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基于CFD建模的采空区孔隙率三维模型下浆液渗流规律与现场试验研究
Research on Slurry Seepage Law and In-Situ Test Based on the 3-D of Goaf Porosity in CFD Modelling
1. 主要摘要
本文基于数值模拟和现场试验，研究了采空区的浆液渗流规律，以评估高温区域的灭火效果。通过构建适用于火区治理的三维孔隙率分布模型，研究了浆液水泥比、流速、钻孔间距等因素对渗流扩散的影响。模拟结果表明，在地面注浆中，推荐水泥比为4:1，流速为300 m³/h，钻孔间距为40米。在井下注浆中，最佳水泥比为5:1，流速为85 m³/h，钻孔间距为48米。实际应用中，注浆有效抑制了自燃火区的高温区域，监测数据显示采空区的CO浓度下降至0 ppm，乙炔消失，乙烯浓度低于36 ppm，氧气含量稳定在8%以下，温度控制在16℃左右，验证了注浆方案的有效性。
2. 引言
煤矿采空区的自燃火灾是煤矿安全的主要隐患之一。采空区内煤体氧化燃烧引起高温和气体泄漏，威胁矿井安全。注浆灭火技术利用浆液的密封、隔氧、降温作用，广泛用于采空区火灾防控，但需优化孔隙率模型和浆液扩散规律，以提升注浆效率和灭火效果。本文结合三维孔隙率分布模型，通过数值模拟探讨了采空区内不同注浆参数的渗流扩散规律。
3. 主要内容
1. 三维孔隙率分布模型的构建
本研究依据“关键层理论”构建了采空区的三维孔隙率分布模型，目的是精确模拟采空区内裂隙结构和孔隙形态的分布情况。采空区孔隙率模型涵盖了两种主要结构：靠近煤层的“裂隙穹顶”和因矿层开采造成塌陷形成的“坠落带”。在孔隙率的分布中，自底部向顶部逐渐减小，模拟了真实的矿压作用下形成的多孔结构。这种分布模型有助于准确预测浆液在采空区内的扩散路径和覆盖范围。
通过Carman-Kozeny公式计算渗透率，该公式考虑了孔隙率和颗粒形态对流体流动阻力的影响。在模型中使用的参数包含煤层岩层特性、孔隙率分布及其与渗透率的关系。针对火区治理的特殊环境，研究对这些参数进行了适当调整，以确保模型能够反映采空区内的实际情况。
2. 注浆物理与数学模型的构建
物理模型主要基于火区12,315工作面的现场数据构建，包括采空区的三维几何结构，注浆通道、钻孔布置和浆液扩散路径。该物理模型涵盖了地面注浆和井下注浆的两种主要方法。地面注浆是通过地面钻孔将浆液输送至火区，而井下注浆则是通过矿井内部管道注浆的方式，将浆液直接覆盖在煤体表面，以形成隔离层并有效阻止氧气的进入。
在数学模型方面，研究将浆液视为具有稳定流动特性的牛顿流体，忽略了其密度和能量随温度变化带来的影响，以简化模型。模型采用达西定律和Brinkman模型描述浆液在孔隙介质中的流动过程，能够更精准地模拟浆液在不同孔隙率分布下的流动路径。边界条件设置为流速和压力固定，能够模拟不同注浆条件下的压力梯度变化。
使用有限元方法对模型进行数值求解，以CFD软件为基础进行流场模拟。流速、密度、孔隙率等参数根据采空区内的实际测量数据进行调整，并通过计算浆液在采空区内的流动情况，分析最佳注浆方式及不同条件下的渗流扩散效果。
3. 渗流模拟结果分析
模拟显示，在地面注浆条件下，浆液的扩散效果受水泥比和注入流速的显著影响。研究表明，水泥比为4:1、流速为300 m³/h时浆液的扩散性最佳，能够在较短时间内实现火区的全面覆盖。同时，钻孔间距设置为40米时可以确保浆液覆盖采空区的大部分区域，而不至于出现渗流盲区或覆盖不足的情况。
在井下注浆条件下，水泥比和流速的变化对浆液的覆盖效果有较大影响。模拟结果显示，当水泥比为5:1、流速设定为85 m³/h、钻孔间距为48米时，浆液可以在井下火区内均匀分布，避免因注浆过多或过少导致的局部高压或渗流不足现象。该参数组合在井下注浆中表现出良好的扩散效果，能够在采空区内部形成均匀的隔离层。
4. 实际应用与煤自燃特征气体分析
在最佳注浆参数下的实际应用表明，注浆效果显著抑制了火区的高温区域扩展。在注浆前后分别测量了CO、乙炔、乙烯等火灾特征气体浓度，并分析了这些气体的变化。结果表明，注浆后火区CO浓度从最高36,785 ppm显著下降至0 ppm，乙炔完全消失，乙烯浓度降至35 ppm，表明火区氧化反应显著减弱，注浆在防止火灾扩展方面取得了积极效果。
注浆不仅有效降低了火区温度，还显著控制了氧气含量。注浆后测量的氧气浓度均保持在8%以下，同时高温区域的温度下降到16℃左右，显示出注浆对氧气隔离和温度控制的综合效果。这些数据进一步验证了注浆在抑制采空区火区自燃过程中的可靠性。
5. 注浆方案优化与灭火效果评估
结合数值模拟和现场测量结果，本研究进一步优化了注浆参数。地面注浆最佳方案为水泥比4:1、流速300 m³/h、钻孔间距40米；井下注浆最佳方案为水泥比5:1、流速85 m³/h、钻孔间距48米。这些优化方案有效覆盖了火区孔隙，减少了渗流盲区并增强了灭火效果。
最终通过监测火区温度、氧气浓度及特征气体浓度，对灭火效果进行评估。研究发现，最佳注浆方案不仅有效控制了火区扩展，还降低了关键气体浓度，确保了采空区的安全性和长期稳定性。
4. 主要结论
1. 矿压对采空区裂隙的分布与孔隙率分布有显著影响。研究表明，随着煤层开采，裂隙密集区域逐渐形成稳定的孔隙分布，提供了渗流扩散的通道，有利于火灾防控。
2. 数值模拟优化了地面和井下注浆参数。最佳地面注浆参数为水泥比4:1、流速300 m³/h、钻孔间距40米；最佳井下注浆参数为水泥比5:1、流速85 m³/h、钻孔间距48米。两者的扩散效果均表现出良好的覆盖范围和抑制效果。
3. 注浆法显著降低了火灾标志性气体浓度和温度。最佳参数下注浆效果显著，CO、乙炔等有害气体浓度降低，氧气浓度控制有效，高温区温度下降，有助于稳定采空区的防火条件。
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Energy》—采用离散元方法（DEM）研究不同水合物习性下含水合物沉积物的力学行为
一区TOP期刊《Energy》—DEM-CFD模拟天然气水合物（NGH）储层的渗透率各向异性及其在不同有效应力下的演变机制
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—中央分级旋流燃烧器中一氧化碳（CO）形成特性的数值研究
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
