综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟

第36卷第6期 北京科技大学学报 Vol.36 No.6 2014年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2014 综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 蒋仲安，刘祥龙，杜翠凤四，陈举师，姜兰 北京科技大学教有部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ducuifeng(@126.com 摘要为了验证综采工作面采空区封闭与惰化过程中相关技术参数的合理性，了解注惰过程中各组分气体体积分数分布 及扩散规律，掌握其随时间变化特点，依据气流渗透及扩散理论，运用Flut软件对采空区封闭后惰化过程进行数值模拟，并 采用现场取样化验分析的方法对采空区封闭后注惰过程中气体体积分数进行监测.通过对比发现，模拟结果与监测数据基本 吻合，验证了模拟结果的准确性.由模拟结果可知：双“U”型通风系统的存在使得采空区内部空间具有较为均匀的风流流场 分布：在正常通风情况下，O2、C02及N2体积分数随距工作面距离的增加而逐步降低，CH体积分数以下隅角为中心径向逐步 增大：随着注惰进程的推移，0，和N,体积分数随着注惰时间的累积逐步升高，CH,和C02体积分数则反之. 关键词采空区：浓度分布：扩散；封闭：惰化：模拟 分类号TD753 Numerical simulation of goaf sealing and inerting fire-fighting technology for fully mechanized coal faces JIANG Zhong-an,LIU Xiang-long,DU Cui-feng,CHEN Ju-shi,JIANG Lan Key Laboratory of the Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mines,University of Seience and Technology Beijing, Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ducuifeng@126.com ABSTRACT In order to master the concentration distributions and diffusion laws of various components of gas in goafs,study their changes with time and obtain the reasonable parameters of goaf sealing and inerting fire-fighting technology,the concentrations of various components of gas during inert gas injection were monitored by using sampling and experiment analysis methods.Then the process of sealing and inerting in the goaf was simulated based on the permeability and diffusion theory with Fluent software.The simulation results are essentially coincident with the measured data,validating the accuracy of the simulation results.It is also found that a "Double U"ventilation system can make the airflow field distribution uniform in the goaf.The concentrations of 0,CO and N gradually reduce with the increase of distance from the working face while the concentration of CH radially increases from the center of the lower corner under the normal ventilation case.The concentrations of 0,and N,gradually increase over time as the inert gas injec- tion process go on,but the concentrations of CH,and CO,decrease at the same time. KEY WORDS goafs:concentration distributions:diffusion:sealing:inerting:modeling 随着煤炭工业的高速发展，煤层火灾治理技术式效果比较理想，应用也比较广泛-).