郝 宇，逄錦倫

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

據(jù)預(yù)測，煤炭在未來35～50年還將一直作為我國的主要基礎(chǔ)能源[1]。隨著煤礦開采強(qiáng)度不斷增大，礦井不斷向深部延伸，瓦斯涌出量不斷增大[2]。礦壓不斷增大，導(dǎo)致煤體破碎更容易發(fā)生自燃，礦井瓦斯與煤自燃2種災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重[3-4]。

瓦斯與煤自燃2種災(zāi)害在治理過程中容易顧此失彼，增加了災(zāi)害治理難度[5-6]。例如，2014年6月3日，重慶硯石臺煤礦4406S2回采工作面采空區(qū)內(nèi)發(fā)生瓦斯發(fā)生爆炸，其主要原因是由采空區(qū)煤自燃引起[5,7];2014年7月5日，新疆大黃山豫新煤業(yè)有限公司一號井708工作面啟封過程中發(fā)生煤炭復(fù)燃，引發(fā)瓦斯爆炸[5,8]；2013年3月28日，吉林八寶煤礦采空區(qū)發(fā)生的瓦斯爆炸由煤炭自然發(fā)火引起[5,9]；2005年1月21日，鐵煤集團(tuán)大明礦(斜井)-120 m水平西二東三段輔助道廢巷內(nèi)因煤炭自然發(fā)火，引發(fā)瓦斯爆炸事故[5,10]；2014年3月12日，安徽任樓煤礦采后封閉的Ⅱ7322工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃引發(fā)瓦斯爆炸[5,11-12]。

煤氧化自燃過程包括物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)等3個過程[13]，而氧氣體積分?jǐn)?shù)對煤低溫氧化有著重要的作用[14-16]。工作面的配風(fēng)量直接影響著采空區(qū)的漏風(fēng)量，進(jìn)而影響采空區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布[17-19]。因此，通過研究不同風(fēng)量和不同瓦斯條件下采空區(qū)自燃“三帶”的分布特征，以科學(xué)指導(dǎo)瓦斯與煤自燃災(zāi)害的協(xié)同防治，保障井下煤礦煤與瓦斯安全共采[20]。

通過建立多場耦合的煤自燃數(shù)學(xué)模型[3,21]，并利用數(shù)值仿真軟件COMSOL模擬分析采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，為指導(dǎo)瓦斯與煤自燃災(zāi)害的協(xié)同防治提供決策依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 煤礦概況

新集一礦核定生產(chǎn)能力為3.9 Mt/a。礦井總進(jìn)風(fēng)量為20 958 m3/min，總回風(fēng)量為21 597 m3/min。131303工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面的配風(fēng)量為1 300～1 700 m3/min。工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的可采長度分別為1 122.82 m和1 147.38 m，工作面平均長度153.74 m。工作面采煤方法為綜采放頂煤開采方法，可采煤層割煤高度為2.5～2.8 m，放煤高度為4.5～4.8 m。

131303工作面煤層有自然發(fā)火危險(xiǎn)性，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場發(fā)火期為3～6個月。在回采期間，工作面煤層的相對瓦斯含量平均為2.06～3.74 m3/t。

1.2 幾何模型

工作面的走向長度和傾向長度分別設(shè)置為270、154 m，工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的長、寬分別為4.8、3.7 m。下部端口為進(jìn)風(fēng)巷口，上部端口為回風(fēng)巷口，采空區(qū)長270 m。工作面采空區(qū)幾何模型如圖1所示。

圖1 工作面采空區(qū)設(shè)置的幾何模型

1.3 耦合方程

1)模型孔隙率與滲透率[22]

采煤工作面開采過程中采空區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)孔隙率和滲透率與該點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，孔隙率εp的計(jì)算方法如式(1)所示，滲透率k的計(jì)算方法如式(2)所示：

εp=1-1/kp

(1)

(2)

式中：εp為孔隙率；kp為碎脹系數(shù)；k為滲透率，m2;dp為采空區(qū)遺煤的平均粒徑，mm。

2)自由與多孔介質(zhì)流體流動

工作面及進(jìn)、回風(fēng)巷道為自由流體流動的控制域，數(shù)值計(jì)算采用方程(3)～(4)控制該區(qū)域的流體自由流動[5，22]：

(3)

ρ·u=0

(4)

式中：ρ為采空區(qū)熱氣流密度，kg/m3；u為氣流的矢量流速，m/s；p2為工作面絕對風(fēng)壓，Pa；μ為氣體的動力黏度，Pa·s；u為流速梯度；F為遺煤氧化產(chǎn)生的熱浮力，N。

3)多孔介質(zhì)傳熱與流體傳熱

由多孔介質(zhì)傳熱的流動場對物理場的流體流動進(jìn)行控制，采空區(qū)產(chǎn)熱項(xiàng)的O2由化學(xué)反應(yīng)控制方程中氧化反應(yīng)之后的O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行控制。熱源控制區(qū)域?yàn)楣ぷ髅娌煽諈^(qū)及上覆老空區(qū)遺煤存在區(qū)域，該區(qū)域同時(shí)有氧化產(chǎn)熱、散熱、傳熱、輻射等熱傳遞，其總體控制方程采用式(5)進(jìn)行控制[5，22]：

dzQ+Qρ+Qoop

(5)

