基于fluen的采空區(qū)氧化物分布三維數(shù)值模擬

采空區(qū)火災(zāi)是礦山的主要災(zāi)害之一。自發(fā)火災(zāi)的發(fā)生將給礦山的安全生產(chǎn)帶來重大影響。目前采空區(qū)火災(zāi)的防治技術(shù)主要有:水降溫滅火、灌漿防滅火、注氮防滅火技術(shù)、三相泡沫滅火技術(shù)和膠體滅火技術(shù)等,其中注氮防滅火技術(shù)是預(yù)防采空區(qū)自燃的有效的方法之一。其中注氮位置及注氮量等參數(shù)的選取,是能否安全高效預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的重要因素。1采空區(qū)滲流及傳質(zhì)擴散的數(shù)學(xué)模型由于采空區(qū)的特點符合多孔介質(zhì)的界定,就把采空區(qū)當(dāng)作多孔介質(zhì)對其內(nèi)的流場進行分析研究,氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動遵循質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律,另外包括不同組分的流動傳熱傳質(zhì)等。依據(jù)這些理論基礎(chǔ),可以得出采空區(qū)滲流及傳質(zhì)擴散數(shù)學(xué)模型:式中:ρ為氣體密度,kg/m3;為x、y、z方向的漏風(fēng)強度,m/s,c為煤體比熱,J/(kg·K),cp為氣體定壓比熱,J/(kg·K);(ρc)m=(1-ε)(ρc)s+ε(ρcp)f,其中ε為空隙率,λm為破碎煤體的有效導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k);qm為熱量的源項,J/(m3·s);Cs為組分s的體積濃度;Ds為該組分的擴散系數(shù),m2/s;Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間單位體積通過化學(xué)反應(yīng)消耗或產(chǎn)生該組分的量,mol/(m3·s)。1.1物理模型建立110204綜采工作面走向長2430m,傾斜長180m;平均傾角21°,采高3.8m。以110204工作面為原型建立物理模型尺寸為,進回風(fēng)巷為10m×3.2m×3m,工作面為180m×6m×3.8m,以進風(fēng)巷外沿與采空區(qū)的交叉處為原點,沿進風(fēng)巷方向為x正向,沿工作面方向為y正向,垂直方向為z軸正向。從原點起指向x、y、z的正向,采空區(qū)模型是一個200m×180m×11m的長方體,其中下部為浮煤厚度為3m,上部為破碎巖體為8m。1.2工作面壓采支架的確定依據(jù)采空區(qū)距工作面的距離把其分為自然堆積區(qū)、破碎堆積區(qū)、壓實區(qū)?；诘V壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)測算擬合得到采空區(qū)空隙率ε的分布為:自然堆積區(qū)ε=0.35,破碎堆積區(qū)ε=0.00001x2-0.002x+0.35,壓實區(qū)ε=0.15。依據(jù)Arrhenius定律煤的耗氧速率主要受氧濃度與反應(yīng)溫度的影響,工作面正常推進的情況下采空區(qū)溫度基本保持不變,依據(jù)煤樣的自然發(fā)火實驗所測數(shù)據(jù),經(jīng)擬合得到28℃時耗氧速率Ss與氧濃度Cs的關(guān)系為:Ss=0.002868·Cs,mol/(s·cm3)。邊界條件:110204工作面的實際風(fēng)量為620m3/min,依據(jù)進風(fēng)巷斷面面積進行折算選取速度為1.08m/s,設(shè)置進風(fēng)巷為速度入口;回風(fēng)設(shè)置為自由出口;綜采支架為1m厚的多孔跳躍介質(zhì);其余邊界為壁面。2現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬2.1采空區(qū)內(nèi)氣體組分的變化通過在工作面風(fēng)機兩巷進行預(yù)埋束管,監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)氣體組分隨距工作面距離而變化的情況,依據(jù)氧濃度(8%~18%)判別標(biāo)準(zhǔn),得到的采空區(qū)氧化帶的范圍見表1。2.2用于模擬空白區(qū)域氧濃度場的不同領(lǐng)域未注氮時采空區(qū)氧氣(體積分?jǐn)?shù))分布如圖1。2.3工作面回風(fēng)側(cè)氧化帶距工作面距離對比模擬與觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),模擬與觀測之間的誤差在工程實踐的允許范圍之內(nèi),模擬結(jié)果可以作為防滅火實踐的參考。