惰气防灭火 取得了显著的成绩，在综采工作面瓦斯爆燃现场治 技术是向火区注入惰性气体，惰气源目前发展起来 理方面，也拥有许多成功的案例.目前，井下常用的 的主要以注入N2和CO2为主，也可注入其他惰性 防灭火技术主要有惰化、堵漏、降温等，以及这几类 气体来降低火区氧的体积分数，达到防灭火的目 的互相组合，共同发挥灭火作用，最终实现防灭火的 的四.惰气可使采空区空气中氧的体积分数降低， 目的.其中，封闭火区并压注惰气进行防灭火的方 一般认为氧体积分数小于12%时瓦斯就不会爆炸， 收稿日期：2013-0402 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.003:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 6 Jun． 2014 综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 蒋仲安，刘祥龙，杜翠凤，陈举师，姜 兰 北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: ducuifeng@ 126． com 摘 要 为了验证综采工作面采空区封闭与惰化过程中相关技术参数的合理性，了解注惰过程中各组分气体体积分数分布 及扩散规律，掌握其随时间变化特点，依据气流渗透及扩散理论，运用 Fluent 软件对采空区封闭后惰化过程进行数值模拟，并 采用现场取样化验分析的方法对采空区封闭后注惰过程中气体体积分数进行监测． 通过对比发现，模拟结果与监测数据基本 吻合，验证了模拟结果的准确性． 由模拟结果可知: 双“U”型通风系统的存在使得采空区内部空间具有较为均匀的风流流场 分布; 在正常通风情况下，O2、CO2 及 N2 体积分数随距工作面距离的增加而逐步降低，CH4 体积分数以下隅角为中心径向逐步 增大; 随着注惰进程的推移，O2 和 N2 体积分数随着注惰时间的累积逐步升高，CH4 和 CO2 体积分数则反之． 关键词 采空区; 浓度分布; 扩散; 封闭; 惰化; 模拟 分类号 TD75 + 3 Numerical simulation of goaf sealing and inerting fire-fighting technology for fully mechanized coal faces JIANG Zhong-an，LIU Xiang-long，DU Cui-feng ，CHEN Ju-shi，JIANG Lan Key Laboratory of the Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: ducuifeng@ 126． com ABSTＲACT In order to master the concentration distributions and diffusion laws of various components of gas in goafs，study their changes with time and obtain the reasonable parameters of goaf sealing and inerting fire-fighting technology，the concentrations of various components of gas during inert gas injection were monitored by using sampling and experiment analysis methods． Then the process of sealing and inerting in the goaf was simulated based on the permeability and diffusion theory with Fluent software． The simulation results are essentially coincident with the measured data，validating the accuracy of the simulation results． It is also found that a“Double U”ventilation system can make the airflow field distribution uniform in the goaf． The concentrations of O2，CO2 and N2 gradually reduce with the increase of distance from the working face while the concentration of CH4 radially increases from the center of the lower corner under the normal ventilation case． The concentrations of O2 and N2 gradually increase over time as the inert gas injec￾tion process go on，but the concentrations of CH4 and CO2 decrease at the same time． KEY WOＲDS goafs; concentration distributions; diffusion; sealing; inerting; modeling 收稿日期: 2013--04--02 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 06． