深井伪俯斜综放采空区漏风规律数值模拟_马砺

深井伪俯斜综放采空区漏风规律数值模拟马砺1，2，肖旸1，2，文虎1，2，贾海滨3（1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054；3.山东省天安矿业公司，山东曲阜272100）收稿日期：2009-08-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（50704025）；国家“十一五”科技支撑计划项目（2007BAK29B03）；“长江学者和创新团队发展计划”教育部创新团队项目（IRT0856）；陕西省教育厅自然科学基金项目（07JK318）通信作者：马砺（1978-），男，四川隆昌人，讲师，主要从事矿山重大灾害及其防治、安全技术及工程领域的教学和研究工作.E-mail ：malifuture@摘要：随着矿井开采深度增加，开采强度越来越大，地温的升高，带来了系列的灾害现象.本文分析了深井伪俯斜综放采空区自燃防治的难点，研究厚煤层伪俯斜综放采空区的漏风特征，对山东星村煤矿103综放面采空区进行现场观测，建立了采空区漏风数学模型和自然发火预测模型，对其漏风规律进行数值模拟，确定了103工作面的合理供风量，使得工作面和进风端头的压力和采空区高差产生的自然压力大致均衡，有效减少和控制向采空区的漏风，防止了采空区浮煤自燃.关键词：深井；伪俯斜；综放采空区；漏风规律；数值模拟；自燃中图分类号：TD75+2文献标识码：A文章编号：1672-9102（2010）01-0017-05湖南科技大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University of Science &Technology （Natural Science Edition ）第25卷第1期2010年3月Vol.25No.1M ar.2010随着浅埋煤层资源的不断枯竭，世界各主要产煤国家相继进入深部开采，如德国开采最深超过1700m ，英国达到1000m ，波兰最深达到1300m.我国大部分的煤炭储量赋存在深部，在我国预测总储量中73.2%埋深在1000m 以下，浅部储量较少[1-2].随着我国煤炭工业的发展，煤炭开采已大规模向深部发展，矿井延伸速度加快.我国煤矿开采每年平均增加10m ，部分矿井每年平均增加20m.2004年矿井开采深度超过1000m 的矿井达到8处，平均采深超过800m 的矿井达到15处[3].随着矿井开采强度和深度的增加，各类灾害因素种类增加，危害性加大，安全条件更加恶化.特别是在深井开采过程中，出现了瓦斯大、地温高、地压大及巷道原岩应力场复杂等一系列问题.与浅部开采相比，矿井高温热害，煤层自燃，矿井水灾，矿井煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害现象日趋严重，深井的开采安全越来越受到人们的重视.对于深井伪俯斜综放开采，由于工作面倾角大，采空区立体空间大，漏风规律复杂，自燃危险性增强，自燃防治难度大.为了有效减少和控制采空区后部漏风防治自燃，本文对伪俯斜综放采空区的漏风规律进行了数值模拟研究.1深井伪俯斜综放开采自燃的危险性煤自燃不仅仅与煤自身氧化性和放热性的内在因素有关，还与所处的环境气候、氧气的浓度、煤（岩）体导热性、采空区浮煤厚度等外界影响煤自燃发展的条件有关.对深井厚煤层伪俯斜综放开采空区而言，煤层自燃主要呈现如下难点：1）煤层开采深度大，地温高，自燃危险性大由于煤层开采深度大，地温较高，煤层初始温度越高，自然发火期缩短，煤层自然发火危险程度越大.再加上煤层地温高导致围岩温度也高，改善了自燃的蓄热条件，导致了煤体氧化放热性能增强，煤体自燃危险性增大.因此，在深部原岩温度较高的环境下，增加了破碎煤体的自燃危险性，更容易引起煤层自然发火.2）深井开采矿压大，巷道顶煤自燃危险性增强由于深井开采矿压较大，巷道在掘进期间易出现底鼓或者冒顶等现象，形成空洞.无论是采用锚网支护或者是钢棚支护，常常在未支护地段堆积着大量的松散煤体，由于风流的渗透和扩散容易氧化放热，这部分热量散发不出去最终导致该处煤体自燃.因此，在巷道破碎煤体的地段自燃危险性很大.3）伪俯斜综放开采采空区空间大，漏风复杂工作面沿倾斜方向布置，沿煤层走向俯斜综放开采，采空区立体空间大，沿倾斜和走向方向都存在高差，受自然风压的影响，漏风量大，再加上采空区留有大量浮煤，煤氧复合作用放出大量的热量，极易自燃.4）工作面推进速度慢，采空区浮煤极易自燃由于工作面倾角大，容易发生工作面冒顶可能导致支架歪斜倾倒、溜子下滑等一系列问题，工作面推进速度慢，但是由于采空区自燃危险区域动态移动，浮煤极易氧化自燃.自然危险地点主要在开切眼、停采线、本面或相邻采空区自燃发火的危险大.5）采空区自燃防治难度大由于采空区漏风复杂，难以实现煤层自燃的预报.由于工作面是伪俯斜布置，常规的黄泥灌浆、注氮等防灭火技术难以实现自燃的预防.