劉星魁，王公忠，周愛桃（1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；．河南工程學(xué)院安全工程系，鄭州451191；．中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京10008）

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＊采空區(qū)注氮參數(shù)設(shè)計及三維流場分析

劉星魁1，2，王公忠2，周愛桃3
（1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；2．河南工程學(xué)院安全工程系，鄭州451191；3．中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

摘 要：為了合理設(shè)計采空區(qū)注氮防火方案，以南山礦18－5采空區(qū)為研究背景，利用FLUENT軟件，結(jié)合含變滲透系數(shù)的Forchheimer運(yùn)動方程，對具有抽放巷和注氮管的復(fù)雜采空區(qū)模型三維流場進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，大流量注氮在采空區(qū)淺部即可取得很好的氧氣惰化效果，隨著注氮管的深入，惰化效果逐漸降低；小流量注氮取得的惰化效果具有相反的變化趨勢，即二者存在不同的最佳注氮位置；受抽放巷影響，模型回風(fēng)側(cè)存在氧氣富集區(qū)，僅靠注氮無法對其有效稀釋，應(yīng)配合工作面長距離封堵，減弱高抽巷引起的漏風(fēng)。依據(jù)研究結(jié)論和現(xiàn)場施工條件，設(shè)計了合理的防火方案，在注氮工作之前，應(yīng)首先對采空區(qū)規(guī)模、通風(fēng)條件和制氮設(shè)備能力進(jìn)行預(yù)先評估。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)注氮；三維流場；惰化效果；注氮位置；氧氣富集區(qū)

目前，國有大型煤礦普遍采用機(jī)械化放頂采煤方式，開采強(qiáng)度大，工作面需風(fēng)量高，支架后部冒落特征明顯，且回采率相對較低；大量遺煤進(jìn)入采空區(qū)與漏風(fēng)中的氧氣發(fā)生氧化接觸，一旦某點(diǎn)遺煤氧化釋放出的熱量無法及時被空氣的對流帶走，既有發(fā)生自燃的危險［1］。對采空區(qū)防火問題，多數(shù)煤礦采取了均壓、封堵等被動防火措施，減少向采空區(qū)的漏風(fēng)量。也有煤礦采用注氮進(jìn)行快速防滅火，但注氮參數(shù)的設(shè)計往往依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏詳細(xì)可靠的理論依據(jù)，導(dǎo)致注氮后未能取得預(yù)期效果。

為了制定合理的注氮措施，很多學(xué)者在理論上和工程實(shí)踐中對注氮措施與采空區(qū)自燃環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［2］定量研究了采空區(qū)氧化帶寬度與注氮參數(shù)之間的關(guān)系，推導(dǎo)了最佳注氮量的理論公式；文獻(xiàn)［3］利用有限元方法對注氮時采空區(qū)流體力學(xué)過程和注氮滅火機(jī)理進(jìn)行了分析，為確定注氮量提供了思路；文獻(xiàn)［4］模擬了不同注氮流量下氮?dú)饪刂茀^(qū)域，并根據(jù)計算結(jié)果討論了合理的注氮參數(shù)；文獻(xiàn)［5］采用FLUENT軟件對注氮后氧氣穩(wěn)態(tài)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；文獻(xiàn)［6］采用相似模型對綜放面采空區(qū)注氮防滅火的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并討論了工作面長度、漏風(fēng)源位置與注氮效果之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［7］對連續(xù)注氮條件下采空區(qū)CO濃度及自燃帶寬度的變化情況進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，記錄并分析了注氮量與CO下降幅度之間的關(guān)系。上述理論研究結(jié)論均是在二維甚至一維的假設(shè)條件下得到，缺乏足夠的空間信息和現(xiàn)場適用性，且在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的三維相似模型極難與包含復(fù)雜邊界條件的采空區(qū)保持動力匹配?？紤]到采空區(qū)數(shù)據(jù)采集范圍狹窄，且難以持續(xù)維護(hù)數(shù)據(jù)采集裝置，筆者利用三維數(shù)值模型研究了不同注氮量與注氮位置對采空區(qū)各類“場”信息的影響，并利用現(xiàn)場束管系統(tǒng)監(jiān)測進(jìn)行結(jié)論驗(yàn)證，期待為采空區(qū)注氮方案設(shè)計提供借鑒性的理論依據(jù)。