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 随着煤炭工业的高速发展，煤层火灾治理技术 取得了显著的成绩，在综采工作面瓦斯爆燃现场治 理方面，也拥有许多成功的案例． 目前，井下常用的 防灭火技术主要有惰化、堵漏、降温等，以及这几类 的互相组合，共同发挥灭火作用，最终实现防灭火的 目的． 其中，封闭火区并压注惰气进行防灭火的方 式效果比较理想，应用也比较广泛［1--3］． 惰气防灭火 技术是向火区注入惰性气体，惰气源目前发展起来 的主要以注入 N2 和 CO2 为主，也可注入其他惰性 气体来降低火区氧的体积分数，达到防灭火的目 的［4］． 惰气可使采空区空气中氧的体积分数降低， 一般认为氧体积分数小于 12% 时瓦斯就不会爆炸

第6期 蒋仲安等：综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 ·723· 进一步降低氧体积分数可使爆燃瓦斯室息，起到防 (pu,)+(pu,u)= 灭火的作用.当封闭火区内氧气体积分数低于5% dt 0: 时，火势将逐渐减弱直至熄灭6响.《煤矿安全规 迎+i+pg:+F,r + (2) 程》第二百四十八条规定：“封闭的火区，只有经过 ax:axi 取样化验，证实火己熄灭，方可启封或注销.”其中 能量守恒方程： 判断火源是否熄灭最重要的标准之一就是火区内空 是pd+品oE+月]= 气中的氧气体积分数是否下降到5.0%以下) 因此，研究采空区封闭后惰化过程中各组分渗 +是k恶-+，小 (3) 透及扩散的规律，掌握各组分气体体积分数分布及 组分输运方程： 随时间变化的特点，对于判断现场压注惰气防灭火 相关技术参数的合理性，以及综合防灭火方案是否 是o2+7o)=-:+R+s,（④ 可行等具有十分重大的指导意义. 标准k-ε两方程： 1 数学模型及控制方程 品o+是pa）= 1.1数学模型 [(u+台)]+G-pe+S, (5) k ax; 采场范围包括综采工作面和采空区.进入采场 的风流绝大部分经过工作面到回风流中，少部分进 是ae)+2（aeu）= 入采空区，形成采空区漏风风流。靠近工作面的采 空区，由于冒落的岩石还没有压实，孔隙率较大，风 流流动速度比采空区后部大，其流动状态应是由工 式中，SmTF、khJSY、R、S、Gk、ES 作面的湍流向采空区深部的层流的过渡状态.采场 Su4,Pg:和p分别为质量源项、应力张量、动量 内的气体流动，实际上应包括上述三种流动状态. 源项、有效热传导系数、组分广的生成焓、组分广的 煤和岩体是由孔隙和裂隙组成的多孔介质.在 扩散通量、体积热源项、组分i的质量分数、净产生 裂隙系统中，瓦斯的流动多属于层流运动：而在孔隙 速率、额外产生速率、层流速度梯度产生的湍动能、 结构的微孔中，则是扩散运动.因此瓦斯在煤和岩 湍动能(m2·s2)、湍动能耗散率(m2·s-3)、湍动能 层中的流动，主要是层流渗透运动和扩散运动. 源项、湍动能耗散率源项、层流黏性系数(Pa·s)、湍 采空区气流渗透及扩散过程的数值模拟需将流 流黏性系数(Pa·s)、静压(Pa)、i方向重力加速度 动视为不可压缩流，需启用无化学反应的组分输运 (ms2)和气体密度(kgm3).x:和x为x和y方 模型.由于需要求解各组分气体体积分数分布随时 向上的坐标(m);4,和4为流体在x和y方向上的速 间在空间的变化规律，本模型启用非稳态进行求解 度(ms1).C1、C2Co和o为常数，分别取 此外，瓦斯爆燃事故发生之后，所引起烟尘温度较 1.44、1.92、0.09、1.3和1.0. 高，与采空区内气流存在热交换，对气体渗透及扩散 2几何模型的建立及参数设定 有略微影响，因此还需启用能量方程，但在此过程中 气流温度的略微升高并不会影响气体的体积分数. 2.1现场概况 1.2控制方程 余吾煤业公司矿井设计生产能力为600万t· 综采工作面采空区气流渗透及扩散模型选用三 a1,属高瓦斯矿井，通风方式为分区式通风.发生 维不可压缩非稳态Navier-Stokes方程作为控制方 事故的N1203综采工作面位于北一采区，经相关专 程，采用标准k-ε两方程模型建立封闭控制方程 家初步分析认为，顶板来压造成工作面机组后滚筒 组，模型内考虑组分对流扩散及热传导，得到方程组 附近顶梁上部瓦斯突然大量涌出，同时顶部煤矸冒 如下. 落摩擦支架前梁或采煤机割底板产生火花，引起局 质量守恒方程： 部瓦斯爆燃。该工作面回采走向长1024m,切眼长 p+日(pu,）=sm 度300m,煤层平均厚度6.6m,可采储量263万t (1) at dx: 该面2010年7月开始回采，至2011年6月22日发 动量守恒方程： 生事故时，剩余可采长度80m