一旦出现煤自然发火的隐患，自燃高温区域将发展迅速，高温区域极为隐蔽，很难准确的判断火区的位置，使火区治理盲目性增大，区域大，如果一旦封闭工作面，很难对综放面采空区后部进行处理，因此，采空区自燃防治难度大.综上所述，伪俯斜综放采空区自燃的危险很大，为了掌握伪俯斜综放采空区的漏风规律，以山东星村煤矿103工作面为研究对象，研究工作面的合理供风量，减少和控制向采空区的漏风，为防止采空区浮煤自燃提供依据.2工作面概况及计算区域模型的建立星村矿主采3煤层，厚度4.59～9.25m，平均厚度7.15m，埋藏深度在-650～-1000m之间，一般在-900 m水平左右，其埋深达到约1000m，首采区3煤层最大深度为1350m，地温较高，根据地温梯度计算结果为42℃.其中开采的103工作面煤层倾角大（16°～25°，平均角度21°，局部达40°），地质构造复杂，断层带较多，平均一个面落差超过2m的有20余条.根据103工作面实际情况，计算区域为长138.5m，宽168m，高114.5m的六面体，利用GAMBIT建立103工作面采空区三维模型，如图1所示，将坐标原点定在回风巷出口，指向进风巷为x轴正方向，指向后部开切眼为y轴正方向，向上为z轴正方向，选取26个坐标点（即模型相应的顶点），组成相应的线50条、面23个及体2个.3采空区漏风规律数学模型3.1数学模型深井伪俯斜综放面采空区可以认为是一个有机物和无机物混杂而成的煤岩体，具有多孔性.工作面采过后，顶板岩层相继跨落，采空区则形成一个松散体.将松散煤体和岩体假设为均匀多孔介质，对于岩体与煤体内设置不同的渗流参数.在设定的计算区域内，流体的密度不变，空气渗流符合Darcy定律.空气中的氧与煤发生化学反应而被消耗，同时产生CO，CO2等气体.根据质量守恒定律，气体消耗量与产生量相等，使得空气质量不发生变化.空气中各组分按照Fick定律从浓度高处向低处扩散[4-12].由于煤自燃过程非常缓慢，可以认为，在正常生产中，深井伪俯斜综放采空区的渗流、扩散及化学反应是稳态过程，不考虑能量方程.得到如下控制方程[8-11]：鄣鄣xk x鄣H鄣x鄣鄣+鄣鄣yk y鄣H鄣x鄣鄣+鄣鄣zk z鄣H鄣z鄣鄣=0，Q軓x=-kμΔH，Q軓x·d Cd x+Q軓y·d Cd y+Q軓z·d Cd z=D x d2Cd x2+D y d2Cd y2+D z d2Cd z2-V(T)軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓軓.（1）式中，x，y，z分别为轴坐标；Q軓x，Q軓y，Q軓z分别为x，y，z轴方向上的漏风强度分量；H为压力，Pa；k为绝对渗透率，根据实验，煤层中k=1.35×10-5m2，岩体中k= 1.00×10-5m2；μ为空气粘性系数，取常温下μ= 1.7894×10-5kg/（m·s）；D为氧气在煤体中的扩散系数，D=2.88×10-5m2/s.V（T）为煤的耗氧速度，根据自然发火实验结果[13]，星村矿煤样在30℃下的新鲜风流中的耗氧速度为4.0×10-5kg/（cm3·s）.在临界温度80℃下，其耗氧速度约为4.6×10-4kg/（cm3·s）.3.2边界条件及数值求解网格划分所求解问题边界条件为：采空区进风、回风侧氧浓度及压力通过现场观测可以得出，由数值线性插值确定，其中103面回风侧氧浓度：C =（-0.0038x 2-0.0101x +19.965）/100；103面进风侧氧浓度：C =（-0.00003x 2-0.3567x +21.892）/100.渗透系数f （y ）=0.667；空隙率f =0.2.定解条件：①d C d τ=0；②Q 軓=0.计算区域为斜六面体，浮煤中网格在x ，y ，z 方向的步长为0.5m ，岩石中网格在x ，y ，z 方向的步长为1.0m.4数值模拟结果根据上述数学模型，利用FLUENT 模拟软件进行求解，可得到各节点压力大小和氧浓度大小，模拟了不同风量状况下的采空区压力和氧浓度分布状况.图2~图7所示是103综放工作面风量为600m 3/min ，800m 3/min ，1200m 3/min 时采空区压力和氧浓度分布状况.从图2、图3可以看出，工作面的风量为600m 3/min 时，压力最大可达到108000Pa ，沿着y 轴的方向逐渐减小，到采空区内部最小为60900Pa ，距工作面大于120m 后，采空区压力基本相等，成为等压区域；在回风巷隅角氧浓度最大，进风隅角氧浓度比回风隅角小，在距工作面距离大于100m 左右时，进风巷的氧浓度很小.从图4、图5可以看出，在工作面的风量为800m 3/min 时，距工作面距离大约90m 的范围内其压力较大，进风巷的180m 处最小，压力分布基本均衡.氧浓度分布与压力分布类似，除进风巷入口处较高，距工作面距离大于100m 较小外，采空区内部其余地方压力变化梯度较小.从图6、图7可以看出，在工作面的风量为1200m 3/min 时，采空区的压力和氧浓度分布变化较大.