总第２１５期 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１７．０７．０１０ 基于ＣＦＤ技术优化综放工作面采空区注氮参数 刘 剑，赵 垒 （潞安矿业集团公司生产处，山西长治０４６２０４） 摘要：研究综放工作面采空区气体流场运移规律对有效预防自然发火、提高煤矿火灾事故防治水平具有 重要意义。借助于ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）数值软件，模拟李阳矿１５１０３综放工作面注氮前后 采空区二、三维流场氧气分布规律，分析不同位置注氮对采空区内氧气的运移规律的影响，得出在工作面 后１５０～２００ ｍ的范围内注氮可以达到较好的惰化采空区效果。 关键词：ＣＦＤ数值软件；采空区；防灭火；注氮 中图分类号：ＴＤ７５２．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５—２７９８（２０１７）０７ ００２９．０３ 防治采空区自然发火和预防采空区瓦斯事故的 垮塌下来的破碎顶板趋于压实，漏风减少，缺少供氧 条件，遗煤处于窒息状态，自然发火现象不会在窒息 关键技术是掌握采空区气体的分布和运移规 律¨ Ｊ。氮气惰化是防止采空区氧气积聚及遗煤自 燃、降低采空区自然发火危险性的有效途径之一。 ＣＦＤ模拟研究是一种运用流体力学方程通过计算 机求解所研究流场内气体状态的数值解法 ，运 用数学方法通过计算机运算，对流体相关问题进行 数值实验，是一种高效、低成本研究和分析各种流体 问题的方法。为了提高李阳矿１５１０３综放工作面采 空区的注氮效果，对采空区注氮前氧气的分布规律， 带内进行 ］。“三带”的划分依据：氧气浓度大于 １８％为冷却带，氧气浓度７％～１８％为氧化带，窒息 带以氧浓度小于７％为主指标 ｊ。基于ＣＦＤ模拟 软件，分析了１５１０３综放工作面推进至５００ ｍ位置 时采空区氧气分布规律。 ２．１流体模型构建原理 ＣＦＤ模拟研究是通过流体控制方程描述所研 究的流场的一种数值解法 ］。纳维叶一斯托克斯 方程是进行ＣＦＤ模拟采空区气体分布规律的流体 力学基础，由用来描述流体守恒定律的计算公式构 成。该方程表述为： 塑＋ ａｔ ｃ３ｘｊ 进行了ＣＦＤ数值模拟。 １工作面概况 李阳矿为高瓦斯矿井，１５号煤最短发火期为６ 个月，煤层自燃倾向性鉴定结果为容易自燃，煤尘具 ：０ ｆ１） 有爆炸性。１５１０３工作面属于１５号煤层的一采区， 工作面走向长度ｌ ３７５．６５ ｍ，倾斜长度２３０．５ １１１，地 Ｐ垫＋ｐ 一＋ｐ“ ：一亚＋ ａｘｉ 一 ＋ ＋ｊ 一＋ｐｕ ａｘｉ ：（２） ｚ 一 层为走向近似东西倾向北的单斜构造，倾角２～６。， 为单ｕ的通风系统，在１５号煤层顶板稳定岩层中 布置高抽巷抽采采空区瓦斯。 Ｐ 鲤＋ ＋— （３）式中：ｔ为时间； 为空间位置；／Ｚ为速度；Ｐ为 ２建立采空区气体运移模型 从工作面至采空区深部，依据氧浓度含量的不 同划分为冷却带、氧化带、窒息带。“冷却带”内遗 煤由于工作面漏风等原因导致蓄热不足，无法进行 密度；ｐ为压力；Ｈ为全焓（热函）； 为粘力张量； ｑ为热流量。 把采空区内冒落体形成的结构抽象成多孔介 质，气体在其中运移遵循质量和动量守恒。气体动 量守恒方程表达为： 激烈氧化，很少发生自燃现象。“冷却带”向采空区 深部延伸一定距离为“氧化带”，该区域有一定的供 氧裂隙，具备自然发火的供氧和蓄热条件，此环境会 加速煤的氧化反应，有可能发生自燃现象。“氧化 带”之后为“窒息带”，此区域由于距离工作面过远， 缶（ ）＋未（ ）＝ 一 ａ ＋ ａ ＋ … ＋．ｓ ‘ （４）、 式中：Ｓ 是多孔介质中的动量损失源，由粘性和惯 收稿日期：２０１７４３２－０６ 作者简介：刘剑（１９８７一），男，山西长治人，助理工程师，从事生产技术工作。 ２９ ２０１７耳７月 刘 剑等：基于ＣＦＤ技术优化综放工作面采空区注氮参数 第２６卷第７期 性损失两部分组成： １ 切眼附近狭小区段。由于采煤生产向前推进，垮落 ＋０．５Ｃ２ｐｖ ｌ ｌ （５） 带碎石逐渐压实，采空区深部氧气含量随之减少。 沿工作面采空区两侧，尤其是回风侧，工作面风压对 采空区气体分布的影响在工作面后８０—１００ ｍ后逐 ｓ ： Ｕ 式中： 为采空区渗透率，ｃ 为惯性阻力系数。 同时，采空区气体运移符合质量守恒定律，即连 续性方程： 塑＋ Ｏｔ ａｘｉ ：Ｓ ‘‘ （６） 式中：Ｊｓ 表示从采空区流出到单相连续介质的 瓦斯量 。 渐减弱，同时由于高抽巷卸压及瓦斯抽采的影响，工 作面向高抽巷漏风明显，增加了富氧区沿回风侧的 扩展范围。由模拟结果可见，防止采空区遗煤自燃 的关键是有针对性地选择氮气注入点，压缩采空区 内富氧区的空间分布范围，尤其是采空区两侧。 借助Ｆｌｕｅｎｔ软件建立１５１０３综放工作面采空区 氧气分布规律模型，并对Ｆｌｕｅｎｔ软件进行再开发，考 虑了采空区应力一渗透率的变化关系，重新编写用 来计算采空区三维渗透率分布、动量损失源ｓ 及采 空区瓦斯涌出量ｓ 的Ｃ一子程序。建立的采空区 模型分为４个非均匀象限，工作面顶底板位置的不 同决定了模型的三维空间的不同，三维子程序利用 （ａ）工作面开采中期工作面 ＣＦＤ模型几何特征 （ｂ）工作面开采中期ｃＦＤ模型的 计算网格方式 Ｆｌｕｅｎｔ软件的外接接口同Ｆｌｕｅｎｔ软件主程序一起完 成对采空区气体分布的模拟。 ２．２工作面ＣＦＤ模型及边界条件 图ｌ工作面开采中期（推进５００ ｍ） 采空区几何模型和计算网格 氧气浓度，％ １５１０３工作面配风量为３ ２００ ｍ ／ｒａｉｎ，正常回 采期间瓦斯总涌出量为３Ｏ～４０ ｍ ／ｍｉｎ。表１为李 ４００ｍ ３００ ｎｌ ２００ ｎｌ ｌ００ｍ ５０ｍ 阳矿１５１０３综放工作面采空区ＣＦＤ模型参数。工 作面开采中期（推进５００ ｍ）采空区几何模型和计算 网格见图ｌ。 表１ 李阳矿１５１０３综放工作面采空区ＣＦＤ模型参数 模型参数 采空区尺寸 巷道尺寸 ——工作面 参数值 走向长５００ ｍ，倾斜长２３０．５ ｍ。 ５．３ ｍ ｘ ３．３ ｍ 图２工作面开采中期，推进５００ ｍ采空区 氧气分布情况（没有注氮时） 图３和图４分别显示工作面后不同区域（５０ ｍ、 ＣＦＤ模型尺寸 ７０ ｍ——包括采空区上方垮落带５５ ｍ至 顶板和底板 底板下方ｌ５ ｍ 煤层倾角 通风系统 风量 １００ ｍ）、（１５０、２００ ｍ）注入氮气（流量２ ５００ ｍ ／ｈ） 气 后采空区氧气分布情况（箭头所示为注氮点）及注 氮后自燃“三带”的空间分布比较。 度■— ＂ 浓 誓＿ ＂ ¨９ 鏊＿■一 氧 Ｂ¨２～６。，工作面开采走向仰采，停采线高于 开切眼约３０ ｍ；回风巷（１５１０３）低于进风 巷（２２０２）约１Ｏ～１５ ｍ。 “ｕ”型 ３ ２００ ｍ’／ｍｉｎ 采空区主要气体组分Ｎ２和Ｏ２ ４ｈ采空区惰化方式 ２动步距４００ｍ ｊ．￣ 桑茬 ／ 移 ３００ Ｎ１ ３００ ＮＩ ２Ｏ０ｍ ２００｜１１■ ｌ ０ｌ１ ｎ ５０ ｎ１ １００ ■ 磷 ２．３ ＣＦＤ模拟结果 ５０ ■ 首先模拟在没有注氮时工作面采空区氧气分布 情况，如图２所示。模拟结果显示，在工作面推进至 距切眼５００ ｍ左右时，由于采空区垮落部分碎石逐 渐压实，采空区深部大部分区域氧气浓度在７％以 下，尤其是采空区中部及进风侧深部，采空区基本处 （ａ）饪虱点（５０ｍ １００ｍ） （ｂ）庄虱点（１５０ｍ、２００ｍ） 图３工作面进风侧不同位置 向采空区注氮的惰化效果比较 模拟结果分析显示：在工作面后（５０ ｍ、１００ ｍ） 范围内注氮，注入的氮气在采空区冷却带滞留时间 于窒息带。 