式中：dz為熱源場的計(jì)算高度，即浮煤厚度，m；Q為氧化產(chǎn)熱量，W/m3；(ρCρ)eff為等效熱容，J/K；Qρ為氣體流動傳輸?shù)臒崃?，W/m3；T為溫度梯度，K/m3；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Qoop為面外熱輻射，W/m3。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 供風(fēng)量對采空區(qū)“三帶”分布的影響

礦井采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度倍數(shù)按照文獻(xiàn)[3]中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[3]。瓦斯涌出強(qiáng)度倍數(shù)用a3表示，其取值為3.0；工作面通風(fēng)阻力系數(shù)用a4表示，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速用vin表示。

在a3=3.0、a4=0.2條件下，采空區(qū)自燃“三帶”隨風(fēng)速的變化分布情況見圖2。

(a)vin=1.00 m/s

(b)vin=1.37 m/s

(c)vin=2.00 m/s

(d)vin=2.50 m/s

從圖2中可以看出，當(dāng)風(fēng)速為1.00 m/s時(shí)，氧化帶最大寬度為69.4 m；當(dāng)風(fēng)速為1.37、2.00、2.50 m/s時(shí)，氧化帶的最大寬度分別為87.8、106.3、115.0 m。說明vin增加導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶寬度顯著增大。

在a3=0.5、a4=0.2條件下，采空區(qū)自燃“三帶”隨風(fēng)速的變化分布情況見圖3。

(a)vin=1.00 m/s

(b)vin=1.37 m/s

(c)vin=2.00 m/s

(d)vin=2.50 m/s

從圖3中可見，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度vin=1.00、1.37、2.00、2.50 m/s時(shí)，對應(yīng)的氧化帶最大寬度分別為118.5、128.9、137.7、142.6 m。從圖3(c)～(d)可以看出，在瓦斯涌出強(qiáng)度低、風(fēng)量較高情況下，進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度的差距變小，且進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度受瓦斯涌出強(qiáng)度的影響較大。

2.2 瓦斯涌出強(qiáng)度對自燃“三帶”分布的影響

瓦斯涌出強(qiáng)度為a3時(shí)對采空區(qū)氧化帶寬度的影響見圖4。

圖4 不同a3影響下風(fēng)速對采空區(qū)氧化帶寬度的影響

從圖4中可以看出，a3越小，氧化帶寬度分布范圍越大，采空區(qū)的漏風(fēng)受瓦斯涌出的影響越小。當(dāng)工作面配風(fēng)量較小時(shí)，工作面采空區(qū)的漏風(fēng)量受瓦斯涌出的抑制作用越顯著。

2.3 工作面通風(fēng)阻力對自燃“三帶”分布的影響

工作面通風(fēng)阻力系數(shù)a4對自燃“三帶”分布的影響見圖5、圖6。

(a)a4=0.1

(b)a4=0.2

(c)a4=0.3

(d)a4=0.4

(a)a4=0.1

(b)a4=0.2

(c)a4=0.3

(d)a4=0.4

從圖5中可以看出，在vin=1.37 m/s、a3=3.0條件下，當(dāng)a4=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí)，氧化帶最大寬度分別為68.8、87.8、97.6、103.6 m。

從圖6中可以看出，在vin=1.37 m/s、a3=0.5條件下，當(dāng)a4=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí)，氧化帶最大寬度分別為118.3、129.0、132.8、135.5 m。

從以上結(jié)果可以看出，采空區(qū)氧化帶寬度隨通風(fēng)阻力系數(shù)a4的增加而顯著增大；當(dāng)瓦斯涌出強(qiáng)度a3較低時(shí)，工作面同等供風(fēng)條件下，采空區(qū)氧化帶寬度受a4影響而顯著增大。

3 結(jié)論

1)供風(fēng)量對采空區(qū)氧化帶分布的影響：在a3=3.0、a4=0.2條件下，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度vin=1.00、1.37、2.00、2.50 m/s時(shí)，對應(yīng)氧化帶最大寬度分別為69.4、87.8、106.3、115.0 m；在a3=0.5、a4=0.2條件下，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度vin=1.00、1.37、2.00、2.50 m/s時(shí)，氧化帶最大寬度分別為118.5、128.9、137.7、142.6 m。說明隨著vin的增加，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度均顯著增大，且在a3較低、風(fēng)量較高時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度的差距變小。

2)瓦斯涌出強(qiáng)度對采空區(qū)氧化帶分布的影響：a3越小，氧化帶寬度分布范圍越大，瓦斯對漏風(fēng)流的影響越弱；當(dāng)工作面風(fēng)量較小時(shí)，a3對工作面向采空區(qū)漏風(fēng)的抑制作用更加顯著。

3)通風(fēng)阻力系數(shù)對采空區(qū)氧化帶分布的影響：在vin=1.37 m/s、a3=3.0條件下，當(dāng)a4=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí)，氧化帶最大寬度分別為68.8、87.8、97.6、103.6 m；在vin=1.37 m/s、a3=0.5條件下，當(dāng)a4=0.1、0.2、0.3、0.4時(shí)，氧化帶最大寬度分別為118.3、129.0、132.8、135.5 m；當(dāng)a3較低時(shí)，氧化帶寬度隨著a4增大而顯著變寬。