一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法与流程

本发明涉及采矿安全，特别是涉及煤矿巷道遗煤自燃模拟。

背景技术：

现阶段条件下，随着煤矿加大开采深度，大量的高瓦斯矿井出现，瓦斯灾害防治任务也更为严峻。在煤矿原有的瓦斯灾害和采空区自燃灾害的情况下，又出现了采空区遗煤自燃与瓦斯耦合灾害共存和相互影响的新情况，二者的协调防治更是矿井生产中的重点和难点。山西寿阳段王煤矿有两个主采煤层：9#和15#，均被判定为高瓦斯煤层，矿井通风方式为分区抽出式。在2007年以后，该矿逐渐进入深部开采，由于传统U型通风方式下，上隅角瓦斯超限问题经常出现，矿井安全生产受到重大威胁，正常生产量也得不到保障。因此，需要对该矿进行瓦斯抽采。进行瓦斯抽采则必

须考虑到瓦斯抽采对采空区遗煤自燃的影响。应用CFD数值模拟技术，通过改变瓦斯抽采流量的大小，结合实际现场数据分析瓦斯抽采强度对采空区遗煤自燃的影响，并对比实际数据，给出更为直观的影响分析，为满足实际回采工作需求条件下瓦斯抽采最优化以及采区防灭火的提供依据。

技术实现要素：

1.一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，采空区冒落是非均匀分布的，冒落碎胀系数及孔隙度分布按“O型圈”分布模型建立，考虑重力因素；根据煤样封闭耗氧实验获得煤的耗氧速度，以此实现煤的非均匀耗氧源项的设置。

2.根据权利要求1所述一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，工作面通风布置方式为：上顺为轨道巷，下顺为皮带巷，回风巷布置在两者之间、距轨道巷30m处，形成特殊的“偏W型、两进一回”通风方式。

3.根据权利要求1所述一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，考虑到工作面的实际情况，在瓦斯防治方面，主要采取本煤层布置钻孔和高位钻场综合抽采；本煤层布置钻孔是进行采前预抽，高位钻场的钻孔点要在冒落带以上的小裂隙带内。

4.根据权利要求1所述一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，对于工作面回采后冒落带、裂隙带的最大高度，可依靠下面的经验公式计算出，计算冒落带最大高度的经验公式为：

式中，H₁—冒落带最大高度；M—工作面采高。

5.根据权利要求1所述一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，计算裂隙带最大高度的经验公式为：

式中，H₂—裂隙带最大高度；M—工作面采高。

6.根据权利要求1所述一种W型通风采空区遗煤自燃模拟方法，其特征在于，建模时，工作面与采空区之间的两个面，设为交界面(interface)，采空区浮煤区和冒落岩石区之间的面，设置为内部面(interior)；将巷道与工作面相重合的面设置为interface；Gambit默认整个三维模型为流体区域(fluid)，分别将对应区域的体设置为皮带巷，轨道巷，回风巷，工作面，浮煤和岩石。

附图说明

图1 150405工作面巷道及采空区的布置

图2高位钻孔方位示意图

图3采空区考虑倾斜角度模型

图4 150405工作面压力及速度分布(a)压力分布图(b)速度分布图

图5 150405工作面采空区束管监测数据

图6采场瓦斯及氧气浓度分布(a)采场瓦斯浓度分布(b)采场氧气浓度分布

图7采空区气体浓度实测与模拟结果对比图(a)瓦斯浓度实测与模拟结果对比图(b)氧气浓度实测与模拟结果对比图

图8采空区瓦斯浓度分布对比图

图9采空区氧气浓度分布对比图

图10瓦斯抽采对应氧浓度分布关系图

具体实施方式

1段王矿150405工作面整体及瓦斯抽采布置

段王矿相关资料显示，该矿150405工作面采用单一厚煤层一次采全高、后退式采煤，工作面倾角最小2°，最大11°，平均6.5°，其走向长809m，倾向长160m；煤层厚度最小为4.1m，最大为4.35m，平均厚度4.2m，实际可采储量659686t。工作面通风布置方式为：上顺为轨道巷，下顺为皮带巷，回风巷布置在两者之间、距轨道巷30m处，形成特殊的“偏W型、两进一回”通风方式。该工作面巷道布置如图1所示。