在工作面采空区没有注氮的情况下，富氧区主 要在工作面后１００ ｍ左右范围，采空区回风侧及开 ３０ 短，很快随漏风流散，不能起到较好惰化采空区的作 用；在工作面后一定深度位置（１００～１５０ ｍ范围内） 注氮的惰化效果明显，注入的氮气滞留时间长，可以 ２０１７年７月 刘 剑等：基于ＣＦＤ技术优化综放工作面采空区注氮参数 第２６卷第７期 有效逐渐占据采空区的空隙空间，对采空区漏风 （氧气）起到向工作面方向的挤压作用，从而压缩了 氧化带的范围。可以看出，在工作面后（１５０、 ２００ ｍ）的注氮惰化效果要好于工作面后（５０ ｍ、 １００ ｒｎ），但是在采空区采用单点（即只在进风侧）注 氮，很难达到对整个采空区尤其是对处于低点的回 风侧很好的惰化效果。 面 ３结语 通过ＣＦＤ对李阳矿１５１０３综放工作面的采空 区进行注氮前后气体运移规律的模拟，得出采空区 内氧气的分布规律，并对比分析不同注氮方案的作 用效果。 １） 在采空区没有注氮的情况下，随着工作面 推进，采空区逐渐压实，大部分区域氧气浓度在７％ 以下，采空区基本处于窒息带，采空区富氧带主要在 工作面后１００ ｍ左右范围内； ２） 采空区注氮应在工作面后１５０～２００ ｍ范 围内进行，能达到很好惰化采空区的目的； ｌ５１ 蔷度 ％ ３） 在总注氮量相同的情况下，采用采空区两 （ｂ）注氟点工作面后 （１５０ｍ、２００ｍ） （ａ）注氮点工作面后 （５０ｍ、１００ｍ） 侧同时注氮要比单侧注氮有更明显的惰化效果。 珞●２ １ １ １ ｌ ｌ ９ ７ ５ ９ ７ ５ ３● 。 参考文献： ［１］ 时国庆，王德明，奚志林．基于ＦＬＵＥＮＴ对采空区氧气 浓度场的数值模拟［Ｊ］．煤炭科学技术，２００９（６）：７６ —图４工作面进风侧不同位置 向采空区注氮后自燃“三带”的空间分布比较 在注氮总流量（２ ５００ ＩＴｉ ／ｈ）相同的情况下，为 了对比从采空区后一侧与两侧注氮的不同效果，模 拟分别给出工作面（５０ ｍ、１００ ｍ）两侧不同位置采 空区氧气分布情况。图５可以看出：采空区两侧同 ７９． ［２］刘含文，朱敏，肖森．综放工作面采空区自燃隐患 治理分析［Ｊ］．中国煤炭，２００８，３４（８）：１０３—１０５． ［３］ 王俊峰．煤地下自燃时覆岩中氡气运移规律及应用研 究［Ｄ］．太原：太原理工大学，２０１０． ［４］王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，２００４． ［５］傅德薰，马延文．计算流体力学［Ｍ］．北京：高等教育 出版社，２００４． 时注氮，可以达到明显的采空区惰化效果，与单侧注 氮相比富氧区大大减小，易于自然发火的区段基本 控制在工作面后５０ ｍ左右的狭窄地带。 氧气浓 ３００ ［６］ 王俊峰，邬剑明，靳钟铭．一种预测采空区内燃危险区 域的新方法——ｃＦＤ技术的应用［Ｊ］．煤炭学报，２００９ （１１）：１ ４８３一ｌ ４８８． － ２０ｏ ｌ００ｍ■ ［７］周春山，徐毅，邬剑明．基于ＣＦＤ的采空区氧气流 ５０ ■ ．．１ 场分析［Ｊ］．中国煤炭，２００９，３５（Ｉ １）：９３—９５． （ｂ）注氮点采空区后两侧（５０ ｎ 、 １ｏｏｍ）自燃“三带”空间分布 （ａ）注氮点采空区后 （５０ｍ、１００ｍ） ［８］ 梁子荣，王俊峰，吴玉国．黄白茨矿１２９３工作面采空 区“三带”的划分［Ｊ］．中国煤炭，２００８，３４（１１）：７０— ７３． 图５采空区（５０ ｍ、１００ ｍ）范围内， 两侧同时注入氮气后采空区氧气分布 ［９］ 金龙哲，姚伟，张君．采空区瓦斯渗流规律的ＣＦＤ 模拟［Ｊ］．煤炭学报，２０１０（９）：１ ４７６—１ ４８０． ［１０］ 吴玉国，邬剑明，王俊峰．双ｕ型通风系统综放开采 采空区瓦斯分布规律［Ｊ］．煤炭学报，２０１１（１０）： ｌ ７０４一】７０８． ［责任编辑：常丽芳］ ３ｌ