除回风巷距工作面180m 位置压力较小外，整个采空区的压力都较大，同时整个采空区的氧浓度也较高，并且2.04e-011.94e-011.84e-011.74e-011.63e-011.53e-011.43e-011.33e-011.23e-011.12e-011.02e-019.20e-028.18e-027.16e-026.14e-025.11e-024.09e-023.07e-022.05e-021.03e-021.00e-04zy xz y1.08e+051.03e+059.74e+049.20e+048.67e+048.13e+047.59e+047.05e+046.51e+045.98e+045.44e+044.90e+044.36e+043.83e+043.89e+042.75e+042.21e+041.67e+041.14e+045.99e+036.09e+02x图2风量为600m 3/min 时的静压力等值线图Fig.2Isoline of static pressure as 600m 3/min of air quantity图3风量为600m 3/min 时的氧浓度等值线图Fig.3Isoline of oxygen concentration as 600m 3/min of air quantityzy x1.09e+051.07e+051.04e+051.02e+059.96e+049.72e+049.48e+049.23e+048.99e+048.75e+048.51e+048.27e+048.02e+047.78e+047.54e+047.30e+047.06e+046.82e+046.57e+046.33e+046.09e+04图4风量为800m 3/min 时的静压力等值线图Fig.4Isoline of static pressure as 800m 3/min of air quantityzy x2.04e-011.94e-011.84e-011.74e-011.63e-011.53e-011.43e-011.33e-011.23e-011.12e-011.02e-019.20e-028.18e-027.16e-026.14e-025.11e-024.09e-023.07e-022.05e-021.03e-021.00e-04图5风量为800m 3/min 时的氧浓度等值线图Fig.5Isoline of oxygen concentration as 800m 3/min of air quantity进、回风巷整个巷道的氧浓度最大.综合比较风量为600m 3/min ，800m 3/min ，1200m 3/min 时压力和氧浓度分布可以看出：在工作面风量为1200m 3/min 时，工作面和进风端头的压力较大，使采空区的氧浓度分布范围广，两道的氧浓度分布较高，氧化升温带较长，几乎不存在窒息带，不利于采空区的防火；在工作面风量为600m 3/min 时，工作面和进风端头的压力相对采空区的自然压力较小，导致采空区内部的有毒有害气体向工作面溢出，危害工作面的安全生产；在工作面风量为800m 3/min 时，工作面和进风端头的压力和采空区高差产生的自然压力大致均衡，既可以抑制采空区的有毒有害气体的溢出，又可以控制采空区的氧浓度分布在合理的范围内，有效的控制采空区遗煤自然发火.因此，工作面风量确定为800m 3/min 时比较合理、有效.通过星村矿103工作面的生产实际情况表明，工作面切眼于2005年10月26日贯通，2006年2月19日开始回采，7月17日夜班起停止放顶煤，在工作面的生产过程中，800m 3/min 的工作面风量是合适的，保障了工作面的安全生产.5结论结合星村矿103工作面的实际情况，通过现场观测，建立了采空区漏风数学模型和自然发火预测模型，对其漏风规律进行数值模拟，得出了深井伪俯斜综放采空区的漏风规律.结果表明：1）风量过小时，由于自然风压的作用，风流在采空区产生内部循环，导致采空区有害气体涌入工作面，回风隅角氧浓度最大，自燃危险性增大.2）风量过大时，漏风范围增大，整个采空区压力较大，氧浓度较高，进风侧采空区自燃危险区域增大.3）风量合适（800m 3/min ）时，使得工作面和进风端头的压力和采空区高差产生的自然压力大致均衡，既抑制了采空区的有毒有害气体的溢出，又控制了采空区氧浓度分布，缩小了采空区浮煤自燃危险区域的范围.通过研究表明，合适的配风量对有效减少和控制向采空区的漏风有重要的作用，有效的保障了山东星村煤矿103工作面的安全生产.参考文献：[1]马砺，杨子祥，刘玉斌.深井伪俯斜综放面自燃火灾防治技术研究[C]//第3届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集.北京：煤炭工业出版社，2008.M a L ，Yang Z X ，Liu Y B.Study on the control technique for the fire of spontaneous combustion in fully mechanized top-coal caving face with false dip in deep coalmine[C]//Corpus of technological innovation for the 3rd national coal industrial production line of youth.Beijing ：China Coal Industry Publishing House ，2008.