对于段王矿150405综采工作面，其皮带巷设计平距为1040m，净断面设计为15.75m²；轨道巷设计平距为1045m，净断面设计为15.75m²；回风巷设计平距为1063m，净断面设计为15.75m²；切眼长160m，净断面设计为25.2m²。下皮带巷作主要进风巷，轨道巷作辅助进风巷，两者的风量配比按2：1。根据实际计算，皮带巷的风量取1968m³/min，轨道巷的风量取984m³/min，这样即可满足150405工作面需求。

段王矿实测资料显示，在150405工作面回采时，瓦斯涌出量预计有36.9m³/min。考虑到工作面的实际情况，在瓦斯防治方面，主要采取本煤层布置钻孔和高位钻场综合抽采。本煤层布置钻孔是进行采前预抽，高位钻场的钻孔点要在冒落带以上的小裂隙带内。已知150405工作面一次采全高，煤层平均厚度4.2m。对于工作面回采后冒落带、裂隙带的最大高度，可依靠下面的经验公式计算出。

计算冒落带最大高度的经验公式为：

式中，H₁—冒落带最大高度；M—工作面采高。则冒落带高度计算得：

计算裂隙带最大高度的经验公式为：

式中，H₂—裂隙带最大高度；M—工作面采高。则裂隙带高度计算得：

根据以上计算可知，顶板裂隙带的范围在10.8～40.7m之间。但是，裂隙带中有一定高度的岩层，因接近冒落带空隙度较大，那么流经此区域瓦斯因所受阻力小而更易涌入采空区，故此带钻孔抽放率低，我们称之为大裂隙区，高度约4m。因此，裂隙带的高效抽采区应减去这4m，最后范围在14.8～40.7m之间，同时结合段王矿地区地质特征，确定最佳终孔位置在煤层顶板以上35～40m之间。如图2所示：

2段王矿150405采场模型建立与参数设置

根据段王煤矿150405工作面采空区的实测数据，建立简化后的三维物理模型，如图3所示。该模型以工作面与采空区底层面交点为原点，水平向右为X轴，水平向上为Y轴，竖直向上为Z轴，建立参考坐标系，模型建立的煤层倾角为6°，回风巷侧高于皮带巷侧，该模型建立的基本参数如表1所示。

表1采空区模型基本参数

建模时，工作面与采空区之间的两个面，设为交界面(interface)，采空区浮煤区和冒落岩石区之间的面，设置为内部面(interior)；将巷道与工作面相重合的面设置为interface；Gambit默认整个三维模型为流体区域(fluid)，分别将对应区域的体设置为皮带巷，轨道巷，回风巷，工作面，浮煤和岩石。

为了体现采空区内各气体组分不同的重力而表现出的不同浮升力，设置重力加速度g竖直向下，大小为9.81m/s²。由于段王煤矿150405工作面采空区存在瓦斯涌出量大和遗煤耗氧的问题，模拟中对这两项作源项处理。

模拟前对边界条件的设置如下：150405工作面皮带巷进口设为速度入口(velocity-inlet)，大小为2.0832m/s，进风量为1894m³/min；轨道巷进口设为速度入口(velocity-inlet)，大小为1.041666m/s，进风量为963m³/min；回风巷出口定义为流量出口(outflow)；为使瓦斯抽采口数据与实际抽采结果相一致，以研究采空区内部气体变化规律，因此将采空区高位瓦斯抽采巷道的抽采口设置为速度入口，速度大小为0.0854m/s，抽采量设置为82m³/min，抽采浓度为25％。

3抽采强度的变化对煤自燃氧化的影响

3.1实际条件下的模拟与实测结果对比

以下是基于段王煤矿150405工作面采空区的实际抽采量，仿真模拟得到的采空区漏风流场压力分布图、风速分布图、O₂浓度分布图和瓦斯浓度分布图，将模拟与实测结果进行对比后发现两者数据基本符合。