第 6 期 蒋仲安等: 综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 进一步降低氧体积分数可使爆燃瓦斯窒息，起到防 灭火的作用． 当封闭火区内氧气体积分数低于 5% 时，火势将逐渐减弱直至熄灭［5--6］． 《煤 矿 安 全 规 程》第二百四十八条规定: “封闭的火区，只有经过 取样化验，证实火已熄灭，方可启封或注销． ”其中 判断火源是否熄灭最重要的标准之一就是火区内空 气中的氧气体积分数是否下降到 5. 0% 以下［7］． 因此，研究采空区封闭后惰化过程中各组分渗 透及扩散的规律，掌握各组分气体体积分数分布及 随时间变化的特点，对于判断现场压注惰气防灭火 相关技术参数的合理性，以及综合防灭火方案是否 可行等具有十分重大的指导意义． 1 数学模型及控制方程 1. 1 数学模型 采场范围包括综采工作面和采空区． 进入采场 的风流绝大部分经过工作面到回风流中，少部分进 入采空区，形成采空区漏风风流． 靠近工作面的采 空区，由于冒落的岩石还没有压实，孔隙率较大，风 流流动速度比采空区后部大，其流动状态应是由工 作面的湍流向采空区深部的层流的过渡状态． 采场 内的气体流动，实际上应包括上述三种流动状态． 煤和岩体是由孔隙和裂隙组成的多孔介质． 在 裂隙系统中，瓦斯的流动多属于层流运动; 而在孔隙 结构的微孔中，则是扩散运动． 因此瓦斯在煤和岩 层中的流动，主要是层流渗透运动和扩散运动． 采空区气流渗透及扩散过程的数值模拟需将流 动视为不可压缩流，需启用无化学反应的组分输运 模型． 由于需要求解各组分气体体积分数分布随时 间在空间的变化规律，本模型启用非稳态进行求解． 此外，瓦斯爆燃事故发生之后，所引起烟尘温度较 高，与采空区内气流存在热交换，对气体渗透及扩散 有略微影响，因此还需启用能量方程，但在此过程中 气流温度的略微升高并不会影响气体的体积分数． 1. 2 控制方程 综采工作面采空区气流渗透及扩散模型选用三 维不可压缩非稳态 Navier-Stokes 方程作为控制方 程，采用标准 k － ε 两方程模型建立封闭控制方程 组，模型内考虑组分对流扩散及热传导，得到方程组 如下． 质量守恒方程: ρ t +  xi ( ρui ) = Sm ． ( 1) 动量守恒方程:  t ( ρui ) +  xj ( ρuiuj ) = － p xi + τij xj + ρgi + Fi ． ( 2) 能量守恒方程:  t ( ρE) +  xi ［ui ( ρE + p) ］= Sh +  x [ i keff T xi － ∑ j' hj' Jj' + uj ( τij ) eff ] ． ( 3) 组分输运方程:  t ( ρYi ) + Δ ·( ρvYi ) = － Δ Ji + Ｒi + Si ． ( 4) 标准 k ε 两方程:  t ( ρk) +  xi ( ρkui ) =  x [ ( j μ + μt σ ) k k x ]j + Gk － ρε + Sk， ( 5)  t ( ρε) +  xi ( ρεui ) =  x [ ( j μ + μt σ ) ε ε x ]j + ε k C1εGk － ε2 k C2ε ρ + Sε ． ( 6) 式中，Sm、τij 、Fi、keff、hj'、Jj'、Sh、Yi、Ｒi、Si、Gk、k、ε、Sk、 Sε、μ、μt、p、gi和 ρ 分别为质量源项、应力张量、动量 源项、有效热传导系数、组分 j'的生成焓、组分 j'的 扩散通量、体积热源项、组分 i 的质量分数、净产生 速率、额外产生速率、层流速度梯度产生的湍动能、 湍动能( m2 ·s － 2 ) 、湍动能耗散率( m2 ·s － 3 ) 、湍动能 源项、湍动能耗散率源项、层流黏性系数( Pa·s) 、湍 流黏性系数( Pa·s) 、静压( Pa) 、i 方向重力加速度 ( m·s － 2 ) 和气体密度( kg·m － 3 ) ． xi和 xj为 x 和 y 方 向上的坐标( m) ; ui和 uj为流体在 x 和 y 方向上的速 度( m·s － 1 ) ． Cε1、Cε2、Cμ、σε 和 σk 为常数，分别取 1. 44、1. 92、0. 09、1. 3 和 1. 0． 2 几何模型的建立及参数设定 2. 1 现场概况 余吾煤业公司矿井设计生产能力为 600 万 t· a － 1 ，属高瓦斯矿井，通风方式为分区式通风． 发生 事故的 N1203 综采工作面位于北一采区，经相关专 家初步分析认为，顶板来压造成工作面机组后滚筒 附近顶梁上部瓦斯突然大量涌出，同时顶部煤矸冒 落摩擦支架前梁或采煤机割底板产生火花，引起局 部瓦斯爆燃． 该工作面回采走向长 1 024 m，切眼长 度 300 m，煤层平均厚度 6. 6 m，可采储量 263 万 t． 该面 2010 年 7 月开始回采，至 2011 年 6 月 22 日发 生事故时，剩余可采长度 80 m． ·723·

