0 引言

我国煤矿通常以综采、综放等开采方式为主，开采强度大、推进速度快，煤矿开采结束后会形成大量的采空区，实行采空区密闭是预防灾害的有效方法。然而由于煤柱、围岩、相邻层及遗煤中的瓦斯均向采空区持续涌出，造成有毒有害气体集聚，影响安全生产。目前常采用瓦斯抽放的方式降低有害气体浓度，但抽放负压使得氧气通过围岩、密闭裂隙进入到采空区，加大了煤自燃的危险，甚至产生明火引发瓦斯爆炸等严重次生灾害，因此有必要采用惰性气体置换的方法对采空区的瓦斯及火灾耦合灾害进行综合治理，其原理是将惰性气体替代新鲜空气补充进入采空区，保持采空区内的压强及惰化状态。

目前对于未封闭的开采工作面采空区气体置换规律已有大量研究[1-5]，孙希奎等[6]通过现场采空区气体成分监测等手段考察了置换过程中的关键参数；蒋仲安等[7]研究了双“U”型通风系统工作面O2、CO2、N2及CH4等体积分数变化规律；年军[8]通过数值模拟研究了置换不同阶段N2对流与扩散规律，并结合现场工程案例，考察了注氮驱替瓦斯的有效性及稳定性；张春华等[9-10]提出了基于注氮气室正压密封方法的采空区灭火技术；彭斌等[11]对低瓦斯矿井封闭采空区“呼吸”现象特征及防控技术进行了研究；焦宇等[12]研究了火区密闭过程自燃诱发瓦斯爆炸的规律。

以上学者大多从实践角度对此问题进行研究，总结了宝贵的经验，但是在密闭采空区不同置换方案的对比研究却很少，借助数值模拟的方法进行流体计算，进而优化密闭空间N2置换性能的方式[13-18]目前已经得到了广泛的应用。密闭采空区的惰化是关乎煤矿开采安全的关键技术，一个优良的惰化方案，可以在最少的时间内应用合理的惰性气体量达到惰化标准，既节省注惰时间又节约惰性气体成本[19]。由此，笔者基于智能矿山综合管控平台数字孪生技术对密闭采空区惰化置换应用情况进行仿真实践，以期为类似条件煤层提供理论和实践依据。

1 不同密闭采空区置换方案

综合已有研究成果可知，针对一个己经停采的密闭采空区，综合现场实际情况及耗费的时间和注入惰气的成本，有4种惰化方案。

(1)自由混合置换法。进气口和出气口同时开启，充入惰性气体后与密闭采空区内部存留的气体自由混合，从出气口自由排放到回风巷道中。

(2)正压置换法。初始保持出气口关闭状态，进气口注入惰气气体后使气压保持一段时间的稳压状态，使得惰性气体充分混合后开启出气口，将混合气体自由排放到回风巷直到密闭采空区内的气压降至自由状态。上述流程不断循环，直至氧含量达到置换标准。

(3)负压置换法。进气口保持关闭状态，出气口使用抽气装备将密闭采空区内的气压降低到一定的稳定值，保持此气压一段时间后开启进气口，注入惰性气体直至初始气压。上述流程不断循环，直至氧含量达到置换标准。

(4)正压-负压置换法。结合正压和负压置换方法，先充入惰性气体使密闭采空区达到正压状态，并维持一段时间，然后用抽气装备将采空区内的气压迅速下降并维持一段时间。重复上述流程，直到氧含量达到置换标准。

不同的置换方法适用于不同的现场条件，在现场置换过程中置换方法的选择需要考虑现场情况、惰化所耗费的时间及惰性气体本身的成本等因素，因此需要根据不同的现场需求选择不同的置换方案。数值模拟的方法能降低试错成本，通过最低成本、最大效率、最直观展现的方法对各种不同的方案效果进行比较，找到最符合现场要求的置换方案，从而指导现场实践。

2 数值模型建立

2.1 几何模型建立及网格划分

以某密闭采空区为研究对象，排除不影响流场的非主要因素干扰，对密闭采空区的几何模型简化处理，建立数值计算模型如图1所示。由于该工作面已经开采完成，采空区进、回风巷道均已经封闭，进风侧距离工作面40 m处设置注氮口，回风侧对应位置设置排气口。采用结构化网格划分方法，网格类型设置为四面体，数量为312万。

2.2 模型求解及边界条件

数值模型中进风巷和回风巷均已密闭，边界条件设置为壁面(Wall)，采空区、注氮口和排气口接触面设置为内部面(Internal)，设置入口和出口边界包括速度入口(Velocity-inlet)、压力出口(Pressure-outlet)、排气口(Ouelet-vent)，其余均定义为壁面(Wall)，采空区设置为多孔介质区域，其中煤体的密度设置为1 330 kg/m3、比热1 530 J/(kg·K)、导热系数0.12 W/(m·K)。密闭采空区内温度为300 K，模型解算设置中，开启能量方程、组分运输模型，组分设置为O2、N2、CO及CH4的混合物。数值模型中，由于需要循环充气、抽气，密闭采区内部存留的气体及充入的惰性气体的密度处于动态变化过程，因而将流体设置为可压缩，且采用基于密度的求解方式，不同方案的注氮口和排气口边界条件见表1。

3 数值仿真结果

3.1 自由混合置换法仿真结果

自由混合置换法仿真结果如图2所示。图2(a)所示为某时刻自由混合置换法仿真结果，自由混合置换法为入口注惰及出口自由释放同步进行，可以看出密闭采空区内部存在明显的入口气压最大、出口气压最小的现象，其中入口处最大气压达到9.5 Pa，出口处最小气压为8.6 Pa，采空区内部气压相对均衡，集中在此区间内。