1　采空區(qū)滲流特征及相應(yīng)數(shù)學(xué)描述

采空區(qū)發(fā)生自燃的必要條件是一定體積遺煤與足夠的氧氣接觸，在不存在明顯內(nèi)部漏風(fēng)源的條件下，采空區(qū)氧氣來源主要來自工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)。在漏風(fēng)經(jīng)過的區(qū)間內(nèi)，組分氣體會發(fā)生滲流－擴(kuò)散運(yùn)動。自燃初期溫度較低時，漏風(fēng)的動力來自工作面的機(jī)械風(fēng)壓和空氣自身的分子擴(kuò)散能力。由于綜放采煤方式開采強(qiáng)度較大，支架后部冒落特征明顯，加之工作面需風(fēng)量普遍很高，在緊挨支架后部的冒落區(qū)域漏風(fēng)風(fēng)速較大，流態(tài)可能會偏離層流［8］；在采空區(qū)深部流速減緩，漏風(fēng)呈層流發(fā)展。另外如使用注氮滅火措施，由于氮?dú)鈴墓軆?nèi)出流速度一般極高，在注氮口附近必定包含一定范圍的湍流區(qū)域。

因此，對于非線性流與層流并存的采空區(qū)，漏風(fēng)運(yùn)動壓降包括黏性阻力和慣性阻力兩部分。在低溫氧化階段，由Boussinesq近似導(dǎo)致的熱壓力效應(yīng)微弱，將其忽略后可得以Forchheimer非線性方程［9］表示的采空區(qū)氣體滲流模型，即：

式中：左邊第一項(xiàng)為漏風(fēng)動力項(xiàng)，第二項(xiàng)為重力項(xiàng)，右邊第一項(xiàng)是黏性損失項(xiàng)，第二項(xiàng)是慣性損失項(xiàng)；Δp為漏風(fēng)通道兩端的壓差，Pa；μ為空氣動力粘度，取1．789 4×10－5Pa·s；ρ為氣體密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；v為某個方向上流體速度分量，m／s；k為煤巖滲透率，由孔隙率與粒徑?jīng)Q定，μm2；β為慣性阻力系數(shù)，可按照J(rèn)oseph建議的公式［10］推算。為了使式（1）適用于FLUENT軟件數(shù)值計算，本文引入非達(dá)西流系數(shù)

則相應(yīng)非達(dá)西滲透率

于是，滲流方程（1）可表示為：

在數(shù)值模擬過程中，方程（2）形式上與達(dá)西定律基本一致，δ會主要隨滲流速度和廣義壓降發(fā)生變化，即每個網(wǎng)格上的滲透率kN會隨上一次運(yùn)動方程和質(zhì)量方程迭代結(jié)果耦合變化。因此，利用變滲透系數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)FLUENT軟件處理非線性流與層流并存的問題。除此之外，采空區(qū)單位體積內(nèi)還存在氧氣消耗和瓦斯涌出，二者強(qiáng)度大小都會對流場分布產(chǎn)生重要影響［11］，包含源項(xiàng)的穩(wěn)態(tài)組分輸送模型為：

式中：w為采空區(qū)某一點(diǎn)上氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為氣體擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；S為采空區(qū)內(nèi)平均單位時間單位體積內(nèi)的氣體涌出質(zhì)量，kg／（m3·s）。

將研究對象擴(kuò)大至包括工作面、采空區(qū)和進(jìn)回風(fēng)巷后的整個采場，還應(yīng)包括常用的雙方程湍流模型，方程之間相互耦合需要聯(lián)立求解，具體的表達(dá)形式這里不再做復(fù)述。

2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場及物理模型設(shè)置

南山煤礦18－5綜放面所開采18號煤層為極易自燃煤層。在投產(chǎn)初期，采空區(qū)曾發(fā)生過自燃，導(dǎo)致大量損失。為了防止采空區(qū)瓦斯大量涌出，在18－5工作面距底板22m高度布置頂板抽放巷；另在回風(fēng)側(cè)還有一條外錯尾巷。兩抽放巷同時開啟后，采空區(qū)漏風(fēng)更為嚴(yán)重，束管中時有發(fā)現(xiàn)CO濃度上升。目前，工作面采取了移動注氮設(shè)備，配合輸送管路從進(jìn)風(fēng)巷對采空區(qū)進(jìn)行注氮防火。