由图4(a)采空区流场静压分布图可得，工作面下端至回风巷之间压差约为140Pa，与现场实测工作面实测压差150Pa相接近。由图4(b)风速分布图可知，工作面最低风速约为1.48m/s，从工作面漏入采空区的风量约为224m³/min，漏风率为11.2％，符合10％-15％的采空区一般漏风规律。基于以上分析可知，模拟得出的进回风两端的压差以及工作面的漏风量与实测的结果基本符合。

为了更准确的掌握采空区气体分布状态，在现场沿轨道巷和皮带巷分别进行了束管监测管道与数据监测收集仪器的安装，对采空区内的O₂，CH₄和温度进行监测采集，采集后的实测数据如图5所示。同时，为了确认模拟结果的准确可靠性，参照段王矿现场实际条件(瓦斯抽采强度为82m³/min)，利用Fluent对采空区瓦斯及氧气浓度分布进行模拟，两者模拟结果如图6所示。然后，将瓦斯与氧气的模拟结果与实测的数据进行对比，两者的对比数据如图7所示。

图6(a)中，在上轨道巷侧约30m处，瓦斯浓度约为3％，随着监测点向采空区深部转移，瓦斯浓度会相应的增大，在100m处增大到30％左右；在下皮带巷侧约100m处，瓦斯浓度约为0.3％。用现场实测数据对比模拟结果后，发现两者基本吻合，如图7(a)。图6(b)中采空区内氧气浓度(8％-21％)分布为：轨道巷侧约30m处，O₂浓度约为17％，且随着深入采空区逐渐增大，到100m处O₂浓度约为2.5％；皮带巷侧约100m处，O₂浓度约为17％。模拟结果基本符合现场实测数据，如图7(b)。

3.2瓦斯抽采强度对氧浓度分布的影响

不同瓦斯抽采强度下，采空区瓦斯和O₂浓度分布会发生变化，因此瓦斯抽采必然对采空区遗煤自燃产生影响。为研究其变化规律，对四种不同的抽采强度条件(60m³/min、82m³/min(实际抽采强度)、100m³/min、120m³/min)分别进行模拟和分析。

模拟表明四种抽采强度下的工作面风速和两端风压基本一致：皮带巷与回风巷之间压差约为140Pa；风速平均约为1.47m/s，回采工作面的最小风量约为1764m³/min，采空区漏入风量约为236m³/min，漏风率约为11.8％，符合采空区一般漏风规律为10％-15％。这说明，风速和风压几乎没有因为抽采强度而发生变化，抽采强度对它们的影响可忽略。而不同抽采强度条件下，采空区瓦斯和O₂浓度分布有大的变化，其对比分析如下。

如图8中瓦斯浓度分布对比可知，增大瓦斯抽采强度，回风巷距轨道巷间工作面和回风巷中瓦斯浓度逐渐减小。当瓦斯抽采强度分别为60m³/min、82m³/min、100m³/min、120m³/min时，回风巷距轨道巷间工作面平均瓦斯浓度分别为0.036、0.0036、0.0023、0.002，回风巷平均瓦斯浓度分别为0.02、0.003、0.003、0.002；轨道巷侧采空区内瓦斯范围随着抽采强度增大而减小，皮带巷侧瓦斯范围随之增大。

如图9中采空区氧气浓度分布对比可以看出，随着瓦斯抽采强度由小变大，轨道巷侧采空区内氧气范围随着抽采强大增大而增大，皮带巷侧氧气范围随之减小，氧气浓度分布整体呈现梯形。当瓦斯抽采强度分别为60m³/min、82m³/min、100m³/min、120m³/min时，采空区内轨道巷侧的8％氧浓度分布范围分别达到80m，120m，100m，110m，相对应的自燃氧化带宽度分别为55m、95m、75m、85m；而采空区内皮带巷侧的8％氧浓度分布范围分别达到180m，170m，170m，130m，相对应的氧化带宽度分别达到155m、145m、145m、105m。这里，瓦斯抽采强度与对应的自燃氧化带宽度的关系如图9所示。出现这样的大范围氧浓度带，瓦斯是一方面因素，同时也应该与遗煤较薄、耗氧作用不明显有关。