基于fluen的采空区氧化物分布三维数值模拟

基于fluen的采空区氧化物分布三维数值模拟

采空区火灾是矿山的主要灾害之一。自发火灾的发生将给矿山的安全生产带来重大影响。目前采空区火灾的防治技术主要有:水降温灭火、灌浆防灭火、注氮防灭火技术、三相泡沫灭火技术和胶体灭火技术等,其中注氮防灭火技术是预防采空区自燃的有效的方法之一。其中注氮位置及注氮量等参数的选取,是能否安全高效预防采空区自然发火的重要因素。1采空区渗流及传质扩散的数学模型由于采空区的特点符合多孔介质的界定,就把采空区当作多孔介质对其内的流场进行分析研究,气体在多孔介质内的流动遵循质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律,另外包括不同组分的流动传热传质等。依据这些理论基础,可以得出采空区渗流及传质扩散数学模型:式中:ρ为气体密度,kg/m3;为x、y、z方向的漏风强度,m/s,c为煤体比热,J/(kg·K),cp为气体定压比热,J/(kg·K);(ρc)m=(1-ε)(ρc)s+ε(ρcp)f,其中ε为空隙率,λm为破碎煤体的有效导热系数,W/(m·k);qm为热量的源项,J/(m3·s);Cs为组分s的体积浓度;Ds为该组分的扩散系数,m2/s;Ss为系统内部单位时间单位体积通过化学反应消耗或产生该组分的量,mol/(m3·s)。1.1物理模型建立110204综采工作面走向长2430m,倾斜长180m;平均倾角21°,采高3.8m。以110204工作面为原型建立物理模型尺寸为,进回风巷为10m×3.2m×3m,工作面为180m×6m×3.8m,以进风巷外沿与采空区的交叉处为原点,沿进风巷方向为x正向,沿工作面方向为y正向,垂直方向为z轴正向。从原点起指向x、y、z的正向,采空区模型是一个200m×180m×11m的长方体,其中下部为浮煤厚度为3m,上部为破碎岩体为8m。1.2工作面压采支架的确定依据采空区距工作面的距离把其分为自然堆积区、破碎堆积区、压实区。基于矿压监测的数据测算拟合得到采空区空隙率ε的分布为:自然堆积区ε=0.35,破碎堆积区ε=0.00001x2-0.002x+0.35,压实区ε=0.15。依据Arrhenius定律煤的耗氧速率主要受氧浓度与反应温度的影响,工作面正常推进的情况下采空区温度基本保持不变,依据煤样的自然发火实验所测数据,经拟合得到28℃时耗氧速率Ss与氧浓度Cs的关系为:Ss=0.002868·Cs,mol/(s·cm3)。边界条件:110204工作面的实际风量为620m3/min,依据进风巷断面面积进行折算选取速度为1.08m/s,设置进风巷为速度入口;回风设置为自由出口;综采支架为1m厚的多孔跳跃介质;其余边界为壁面。2现场观测和数值模拟2.1采空区内气体组分的变化通过在工作面风机两巷进行预埋束管,监测采空区内气体组分随距工作面距离而变化的情况,依据氧浓度(8%~18%)判别标准,得到的采空区氧化带的范围见表1。2.2用于模拟空白区域氧浓度场的不同领域未注氮时采空区氧气(体积分数)分布如图1。2.3工作面回风侧氧化带距工作面距离对比模拟与观测结果可以发现,模拟与观测之间的误差在工程实践的允许范围之内,模拟结果可以作为防灭火实践的参考。如图1的110204工作面回风侧氧化带距工作面的距离较近,究其原因可能是:110204工作面矿压显现剧烈采空区顶煤冒落及破碎非常严重,采空区煤岩体破碎程度较大。