研究模型取自工作面原型，其中包括了工作面、抽放巷和注氮管，如圖1所示。

圖1　物理模型設(shè)置Fig．1 Physic model establishment

18－5綜放面風(fēng)量約為1 400m3／min，在進(jìn)風(fēng)巷口按照截面面積進(jìn)行入口速度折算，回風(fēng)出口設(shè)為無限制自由流；高抽巷和尾巷出口流量各約為150m3／min，在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置直徑159mm注氮管，注氮管出口為速度出口。模型三維孔隙率按照空間坐標(biāo)位置與開采參數(shù)進(jìn)行大致估算［12］，利用CSCB3實(shí)驗(yàn)臺對工作面煤樣進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)，確定采空區(qū)遺煤在低溫下的耗氧速率。雖然采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布不是本文研究重點(diǎn)，但由于組分方程之間耦合性，高瓦斯涌出時會對氧氣和氮?dú)獾姆植籍a(chǎn)生影響。因此，利用文獻(xiàn)［13］給出的方法估算采空區(qū)內(nèi)部遺煤的瓦斯涌出強(qiáng)度，并在模型上邊界按照鄰近煤層瓦斯壓力設(shè)置瓦斯補(bǔ)給入口。將上述邊界條件和氣體源項(xiàng)加載至數(shù)值模型中后，利用FLUENT 3D求解器解算，對物理模型進(jìn)行流場分析，按照氧氣分布變化結(jié)果比較不同注氮流量和注氮位置時防火效果的優(yōu)劣性，以達(dá)到優(yōu)化注氮方案的研究目的。

3　結(jié)果及討論

注氮量與注氮位置是影響防火效果的重要參數(shù)。首先，定性分析注氮條件下采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律和氧氣濃度分布情況，以注氮管伸入采空區(qū)30m，注氮量12m3／min為例，如圖2所示。

圖2　注氮流量12m3／min下30m注氮位置底板氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig．2 Oxygen mass fraction distribution in goaf floor with 30injection depth and 12m3／min injection flux

從圖2中看出，在注氮后從入口起形成一個低濃度氧氣區(qū)，在進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度極大地降低，10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的防火線回縮至據(jù)工作面30～40 m內(nèi)，氮?dú)獾南♂屝Ч蚧仫L(fēng)側(cè)注氮口遠(yuǎn)端逐漸降低。由于18－5工作面兩抽放巷層位較低，且抽放流量極大，漏氣嚴(yán)重，在回風(fēng)側(cè)抽放口附近亦存在氧氣富集區(qū)，僅靠注氮并不能明顯壓縮回風(fēng)側(cè)自燃帶寬度。

從速度矢量圖3得出，氮?dú)鈴墓芸谧⑷牒螅溥\(yùn)移趨勢大致分為3種：一部分氮?dú)庀蚯鞍l(fā)展一段距離，經(jīng)動能損失后向上形成復(fù)雜漩渦或繼續(xù)向上緩慢滲流；第二部分氮?dú)鈺苯恿魅氩煽諈^(qū)深部；第三部分氮?dú)饨?jīng)漏風(fēng)攜帶，迂回流向上隅角或抽放巷等低壓區(qū)。整體上看，第三部分氮?dú)鈱τ诓煽諈^(qū)防火非常重要，其與采空區(qū)規(guī)模和壓實(shí)程度、工作面通風(fēng)方式、氮?dú)饩哂械膭幽芎偷獨(dú)獬隽魑恢糜嘘P(guān)。對于穩(wěn)定回采工作面，可以通過合理設(shè)計注氮流量和注氮位置，盡量增加從注氮口向回風(fēng)側(cè)迂回的流量。從圖中還可以看出，在工作面下半段，工作面空氣有明顯向抽放巷附近漏入的趨勢，現(xiàn)場防火工作應(yīng)先在上隅角處砌筑密閉或擋風(fēng)簾，減弱工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)，同時配合適宜的注氮方案。

圖3　注氮管交叉截面上三維速度矢量示意圖Fig．3 3Dvector schematic diagram inslices crossing injection pipe

筆者設(shè)計了不同的物理模型，并重復(fù)多次計算過程，比較不同注氮流量和注氮位置下獲得的防火效果，如圖4所示。由于進(jìn)風(fēng)側(cè)10m處漏風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大，12m3／min注氮流量無法保證氮?dú)庠诖颂幋罅糠e聚，氮?dú)鈽O容易被漏風(fēng)驅(qū)散，起不到明顯稀釋氧氣的效果。隨著漏風(fēng)強(qiáng)度的減弱，注氮管伸入采空區(qū)20m后情況得到了極大的改善，氮?dú)饪梢园?0%防火線壓縮至距工作面30m以內(nèi)，并對中部氧氣分布起到一定程度影響，防火效果優(yōu)于10m注氮位置。