如圖1的110204工作面回風(fēng)側(cè)氧化帶距工作面的距離較近,究其原因可能是:110204工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈采空區(qū)頂煤冒落及破碎非常嚴(yán)重,采空區(qū)煤巖體破碎程度較大。由于煤體破碎煤氧接觸面積增多反應(yīng)機率增加,加上工作面風(fēng)量偏少致使煤氧反應(yīng)時間較長,上述因素都會造成采空區(qū)氧濃度降低加快,影響煤自燃“三帶”分布。3注氮模擬3.1注氮量對采空區(qū)氧化帶分布的影響基于采空區(qū)氧濃場的模擬結(jié)果,選取注氮位置為采空區(qū)進風(fēng)側(cè)35m處(散熱帶與氧化帶交界處),進行100~600m3/h注氮量下的模擬。如圖2,隨著注氮量的增加,采空區(qū)氧化帶的位置逐漸向靠近工作面的方向回縮,在注氮量較少時僅注氮口附近區(qū)域受影響較為顯著,對回風(fēng)側(cè)氧氣分布影響有限。隨著注氮量的增加,注氮影響區(qū)域在走向與傾向上逐漸擴大,這主要是因為氮氣的注入改變了采空區(qū)原本的流場狀態(tài)。注氮量達(dá)到300~400m3/h時氧化帶的范圍已經(jīng)減少到10m左右,起到了很好的效果。在注氮量為600m3/h時出現(xiàn)了上隅角氧濃度<18%的情況,達(dá)到了注氮量的極限,不宜繼續(xù)增加注氮量。3.2注氮口的變化采空區(qū)內(nèi)最有可能發(fā)生自燃的區(qū)域主要位于氧化升溫帶內(nèi)的后部區(qū)域,而從采空區(qū)自燃預(yù)防的角度來講注氮的主要目的就是為了減少這部分區(qū)域的寬度。其中注氮位置的選擇對注氮效果有很大的影響?；诓煽諈^(qū)“三帶”分布的注氮位置選擇有3個:散熱帶與氧化帶的交界處、散熱帶內(nèi)、氧化帶內(nèi)。在注氮量為350m3/h的情況下,選取30、40、50m3個位置進行模擬分析。如圖3的注氮口的前移對注氮側(cè)的氧化帶位置有很大的影響,進風(fēng)側(cè)的氧化帶會隨著注氮口的加深向采空區(qū)深部移動。另一方面可以看出當(dāng)注氮口位于30m時,注氮對注氮口附近區(qū)域及進風(fēng)側(cè)的的影響非常的顯著,但是對工作面中部氧化帶的影響卻不及40、50m2個位置的情況,究其原因可能是因為距離工作面較近漏風(fēng)較大不利于氮氣在采空區(qū)傾向上的擴散,進而影響了注氮的效果。當(dāng)注氮口位于氧化帶內(nèi)(40m)時,氮氣可以很好的隨漏風(fēng)在采空區(qū)走向與傾向上擴散。注氮位置的進一步加深會導(dǎo)致氧化帶繼續(xù)向深部移動不利于火災(zāi)的預(yù)防,同時會給現(xiàn)場實施及工程材料成本帶來一定的不利影響,所以綜合考慮各種因素,注氮位置選擇在氧化帶內(nèi)的前半部分(約40m)是較為合理的方案。3.3注氮口高度影響在考慮重力場影響的情況下,選取距工作面30m的位置進行注氮,建立三維的采空區(qū)模型對注氮高度為0、3m,注氮量為350m3/h的情況進行計算模擬,如圖4。由圖4(a)得到N2可以很好的擴散到注氮口附近上部區(qū)域,而圖4(b)中注氮口附近特別是低于注氮口位置的部分區(qū)域氧濃度依然保持較高的數(shù)值,這為煤自燃的預(yù)防留下了一定隱患。沿工作面傾向隨著距注氮口距離的增加N2可以很好的在采空區(qū)內(nèi)擴散開來,尤其注氮口位于3m高時注氮可以在采空區(qū)較高位置影響到較大范圍。綜合比較分析注氮口高度的影響,考慮到氧化帶最寬區(qū)域位于進風(fēng)側(cè),并且浮煤主要分布在較低區(qū)域。因而實踐中在確保注氮口不受采空區(qū)積水等因素影響的條件下,應(yīng)該把注氮管路綁扎在較低的位置,以達(dá)到較好的預(yù)防效果。4注氮帶及注氮口位置分析1)對采空區(qū)氧濃度場進行了模擬分析,對模擬結(jié)果與觀測的結(jié)果進行了比對,驗證了模擬結(jié)果的合理性。2)采空區(qū)預(yù)防性注氮可以很好的減少進風(fēng)側(cè)氧化帶的范圍,使采空區(qū)“三帶”變成對稱分布的形狀,但是對回風(fēng)側(cè)的影響有限,注氮情況下回風(fēng)側(cè)“三帶”觀測數(shù)據(jù)具有較好的參考性。3)通過對比分析不同注氮位置及注氮量下采空區(qū)氧化帶寬度變化情況,得到110204工作面最適宜的注氮量約為350m3/h,最佳的注氮位置距工作面40m左右。4)注氮口位于3m高時會在低于其位置的局部區(qū)域出現(xiàn)氧濃度的較高的情況,為采空區(qū)火災(zāi)的預(yù)防埋下隱患,現(xiàn)場實踐中注氮口位置不宜過高。由圖1分析可知,依據(jù)氧濃度標(biāo)準(zhǔn)8%~18%來劃分采空區(qū)自燃帶,最大