·724· 北京科技大学学报 第36卷 工作面采用两进、两回双“U”型通风系统，工作 长度取300m,宽度取6m,高度取3.6m. 面总风量为5592m3·min-',其中回风顺槽回风 ⑤大“U”通风系统所属巷道断面宽度和高度 1420m3·min-1,瓦排巷回风4172m3min-1.N1203 均分别取取3.8和3.2m.其中，进风顺槽和瓦斯排 综采工作面采取了采前预抽、边采边抽、采空区抽采 放巷长度均取550m,横贯长度均取30m,辅助切眼 等综合抽采方式，抽采后N1203综采工作面煤层瓦 长度取376m,辅助运输巷长度取55m. 斯解析量为6.72m3·t-,绝对瓦斯涌出量为 ⑥注惰使用钻孔直径均取244.5mm.其中， 44.2m3min-. 1"、2钻孔分别位于距回风顺槽出口、胶带顺槽入口 事故发生后，灭火救援专家对余吾煤业N1203 9m处巷道中心，5钻孔位于工作面距胶带顺槽80m 综采工作面发火原因进行分析，制定了综采工作面 处中心位置 的综合灭火方案，详细论证了火区封闭与惰化，从地 基于上述简化及假设，采用GAMBIT2.0建立 表施工钻孔压注CO,和N2,注凝胶封堵采空区方案 采空区三维几何模型，并对其进行网格划分，如图1 的可行性，并予以现场实施。 所示 在N1203综采工作面综合灭火方案现场实施 过程中，1"钻孔率先施工到位并开始压注C02和 N2,持续25d后停注，累计压注C02204.94t,注液 态N219.56t:5"钻孔于1"钻孔开注6d后开始压注 C02和N2,持续38d后停注，累计注C02331.36t, 注液态N2235.41t.至此，根据对2钻孔进行取样 分析，采空区各项指标已符合火区启封要求，按照规 定启封火区，最终成功灭火 图1采空区三维几何模型图 2.2几何模型的建立 Fig.1 3D geometric model of the goaf 根据N1203综采工作面的实际情况，建立采空 区气流渗透及扩散几何模型.由于综采工作面上有 2.3参数设定及求解 采煤机、支架、溜子等各种设备，双“U”型通风系统 根据N1203综采工作面的具体情况及相关实 所属巷道断面也不标准，且无法对采空区进行实测， 测数据，结合数学模型和FLUENT的数值模拟方法， 因此无法做出准确的几何模型，根据现场的实际情 并对区域网格进行自适应等调试，最终求解出采空 况和模拟的实际需要，本文对综采工作面及采空区 区封闭及惰化过程中各组分的体积分数分布及扩散 数值计算区域进行了以下简化： 规律.数值模拟参数设定如表1所示 ①工作面、胶带顺槽、回风顺槽、进风顺槽、瓦 表1计算模型参数设定表 斯排放巷、辅助切眼、横贯巷、辅助运输巷、采空区等 Table 1 Definition of model parameters 所有区域均视为长方体，不考虑工作面及各类巷道 边界条件 参数设定 设备布置情况 求解器 分离求解器 ②根据“横三区”、“竖三带”的划分原则，将采 湍流模型 k双方程模型 空区划分为冒落带1、冒落带2、冒落带3、裂隙带1、 组分输运模型 瓦斯-空气 裂隙带2共计五个部分，以区别不同的孔隙率.其 能量 打开 中冒落带1、2和3分别代表煤壁支撑影响区、岩层 时间 非稳态 离层区及重新压实区.裂隙带由于孔隙率随高度变 入口边界类型 速度入口 化较大，将其划分为裂隙带1和裂隙带2.弯曲下沉 3.18(胶带顺槽)， 带由于孔隙率极小不予考虑 2.47(进风顺槽)， ③采空区走向长度取500m,倾斜长度取300m 入口速度/(ms1) 0.69(辅助运输巷)， (包括小“U”通风系统胶带顺槽及回风顺槽宽度)， 1.18(1*钻孔)， 垂直高度取75m.其中走向长度分为三段，分别为 2.32(5*钻孔) 25、125和350m;垂直高度分为三段，均为25m 出口边界类型 压力出口 ④小“U”通风系统胶带顺槽和回风顺槽长度 15(回风顺槽)， 表压力Pa -52.4(瓦斯排放巷) 均取18m,断面宽度和高度取4.8和3.6m;工作面

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 工作面采用两进、两回双“U”型通风系统，工作 面总风量为 5 592 m3 ·min － 1 ，其中回风顺槽回 风 1 420 m3 ·min － 1 ，瓦排巷回风 4 172 m3 ·min － 1 ． N1203 综采工作面采取了采前预抽、边采边抽、采空区抽采 等综合抽采方式，抽采后 N1203 综采工作面煤层瓦 斯解 析 量 为 6. 72 m3 ·t － 1 ，绝对瓦斯涌出量为 44. 2 m3 ·min － 1 ． 事故发生后，灭火救援专家对余吾煤业 N1203 综采工作面发火原因进行分析，制定了综采工作面 的综合灭火方案，详细论证了火区封闭与惰化，从地 表施工钻孔压注 CO2 和 N2，注凝胶封堵采空区方案 的可行性，并予以现场实施． 在 N1203 综采工作面综合灭火方案现场实施 过程中，1# 钻孔率先施工到位并开始压注 CO2 和 N2，持续 25 d 后停注，累计压注 CO2 204. 94 t，注液 态 N2 19. 56 t; 5# 钻孔于 1# 钻孔开注 6 d 后开始压注 CO2 和 N2，持续 38 d 后停注，累计注 CO2 331. 36 t， 注液态 N2 235. 41 t． 至此，根据对 2# 钻孔进行取样 分析，采空区各项指标已符合火区启封要求，按照规 定启封火区，最终成功灭火． 2. 2 几何模型的建立 根据 N1203 综采工作面的实际情况，建立采空 区气流渗透及扩散几何模型． 由于综采工作面上有 采煤机、支架、溜子等各种设备，双“U”型通风系统 所属巷道断面也不标准，且无法对采空区进行实测， 因此无法做出准确的几何模型，根据现场的实际情 况和模拟的实际需要，本文对综采工作面及采空区 数值计算区域进行了以下简化: ① 工作面、胶带顺槽、回风顺槽、进风顺槽、瓦 斯排放巷、辅助切眼、横贯巷、辅助运输巷、采空区等 所有区域均视为长方体，不考虑工作面及各类巷道 设备布置情况． ② 根据“横三区”、“竖三带”的划分原则，将采 空区划分为冒落带 1、冒落带 2、冒落带 3、裂隙带 1、 裂隙带 2 共计五个部分，以区别不同的孔隙率． 