將注氮流量增大至24m3／min后，卻得到了相反的結(jié)論，如圖5所示。由于注氮流量的提高，氮?dú)獾难a(bǔ)充已經(jīng)大于損失量，易于氮?dú)庠诔隹诟浇罅慷逊e。在10m位置，注氮即可取得很好的效果，進(jìn)風(fēng)側(cè)10%防火線滯后于注氮口，中部也不足50m寬度；注氮口伸入采空區(qū)20m后，注氮效果卻發(fā)生了下降，防火線向后膨脹了10～15m，這顯然是由于注氮管伸入后浪費(fèi)了10m的氮?dú)夥e聚空間所致。

繼續(xù)提高注氮量至36m3／min后，如圖6所示，也得到類似的趨勢，但兩者的差距在縮小，無論10m或20m都取得了較好的惰化效果。因此在采取大流量注氮時，最好將注氮口布置在冷卻帶內(nèi)，可為氮?dú)忸A(yù)留一定的發(fā)揮空間，充分破壞采空區(qū)原始流場分布。

進(jìn)行多組模擬實(shí)驗(yàn)后，將導(dǎo)出數(shù)據(jù)整理得到注氮量和注氮位置與防火線據(jù)工作面距離的關(guān)系曲線，如圖7－a所示。圖中顯示，較小流量注氮時，依據(jù)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%防火線位置，在進(jìn)風(fēng)側(cè)防火效果隨注氮位置增加發(fā)生變化，在20m位置出現(xiàn)拐

圖4　注氮流量12m3／min不同注氮位置底板氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig．4 Oxygen mass fraction distribution in goaf floor in different injection position with 12m3／min injection flux

圖5　注氮流量24m3／min不同注氮位置底板氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig．5 Oxygen mass fraction distribution in goaf floor indifferent injection position with 24m3／min injection flux

圖6　注氮流量36m3／min不同注氮位置底板氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig．6 Oxygen mass fraction distribution in goaf floor in different injection position with 36m3／min injection flux

點(diǎn)；由于曲線以10m為單位，因此注氮位置應(yīng)在20 ～30m之間為佳；隨著注氮量提高，防火效果隨注氮位置深入采空區(qū)而降低；但每個位置上注氮量越大，防火效果越好。實(shí)際工程中，實(shí)驗(yàn)場地現(xiàn)有井下移動注氮設(shè)備能力難以達(dá)到30 m3／min，甚至20 m3／min的注氮流量，因此流量12m3／min的模擬結(jié)果更具參考價值。

由于18－5工作面抽放巷層位較低，抽放強(qiáng)度大，會引起大量漏風(fēng)向抽放巷附近積聚，單憑迂回至此的氮?dú)鉄o法對回風(fēng)側(cè)氧氣富集區(qū)造成實(shí)質(zhì)性的干擾，圖7－b顯示。無論何種注氮量，回風(fēng)側(cè)防火線位置在不同注氮位置下相差都在數(shù)米之內(nèi)，現(xiàn)場工作應(yīng)配合在上隅角長距離封堵漏風(fēng)，控制上隅角附近的氧氣富集區(qū)范圍。圖8為圖2基礎(chǔ)上分別在上下隅角30 m距離封堵后的氧氣分布結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，配合封堵，隨著漏風(fēng)減弱，氮?dú)庠诓煽諈^(qū)大量積聚。兩種措施一并使用可以取得更好的防火效果，不但進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度大幅下降，回風(fēng)側(cè)氧氣富集區(qū)面積也縮小前移，加之工作面快速推進(jìn)，回風(fēng)側(cè)抽放巷附近不具備自燃條件。

圖7　注氮參數(shù)與防火線位置的關(guān)系Fig．7 Relationship between nitrogen injection parameters and position of fire protection line

圖8　上下隅角各30m封堵和12m3／min流量注氮后采空區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig．8 Oxygen mass fraction distribution after 30mblockingin up and down corner and 12m3／min nitrogen injection