由于煤体破碎煤氧接触面积增多反应机率增加,加上工作面风量偏少致使煤氧反应时间较长,上述因素都会造成采空区氧浓度降低加快,影响煤自燃“三带”分布。3注氮模拟3.1注氮量对采空区氧化带分布的影响基于采空区氧浓场的模拟结果,选取注氮位置为采空区进风侧35m处(散热带与氧化带交界处),进行100~600m3/h注氮量下的模拟。如图2,随着注氮量的增加,采空区氧化带的位置逐渐向靠近工作面的方向回缩,在注氮量较少时仅注氮口附近区域受影响较为显著,对回风侧氧气分布影响有限。随着注氮量的增加,注氮影响区域在走向与倾向上逐渐扩大,这主要是因为氮气的注入改变了采空区原本的流场状态。注氮量达到300~400m3/h时氧化带的范围已经减少到10m左右,起到了很好的效果。在注氮量为600m3/h时出现了上隅角氧浓度<18%的情况,达到了注氮量的极限,不宜继续增加注氮量。3.2注氮口的变化采空区内最有可能发生自燃的区域主要位于氧化升温带内的后部区域,而从采空区自燃预防的角度来讲注氮的主要目的就是为了减少这部分区域的宽度。其中注氮位置的选择对注氮效果有很大的影响。基于采空区“三带”分布的注氮位置选择有3个:散热带与氧化带的交界处、散热带内、氧化带内。在注氮量为350m3/h的情况下,选取30、40、50m3个位置进行模拟分析。如图3的注氮口的前移对注氮侧的氧化带位置有很大的影响,进风侧的氧化带会随着注氮口的加深向采空区深部移动。另一方面可以看出当注氮口位于30m时,注氮对注氮口附近区域及进风侧的的影响非常的显著,但是对工作面中部氧化带的影响却不及40、50m2个位置的情况,究其原因可能是因为距离工作面较近漏风较大不利于氮气在采空区倾向上的扩散,进而影响了注氮的效果。当注氮口位于氧化带内(40m)时,氮气可以很好的随漏风在采空区走向与倾向上扩散。注氮位置的进一步加深会导致氧化带继续向深部移动不利于火灾的预防,同时会给现场实施及工程材料成本带来一定的不利影响,所以综合考虑各种因素,注氮位置选择在氧化带内的前半部分(约40m)是较为合理的方案。3.3注氮口高度影响在考虑重力场影响的情况下,选取距工作面30m的位置进行注氮,建立三维的采空区模型对注氮高度为0、3m,注氮量为350m3/h的情况进行计算模拟,如图4。由图4(a)得到N2可以很好的扩散到注氮口附近上部区域,而图4(b)中注氮口附近特别是低于注氮口位置的部分区域氧浓度依然保持较高的数值,这为煤自燃的预防留下了一定隐患。沿工作面倾向随着距注氮口距离的增加N2可以很好的在采空区内扩散开来,尤其注氮口位于3m高时注氮可以在采空区较高位置影响到较大范围。综合比较分析注氮口高度的影响,考虑到氧化带最宽区域位于进风侧,并且浮煤主要分布在较低区域。因而实践中在确保注氮口不受采空区积水等因素影响的条件下,应该把注氮管路绑扎在较低的位置,以达到较好的预防效果。4注氮带及注氮口位置分析1)对采空区氧浓度场进行了模拟分析,对模拟结果与观测的结果进行了比对,验证了模拟结果的合理性。2)采空区预防性注氮可以很好的减少进风侧氧化带的范围,使采空区“三带”变成对称分布的形状,但是对回风侧的影响有限,注氮情况下回风侧“三带”观测数据具有较好的参考性。3)通过对比分析不同注氮位置及注氮量下采空区氧化带宽度变化情况,得到110204工作面最适宜的注氮量约为350m3/h,最佳的注氮位置距工作面40m左右。4)注氮口位于3m高时会在低于其位置的局部区域出现氧浓度的较高的情况,为采空区火灾的预防埋下隐患,现场实践中注氮口位置不宜过高。由图1分析可知,依据氧浓度标准8%~18%来划分采空区自燃带,最大