[2]尹传理，李化敏.我国煤矿深部开采问题探讨[J].煤矿设计，1998（8）：7-11.Yin C L ，Li H M.The question discussion of deep mining in china coalmine[J].Coalmine Design ，1998（8）：7-11.[3]范维唐.卢鉴章.申宝宏，等.煤矿灾害防治的技术与对策[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.Fan W T ，Lu J Z ，Shen B H ，et al.Technology and countermeasure of disaster prevention and control in coalmine[M].Xuzhou ：China University of Mining and Technology Press ，2007.[4]肖旸，徐精彩，李树刚，等.近距离煤层采空区自然发火预测模型研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2006，21（2）：5-8.Xiao Y ，Xu 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Science&Engineering，Xi'an University of Science&Technology，Xi'an710054，China；2.Key Laboratory of Western M ine Exploitation and Hazard Prevention M inistry of Education，Xi'an710054，China；3.Shandong Ti'an coal Co.，Ltd，Qufu272100，China）Abstract：As increasing the mining depth in coalmine，the series calamities are happened by more and more strengthening mining strength and rising ground temperature.The difficulty of preventing and extinguishing technology of spontaneous combustion in goaf of top-coal caving with false dip in deep coalmine was analyzed，the air-leakage characteristic in goaf of top-coal caving with false dip in thick seam was studied.By observing in situ in goaf of103fully mechanized top-coal caving face in Xingcun coalmine，it set up the mathematical model of air-leakage in goaf and forecasting model of spontaneous combustion in goaf of top-coal caving with false dip in deep coalmine，numerical simulates of law of the air-leakage were proceedad，confirms the fitness air quantity for103working face was confirmed，and approximately poises were obtained between the pressure of working face，intake air tip and drop in level of goaf bringing natural pressure.It effectively reduces and controls the air-leakage as to the goaf，and prevents the spontaneous combustion in goaf of top-coal caving with false dip in deep coalmine.Key words：deep coalmine；false dip；goaf of top-coal caving；air-leakage law；numerical simulation；spontaneous combustion。