其 中冒落带 1、2 和 3 分别代表煤壁支撑影响区、岩层 离层区及重新压实区． 裂隙带由于孔隙率随高度变 化较大，将其划分为裂隙带 1 和裂隙带 2． 弯曲下沉 带由于孔隙率极小不予考虑． ③ 采空区走向长度取 500 m，倾斜长度取 300 m ( 包括小“U”通风系统胶带顺槽及回风顺槽宽度) ， 垂直高度取 75 m． 其中走向长度分为三段，分别为 25、125 和 350 m; 垂直高度分为三段，均为 25 m． ④ 小“U”通风系统胶带顺槽和回风顺槽长度 均取 18 m，断面宽度和高度取 4. 8 和 3. 6 m; 工作面 长度取 300 m，宽度取 6 m，高度取 3. 6 m． ⑤ 大“U”通风系统所属巷道断面宽度和高度 均分别取取 3. 8 和 3. 2 m． 其中，进风顺槽和瓦斯排 放巷长度均取 550 m，横贯长度均取 30 m，辅助切眼 长度取 376 m，辅助运输巷长度取 55 m． ⑥ 注惰使用钻孔直径均取 244. 5 mm． 其中， 1# 、2# 钻孔分别位于距回风顺槽出口、胶带顺槽入口 9 m 处巷道中心，5# 钻孔位于工作面距胶带顺槽 80 m 处中心位置． 基于上述简化及假设，采用 GAMBIT 2. 0 建立 采空区三维几何模型，并对其进行网格划分，如图 1 所示． 图 1 采空区三维几何模型图 Fig． 1 3D geometric model of the goaf 2. 3 参数设定及求解 根据 N1203 综采工作面的具体情况及相关实 测数据，结合数学模型和 FLUENT 的数值模拟方法， 并对区域网格进行自适应等调试，最终求解出采空 区封闭及惰化过程中各组分的体积分数分布及扩散 规律． 数值模拟参数设定如表 1 所示［8--15］． 表 1 计算模型参数设定表 Table 1 Definition of model parameters 边界条件 参数设定 求解器 分离求解器 湍流模型 k-ε 双方程模型 组分输运模型 瓦斯--空气 能量 打开 时间 非稳态 入口边界类型 速度入口 入口速度/( m·s － 1 ) 3. 18( 胶带顺槽) ， 2. 47( 进风顺槽) ， 0. 69( 辅助运输巷) ， 1. 18( 1# 钻孔) ， 2. 32( 5# 钻孔) 出口边界类型 压力出口 表压力/Pa 15( 回风顺槽) ， － 52. 4( 瓦斯排放巷) ·724·

第6期 蒋仲安等：综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 ·725· 续表1 风速m多与 采空区 参数 数值 孔隙率 0.342 冒落带1 黏性阻力系数/(103m2) 1.0 源项/(10-9kgm3·s) 4.2 孔隙率 0.296 冒落带2 黏性阻力系数/(103m2) 2.5 源项/(10-8kgm3) 1.96 图2采空区内风流速度场 孔隙率 0.242 Fig.2 Airflow velocity field in the goaf 目落带3 黏性阻力系数/(103m2) 4.0 源项/(10-8kgm3) 地分布，在采空区距底板30m范围内，风流渗透速 5.1 度基本能保持在0.003m·s以上：回风一侧横贯巷 孔隙率 0.025 道布置密度较大，速度流场较为稳定.（(2)在垂直 裂隙带1 黏性阻力系数/(103m2) 1.0 源项/(10-8kgm.s) 方向上，风速由下至上逐步降低，这是由于进回风巷 4.9 均布置在采空区底部所致；沿走向方向，风速随着距 孔隙率 0.0025 离工作面距离的增加而逐步降低.(3)在靠近工作 裂隙带2 黏性阻力系数/(105m2) 1.0 源项/(10-8kgms) 面或采空区壁面附近区域，由于壁面摩擦阻力的存 1.2 在，该区域风速较之周围区域略低. 3.2CH,体积分数分布及扩散规律 3数值模拟结果及分析 为了研究采空区CH,的体积分数分布及随时 3.1风流流场分布及分析 间的变化情况，根据各钻孔压注惰气的具体情况，将 为了考察N1203综采工作面两进、两回双“U” 注惰过程分为三个阶段：第一阶段注惰时间为6d, 型通风系统在正常通风时工作面及采空区内部空间 1"钻孔单独注惰：第二阶段注惰时间为19d,1和5 风流流场分布情况，分别在x、y和z方向上各截取 钻孔同时注惰：第三阶段注惰时间为19d,5钻孔单 至少一个平面并相互垂直相交，得出风流流场渲染 独注惰。分别取注惰时间为0（即未封闭注惰之 效果如图2所示 前)、6、25及44d时采空区CH4体积分数分布情况 从图2中可以看出：(1)双“U”型通风系统横 进行对比分析，如图3所示. 贯巷的存在，保证了采空区内部空间风速较为均匀 从图3中可以看出：(1)在未封闭与注惰情况 (a (e) 图3不同注惰时间采空区CH体积分数分布及扩散图.(a)0d:(b)6d:(c)25d:(d)44d Fig.3 Volume fraction distribution and diffusion of CHa in the goaf for different inert gas injection time:(a)0d:(b)6d:(c)25 d:(d)44 d

