楊奪，王文才，郝明

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.達拉特旗蘇家溝煤炭有限責(zé)任公司 蘇家溝煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014399)

近年來，采空區(qū)自燃“三帶”劃分理論己得到很大的發(fā)展，其研究手段多種多樣.一種是采空區(qū)實測數(shù)據(jù)，用CFD軟件進行數(shù)值模擬來計算氧化升溫帶的范圍；第二種是采煤工作面現(xiàn)場實測采空區(qū)氧氣濃度和溫度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出采空區(qū)自燃“三帶”范圍；李宗翔[1]提出研究多孔介質(zhì)滲流方程和氧濃度平衡方程為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型，同時考慮采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流場和氧氣濃度分布場來確定自燃“三帶”；西安科技大學(xué)鄧軍等[2]研究出采空區(qū)煤炭自燃的定量標(biāo)準(zhǔn)，如自然發(fā)火最小浮煤厚度、最小氧氣百分比等.

通過數(shù)值模擬方法，可以確定工作面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍.從而確定煤炭自燃危險性.基于蘇家溝煤礦4109工作面生產(chǎn)技術(shù)條件為背景，采用fluent數(shù)值模擬軟件對蘇家溝煤礦綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場進行了數(shù)值模擬，得出氧化帶、散熱帶和窒息帶的范圍，為采空區(qū)防滅火提供數(shù)據(jù)支持.

1 數(shù)值計算模型的建立

利用二維方程建立蘇家溝煤礦4109工作面采空區(qū)的模型，根據(jù)蘇家溝煤礦4109工作面實際情況，采空區(qū)縱深取300 m，工作面長度200 m，配風(fēng)量1 340 m3/min.工作面模型尺寸見表1.

表1 數(shù)值計算模型尺寸表

采空區(qū)的孔隙率從工作面內(nèi)向深部孔隙率逐漸減小是由于采空區(qū)內(nèi)冒落的巖石，浮煤等壓實程度不同導(dǎo)致的.越靠近工作面多空區(qū)域的空隙率會越大，我們逐級劃分為5個多孔介質(zhì)區(qū)域[3].

具體的參數(shù)見表2所示.黏性阻力系數(shù)就是氣體在采空區(qū)內(nèi)滲流的能力，表中為滲透率的倒數(shù)，其值越大說明流體在多孔區(qū)域內(nèi)流動的越困難.不同多孔介質(zhì)區(qū)域的慣性阻力系數(shù)默認(rèn)是一樣的.

表2 數(shù)值計算模型參數(shù)選取表

2 數(shù)值計算的模型驗證

采用fluent數(shù)值模擬軟件，在現(xiàn)場實測工作面配風(fēng)量為1 340 m3/min的情況下，殘差監(jiān)控在模擬過程中的迭代情況如圖1所示，采空區(qū)氧化帶分布如圖2所示.氧化帶劃分采用采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速指標(biāo)0.001 6～0.004 m/s.

由圖1可知，當(dāng)?shù)?60步左右時，殘差值降到0.01以下，說明迭代結(jié)果是在誤差允許范圍內(nèi)的.4109工作面采空區(qū)內(nèi)氧化帶分布見圖2.

由圖2可知，工作面配風(fēng)量為1 340 m3/min時，4109工作面氧化帶范圍為進風(fēng)側(cè)40～120 m，回風(fēng)側(cè)33～115 m，工作面中部38～109 m.而現(xiàn)場實測得出采空區(qū)散熱帶范圍為距工作面0～39.73 m，4109工作面配風(fēng)量為1 340 m3/min時，氧化升溫帶范圍為距工作面39.73～115.66 m，窒息帶范圍為距工作面115.66 m以遠.數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測誤差較小，數(shù)值模擬具有較高的可靠性.擴散規(guī)律符合采空區(qū)氣體濃度分布實際是根據(jù)fluent數(shù)值模擬采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速分布云圖得出的.可見對于以上模型建立的基礎(chǔ)及模型參數(shù)(孔隙率和滲透率)取值是具有一定科學(xué)意義的，能夠反映采空區(qū)實際氧化帶分布的情況[4，5].

3 不同風(fēng)量時自燃“三帶”分布

以該模型為基礎(chǔ)模擬現(xiàn)場幾個有代表性意義配風(fēng)量(1 050，1 340，1 640 m3/min)情況下采空區(qū)氧化帶分布情況，如圖3所示.

由圖3中模擬結(jié)果可以清楚地看到，當(dāng)工作面配風(fēng)量增加時，因為采空區(qū)進回風(fēng)兩側(cè)控頂距大兩幫懸空未能及時導(dǎo)致垮落采空區(qū)進回風(fēng)巷倆側(cè)的氧化帶距離工作面的距離的變化要比采空區(qū)中部的寬度大，相比采空區(qū)中部冒落壓實程度較小，滲透率和孔隙率也比較大，受漏風(fēng)影響較大，進回風(fēng)巷兩側(cè)漏風(fēng)的風(fēng)速比較大，因此距離工作面的距離較遠.采空區(qū)的頂板采用自燃垮落方法進行處理，冒落巖石的垮落程度隨著工作面的向前推進越來越大，壓實程度逐漸加大，其滲透率和孔隙率變得很小，因此采空區(qū)中部受漏風(fēng)的影響不如進回風(fēng)兩側(cè)[6].

根據(jù)工作面不同配風(fēng)量(1 050，1 460，1 260 m3/min)情況下采空區(qū)氧氣濃度的分布得出的結(jié)果如表3所示.依據(jù)不同配風(fēng)量采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速云圖以及表3可以看出，配風(fēng)量增大時，采空區(qū)氧化帶的寬度也隨之增大.

表3 不同風(fēng)量情況下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律表

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，4109工作面配風(fēng)量為1 340 m3/min時，采空區(qū)氧化帶范圍為進風(fēng)側(cè)40～120 m，回風(fēng)側(cè)33～115 mm，工作面中部38～109 m.綜合現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結(jié)果得出蘇家溝煤礦綜采工作面采空區(qū)散熱帶范圍滯后工作面0～40 m，氧化升溫帶范圍滯后工作面40～115 m，滯后工作面115 m以遠為窒息帶.