4　應(yīng)用

對高位巷出口氣體連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，抽出氣體成分中存在大量氧氣，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在16%以上，說明采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)供氧情況嚴(yán)重。在工作面推進(jìn)過程中，每隔30m在上隅角打兩道2m厚密閉墻，封堵距離加長至30m。施工完畢后用聚氨酯材料密閉四周裂縫，兩道密閉墻之間再掛擋風(fēng)簾鞏固?，F(xiàn)有注氮設(shè)備氮?dú)廨斔湍芰?20 m3／h（12 m3／min），依據(jù)數(shù)值分析結(jié)論，注氮位置應(yīng)在20～30m之間?？紤]到實(shí)際出氮量略小于設(shè)備額定上限，因此將注氮管伸入至采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)30m位置，將注氮管之間搭接距離減小至10m，使注氮位置始終保持在30～40m之間；另盡量加快工作面推進(jìn)速度，12d后采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧氣濃度大幅下降［14－15］，采空區(qū)CO最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在0．002%以下，防火效果明顯，采空區(qū)基本不存在自燃的危險。

5　結(jié)論

1）包含注氮條件的采空區(qū)滲流模型必存在一定范圍的湍流區(qū)，僅依靠達(dá)西方程得出的計算結(jié)果有失真實(shí)性，應(yīng)利用含變滲透系數(shù)的非線性運(yùn)動方程對氣體運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行更客觀地描述。

2）隨著注氮位置逐漸深入采空區(qū)，不同注氮流量反映出了相反的防火效果變化趨勢。大流量注氮在采空區(qū)淺部即可取得很好的注氮效果，隨著注氮位置增加，注氮效果逐漸降低。而小流量注氮隨注氮位置深入，防火線位置向工作面回縮，然后向采空區(qū)深部膨脹，即防火效果在注氮位置上存在一個拐點(diǎn)?，F(xiàn)場施工應(yīng)事先對工作面規(guī)模、漏風(fēng)情況和現(xiàn)有注氮設(shè)備能力進(jìn)行充分評估，利用數(shù)值方法分析氮?dú)庠诓煽諈^(qū)的運(yùn)移趨勢，并依據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)后，確定合理的注氮方案。

3）受大流量、低層位高位巷和尾巷抽放影響的采空區(qū)，在回風(fēng)側(cè)靠近抽放巷附近存在氧氣富集區(qū)，單憑注氮無法對此處氧氣進(jìn)行有效稀釋，應(yīng)配合封堵措施一并使用，以達(dá)到最佳的防火效果。

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（編輯：龐富祥）

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Nitrogen Injection Parameters Design for Goaf and Its 3D Flow Field Analysis

LIU Xingkui1，2，WANG Gongzhong2，ZHOU Aitao3
（1．School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；2．Safety Engineering Department，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou451191，China；
3．Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Mining ＆Technology（Beijing），Beijing100083，China）

Abstract：To reasonably design a nitrogen injection project for fire control，based on the 18－5 goaf in Nanshan Mine，the FLUENT combing with Forchheimer motion equation of changing permeability coefficient was used to numerically analyze the 3Dflow field of complex goaf model，including drainage laneway and nitrogen injection pipes．The results show that large flux injection in superficial part of the goaf can obtain better dilute effect and worse effect along with the depth of injection pipes，but small flux injection has inverse trend of injection effect with increasing injection pipe depth．In other words，the optimum injection position is different between two injection patterns．Influenced by the drainage laneway，since a rich oxygen area forms in the return air side of the goaf which cannot be diluted only by the nitrogen injection，blocking in long distance should be applied on working face to reduce air leakage caused by the drainage laneway．Besides，a reasonable fire control project was designed according to the research conclusion and site construct conditions．Goaf size，ventilation pattern，and nitrogen－making equipment capacity should be evaluated before the nitrogen injection．

Key words：nitrogen injection；3Dflow field；dilute effect；injection position；rich oxygen area

作者簡介：劉星魁（1981－），男，河南鶴壁人，博士，講師，主要從事礦井火災(zāi)防治理論、計算流體力學(xué)應(yīng)用等方面的研究，（Tel）18339953718，（E－mail）26638587＠qq．com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：突出煤粉瓦斯兩相流誘導(dǎo)礦井風(fēng)流災(zāi)變規(guī)律研究（51304213）；河南省科技攻關(guān)計劃資助項(xiàng)目：綜放工作面三維流場分析及自燃危險性評價模型開發(fā)（132102210448）；河南工程學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（CXTD2014002）

收稿日期：＊2014－10－16

文章編號：1007－9432（2015）03－0312－06

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．013

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD752．2