第 6 期 蒋仲安等: 综采工作面采空区封闭与惰化防灭火技术的数值模拟 续表 1 采空区 参数 数值 孔隙率 0. 342 冒落带 1 黏性阻力系数/( 103 m － 2 ) 1. 0 源项/( 10 － 9 kg·m － 3 ·s) 4. 2 孔隙率 0. 296 冒落带 2 黏性阻力系数/( 103 m － 2 ) 2. 5 源项/( 10 － 8 kg·m － 3 ·s) 1. 96 孔隙率 0. 242 冒落带 3 黏性阻力系数/( 103 m － 2 ) 4. 0 源项/( 10 － 8 kg·m － 3 ·s) 5. 1 孔隙率 0. 025 裂隙带 1 黏性阻力系数/( 104 m － 2 ) 1. 0 源项/( 10 － 8 kg·m － 3 ·s) 4. 9 孔隙率 0. 0025 裂隙带 2 黏性阻力系数/( 105 m － 2 ) 1. 0 源项/( 10 － 8 kg·m － 3 ·s) 1. 2 图 3 不同注惰时间采空区 CH4 体积分数分布及扩散图． ( a) 0 d; ( b) 6 d; ( c) 25 d; ( d) 44 d Fig． 3 Volume fraction distribution and diffusion of CH4 in the goaf for different inert gas injection time: ( a) 0 d; ( b) 6 d; ( c) 25 d; ( d) 44 d 3 数值模拟结果及分析 3. 1 风流流场分布及分析 为了考察 N1203 综采工作面两进、两回双“U” 型通风系统在正常通风时工作面及采空区内部空间 风流流场分布情况，分别在 x、y 和 z 方向上各截取 至少一个平面并相互垂直相交，得出风流流场渲染 效果如图 2 所示． 从图 2 中可以看出: ( 1) 双“U”型通风系统横 贯巷的存在，保证了采空区内部空间风速较为均匀 图 2 采空区内风流速度场 Fig． 2 Airflow velocity field in the goaf 地分布，在采空区距底板 30 m 范围内，风流渗透速 度基本能保持在 0. 003 m·s － 1 以上; 回风一侧横贯巷 道布置密度较大，速度流场较为稳定． ( 2) 在垂直 方向上，风速由下至上逐步降低，这是由于进回风巷 均布置在采空区底部所致; 沿走向方向，风速随着距 离工作面距离的增加而逐步降低． ( 3) 在靠近工作 面或采空区壁面附近区域，由于壁面摩擦阻力的存 在，该区域风速较之周围区域略低． 3. 2 CH4 体积分数分布及扩散规律 为了研究采空区 CH4 的体积分数分布及随时 间的变化情况，根据各钻孔压注惰气的具体情况，将 注惰过程分为三个阶段: 第一阶段注惰时间为 6 d， 1# 钻孔单独注惰; 第二阶段注惰时间为 19 d，1# 和 5# 钻孔同时注惰; 第三阶段注惰时间为 19 d，5# 钻孔单 独注惰． 分别取注惰时间为 0 ( 即未封闭注惰之 前) 、6、25 及 44 d 时采空区 CH4 体积分数分布情况 进行对比分析，如图 3 所示． 从图 3 中可以看出: ( 1) 在未封闭与注惰情况 ·725·

·726 北京科技大学学报 第36卷 下，沿走向方向，采空区CH4体积分数随深度的增 分数随高度的增加而增大的规律越发明显.(3)未 加而逐渐增大，达到一定深度后CH,体积分数趋于 封闭采空区时，采空区CH,体积分数基本保持在 稳定；沿倾斜方向，CH,体积分数在胶带顺槽一侧体 1.94%~2.42%:注惰6d、25d及44d时，采空区 积分数较低，距离回风顺槽越近体积分数越大；沿竖 CH体积分数范围分别保持在0.48%~2.27%、 直方向，CH,体积分数随高度的增加逐步增大，冒落 0.41%~2.83%及0.49%~3.3%.整体来看，随着 带的CH,体积分数增速较快，裂隙带的CH体积分 采空区封闭与惰化进程的深入，CH,体积分数呈现 数增速趋于平缓.(2)封闭采空区后，随着C02和 一个随时间递增的趋势，但增速缓慢 N2的注入，CH,还在源源不断的涌出，但涌出量较 3.302体积分数分布及扩散规律 正常生产时要小得多.随着注惰时间的增加，CH 参照CH,体积分数分布及扩散规律的截图原 体积分数也在逐步增加，且沿走向方向及倾斜方向 则，得出注惰时间为0、6、25及44d时采空区0，体 上体积分数分布趋于均匀，沿竖直方向上，CH,体积 积分数分布情况及扩散规律如图4所示 (c) d 图4不同注惰时间采空区02体积分数分布及扩散图.(a)0d:(b)6d:(c)25d:(d)44d Fig.4 Volume fraction distribution and diffusion of 2 in the goaf for different inert gas injection time:(a)0 d:(b)6 d:(c)25 d:(d)44 d 从图4中可以看出：(1)在未封闭采空区及压 3.4C02体积分数分布及扩散规律 注惰气之前，02体积分数沿走向随距工作面距离的 参照CH,和O2组分的截图原则，得出注惰时 增加逐步降低，在工作面附近区域内O2体积分数基 间为0、6、25及44d时采空区C02体积分数分布情 本保持在19%左右；在采空区深部，由于其破碎岩 况及扩散规律如图5所示. 