(fēng)側(cè)氧氣濃度顯著降低,由于回風(fēng)巷道具有漏風(fēng)匯的作用,回風(fēng)側(cè)處存在小范圍的氧氣體積分?jǐn)?shù)局部增高,這與目前所掌握的資料差距不大,說明模擬結(jié)果可以為注氮參數(shù)研究提供參考。當(dāng)注氮口伸入采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)內(nèi)65m進(jìn)行注氮后,氧化帶范圍無論在進(jìn)風(fēng)側(cè)還是回風(fēng)側(cè)都出現(xiàn)明顯地縮小和前移,由此可見注氮起到了破壞采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)和稀釋氧氣的作用。2.3最佳注氮口位置的確定保持注氮量20m3/min不變,改變不同的注氮口位置觀察氧化帶寬度的變化情況,將所得數(shù)據(jù)以文本形式導(dǎo)出后進(jìn)行整理分析見圖5,可以得到氧化帶寬度和注氮口位置之間的關(guān)系,見圖3。從所得趨勢(shì)線可以看出隨著注氮口不斷向采空區(qū)內(nèi)部深入,氧化帶寬度開始縮小而后增大,40~60m為最佳注氮位置范圍。由此認(rèn)為注氮口位置最好應(yīng)和氧化帶保持一段距離,這樣可以給氮?dú)庖欢ǖ念A(yù)留空間來充分破壞采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)分布,使盡可能大的范圍內(nèi)的氧氣得到稀釋。由上述討論可取采空區(qū)55m處為適合的注氮口位置,然后改變不同注氮量觀察氧化帶寬度的變化情況,從對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到圖6,隨著注氮量不斷增大,氧化帶寬度開始減少,但減少趨勢(shì)逐漸平緩,說明在一定條件下,單純靠提高注氮量預(yù)防自燃的效果提升有限,這與Ren和Balusu的研究結(jié)論一致。鑒于目前注氮設(shè)備注氮量有限,因此最好聯(lián)合工作面風(fēng)量調(diào)節(jié)、均壓、堵漏和注漿等其它措施一并使用,實(shí)現(xiàn)綜合防治。3兩種注氮方法效果比較非間隔性注氮要求注氮管按照工作面推進(jìn)相匹配的速度從采空區(qū)拖出,這里可以近似看做注氮管與工作面保持相對(duì)靜止,而傳統(tǒng)埋管循環(huán)注氮方法由于注氮管靜止不動(dòng),當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)應(yīng)視為與工作面保持相對(duì)移動(dòng),移動(dòng)速度即為工作面推進(jìn)速度。取最佳注氮位置55m、注氮量30m3/min為例,取未注氮時(shí)達(dá)到穩(wěn)定情況下的采空區(qū)流場(chǎng)分布為初始條件,利用Fluent軟件中提供的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)兩種注氮方法效果進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬比較。從氧氣體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果圖7得出,非間隔性注氮由于注氮口始終位于最佳設(shè)計(jì)位置,經(jīng)注氮后采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)顯著降低,注氮18h后即可起到防火效果,一天后大面積區(qū)域內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降低到10%以下,第三天以后氧氣分布基本不再發(fā)生變化,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)采用傳統(tǒng)埋管循環(huán)注氮方法時(shí),起初在短時(shí)間內(nèi)由于注氮口位置移動(dòng)距離很小,兩者注氮效果差距不大,限于篇幅,這里不做討論。而經(jīng)過一定時(shí)間,隨著注氮口移動(dòng)距離越來越大,二者注氮效果差距開始體現(xiàn)出來。由于該工作面推進(jìn)速度較快(約5.5m/d),三天后采用傳統(tǒng)埋管注氮方法的采空區(qū)注氮口位置發(fā)生明顯偏離(見圖8),進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣帶位置后移,中部的氧氣等值線出現(xiàn)了輕微的膨脹,自燃帶主要集中在中部,隨著注氮口不斷地向采空區(qū)深入,中部等值線的膨脹越來越明顯,自燃帶寬度也就隨之增大。如果按照塔山礦目前采用的70m為一個(gè)注氮循環(huán),將計(jì)算結(jié)果以文本形式導(dǎo)出,兩種注氮方法之間的自燃帶寬度最大差距約為20~30m,這種差距是由于傳統(tǒng)埋管循環(huán)注氮方法注氮口不斷偏離最佳設(shè)計(jì)位置所致。非間隔性注氮注氮的優(yōu)勢(shì)非常明顯。4加強(qiáng)采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)分布,充分利用空間(1)當(dāng)采用注氮方法防治采空區(qū)煤自燃時(shí),注氮口位置不應(yīng)直接布置在氧化升溫帶中,最好應(yīng)和氧化帶保持一段距離,既存在一個(gè)最佳注氮位置確定的問題。這樣可以給氮?dú)庖欢ǖ念A(yù)留空間來充分破壞采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)分布,使盡可能大的范圍內(nèi)的氧氣得到稀釋。(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知,在一定