石孔隙率较低，所以02体积分数较低.(2)随着 从图5中可以看出：在正常通风情况下，采空区 CO2和N2从地表源源不断的注入，惰气自注入点进 内C02体积分数随距工作面距离的增加而逐步降 入采空区，且逐步向采空区深部渗透和扩散，不断压 低，在工作面附近区域基本保持在0.66%左右；随 缩采空区内02的体积，导致02体积分数的下降. 着CO2和N2不断地注入采空区，CO2体积分数随 采空区内O,体积分数随着注入时间的增加逐步降 着注入时间的增加逐步升高，且靠近注惰钻孔附近 低，且在注入点附近区域，O,体积分数稍低，这是由 区域增加速率较快，CO,体积分数在该区域较之采 于注入惰气在该区域聚集所致.(3)当惰气注入时 空区深部要高；当惰气注入时间为0、6、25及44d 间为0、6、25及44d时，采空区内02体积分数分别 时，采空区内C02体积分数分别保持在0.66%、 保持在19%、16.4%、6.7%及3.46%左右.从数据 9.42%、18.8%及22.5%左右. 中可以看出，在注惰第二阶段，02体积分数下降速 3.5N2体积分数分布及扩散规律 率最快，这是由于该阶段为1#和5#两个钻孔同时作 参照CH、O2和CO2组分的截图原则，得出注 业所致. 惰时间为0、6、25及44d时采空区N2体积分数分布

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 下，沿走向方向，采空区 CH4 体积分数随深度的增 加而逐渐增大，达到一定深度后 CH4 体积分数趋于 稳定; 沿倾斜方向，CH4 体积分数在胶带顺槽一侧体 积分数较低，距离回风顺槽越近体积分数越大; 沿竖 直方向，CH4 体积分数随高度的增加逐步增大，冒落 带的 CH4 体积分数增速较快，裂隙带的 CH4 体积分 数增速趋于平缓． ( 2) 封闭采空区后，随着 CO2 和 N2 的注入，CH4 还在源源不断的涌出，但涌出量较 正常生产时要小得多． 随着注惰时间的增加，CH4 体积分数也在逐步增加，且沿走向方向及倾斜方向 上体积分数分布趋于均匀，沿竖直方向上，CH4 体积 分数随高度的增加而增大的规律越发明显． ( 3) 未 封闭采空区时，采空区 CH4 体积分数基本保持在 1. 94% ～ 2. 42% ; 注惰 6 d、25 d 及 44 d 时，采空区 CH4 体积分数范围分别保持在 0. 48% ～ 2. 27% 、 0. 41% ～ 2. 83% 及 0. 49% ～ 3. 3% ． 整体来看，随着 采空区封闭与惰化进程的深入，CH4 体积分数呈现 一个随时间递增的趋势，但增速缓慢． 3. 3 O2 体积分数分布及扩散规律 参照 CH4 体积分数分布及扩散规律的截图原 则，得出注惰时间为 0、6、25 及 44 d 时采空区 O2 体 积分数分布情况及扩散规律如图 4 所示． 图 4 不同注惰时间采空区 O2 体积分数分布及扩散图． ( a) 0 d; ( b) 6 d; ( c) 25 d; ( d) 44 d Fig． 4 Volume fraction distribution and diffusion of O2 in the goaf for different inert gas injection time: ( a) 0 d; ( b) 6 d; ( c) 25 d; ( d) 44 d 从图 4 中可以看出: ( 1) 在未封闭采空区及压 注惰气之前，O2 体积分数沿走向随距工作面距离的 增加逐步降低，在工作面附近区域内 O2 体积分数基 本保持在 19% 左右; 在采空区深部，由于其破碎岩 石孔隙率较低，所以 O2 体积分数较低． ( 2) 随着 CO2 和 N2 从地表源源不断的注入，惰气自注入点进 入采空区，且逐步向采空区深部渗透和扩散，不断压 缩采空区内 O2 的体积，导致 O2 体积分数的下降． 采空区内 O2 体积分数随着注入时间的增加逐步降 低，且在注入点附近区域，O2 体积分数稍低，这是由 于注入惰气在该区域聚集所致． ( 3) 当惰气注入时 间为 0、6、25 及 44 d 时，采空区内 O2 体积分数分别 保持在 19% 、16. 4% 、6. 7% 及 3. 46% 左右． 从数据 中可以看出，在注惰第二阶段，O2 体积分数下降速 率最快，这是由于该阶段为 1#和 5#两个钻孔同时作 业所致． 3. 4 CO2 体积分数分布及扩散规律 参照 CH4 和 O2 组分的截图原则，得出注惰时 间为 0、6、25 及 44 d 时采空区 CO2 体积分数分布情 况及扩散规律如图 5 所示． 从图 5 中可以看出: 在正常通风情况下，采空区 内 CO2 体积分数随距工作面距离的增加而逐步降 低，在工作面附近区域基本保持在 0. 66% 左右; 随 着 CO2 和 N2 不断地注入采空区，CO2 体积分数随 着注入时间的增加逐步升高，且靠近注惰钻孔附近 区域增加速率较快，CO2 体积分数在该区域较之采 空区深部要高; 当惰气注入时间为 0、6、25 及 44 d 时，采空区内 CO2 体积分数分别保持在 0. 66% 、 9. 42% 、18. 8% 及 22. 5% 左右． 3. 5 N2 体积分数分布及扩散规律 参照 CH4、O2 和 CO2 组分的截图原则，得出注 惰时间为 0、6、25 及 44 d 时采空区 N2 体积分数分布 ·726·