由图2(b)可知，采空区O2体积分数整体降低到0.85%以下，其中从靠近进气口一侧向采空区深部及出气口一侧逐渐降低，在密闭采空区深部角落O2体积分数最低达到0.4%，密闭采空区内部存留的O2已被完全置换。

3.2 正压置换法仿真结果

正压置换法最后一个循环的仿真结果如图3所示。由图3(a)可知，加压(注惰)状态下，进气口气压达到55.6 Pa，采空区内部气压分布不均衡，从进气口向深部逐渐变小，采空区深部(x=300，y=0)处气压最小达到49.3 Pa；由图3(b)可知，从工作面区域向采空区深部，O2体积分数呈现阶梯性降低的趋势，靠近进气口处体积分数最大达到18.12%，靠近开切眼处体积分数达到10.34%，这是由于出气口处于封闭状态，充入的N2(惰性气体)使得密闭采空区内存留的O2体积分数降低。

上述过程完成后，关闭进气口，经过一段时间的保压状态，使得充入的N2与采空区内的O2充分混合后，开启出气口，密闭采空区内的气体自由释放。由图3(c)可知，整个采空区内的气压与加压模式下略有下降，出口处的气压接近50.8 Pa；由图3(d)可知，开启出气口后，采空区内的O2迅速释放，最高体积分数仅为0.000 095%，在采空区角落处(x=300，y=200)体积分数达到0.000 035%，达到置换标准。

3.3 负压置换法仿真结果

负压抽气置换法最后一个循环的仿真结果如图4所示。由图4(a)可知，在抽气模式下，由于进气口处于关闭状态，出气口处的气压最低，达到-1.5 Pa，随着出气口向采空区深部延伸，气压逐渐增大，在开切眼处达到5 Pa；由图4(b)可知，在抽气状态下采空区内的O2分布较均衡，体积分数均在1%以下。

上述过程完成后，关闭出气口，经过一段时间的保压状态，开启进气口开始加压(注惰)。由图4(c)可知，该状态下的规律与图3(a)类似，不同的是该状态下采空区内的气压明显低，最高气压为41.5 Pa，氧气分布情况与图3(b)类似，最高体积分数为0.008 7%。

3.4 正压-负压置换法仿真结果

正压-负压置换法最后一个循环的仿真结果如图5所示。由图5(a)和(b)可知，加压模式下的结果与负压置换法的加压模式规律类似，不同的是气压更高达到65.75 Pa，O2体积分数同样为0.008 7%。由图5(c)可知，该模式与负压置换法的抽气模式规律类似，不同的是最低负压为-2.5 Pa。由图5(d)可知，此状态下O2最大体积分数为0.000 012 8%。

3.5 不同置换方案的比较

通过对自由混合置换方案、正压置换方案、负压置换方案及正压-负压置换方案惰化密闭采空区的全过程模拟，对比各方案整个过程密闭采空区中的O2体积分数变化情况，并采用累计方法计算通过进气口的N2气体流量，得出4种方案的对比结果，如图6所示。

密闭采空区置换需要考虑的指标包含但不限于整个注氮过程耗费的总时长、消耗氮量、抽风通风机所需要的电量、注氮所需要的电量，其中通风机默认为固定频率，其产生的电量与已知的通风机运转时间呈正比，同样默认注氮过程耗电量稳定，所以注氮所需要的电量与已知的累计注氮时长呈正比，最终以耗费总时长、消耗氮量、通风机运转时间、累计注氮时长4个指标评价置换效果。不同方案置换效果对比见表2。

以密闭采空区内O2最大体积分数低于2%为置换完成标准，通过对比4种置换方案的置换效果，采用正压置换法O2体积分数出现明显的阶段性变化规律，所耗费的时长最长达15.2 d，消耗N2量为2.606×105 m3，正压置换方式无需开启抽风通风机，累计注氮时长为12.6 d；自由混合置换方式累计注氮时长为12.3 d，但是与正压置换方式相比，消耗氮气量要多3.21×104 m3，现场实践条件若遇到地表或井下裂隙等漏风严重的情况只适合用正压置换或自由混合方式时，只需要考虑消耗的N2量的费用及消耗的总时长2个因素；负压置换法所耗费的总时长、消耗氮量及累计注氮时间均最小，不过抽风通风机运转时间最长，即相应耗电量最大，若现场条件允许建议优先选取负压置换方式，正压-负压结合的置换方式各项指标均在正压和负压置换效果之间。

假设决策至事件发生时所需的时间为t0，注N2耗费总时间为t总，累计注氮时长t注氮，累计保压时长为t保压，t总=t注氮+t保压，注氮的总成本为y(万元)，则：

(1)

式中：x1——注氮延误每天产生的经济损失，万元/d；

x2——N2的价格，万元/m3；

x3——抽风通风机每天工作产生的费用，万元/d；

x4——注氮装置每天运转需要的费用，万元/d。

结合煤矿现场情况及各种置换方案的特点，应用上述公式估算注氮的总成本，从而选择适合煤矿实际情况的方案。

4 结论

(1)常规地质赋存条件下，可采用公式初步估算注氮所需要的成本后做出选择，其中负压置换法所耗耗费总时长、消耗氮量、累计注氮时长等指标均最小，现场实践过程中优先选用此方案；在井下漏风、地表漏风等情况下不适合采用负压置换法、只适合用正压置换或自由混合方式时，仅需要考虑消耗的氮气量的费用及消耗的总时长2个因素，当氮气资源成本低且时间相对充足时可选用自由混合置换法，当时间要求紧时选用正压置换法。

(2)数值模拟能低成本、高效率、直观地应用于密闭采空区置换效果对比，模拟数据是限定条件下的结果所得，能描述出各方案的趋势，现场应用过程中需要根据具体条件专项研究，且对置换指标进行优化，以量身制订更符合现场实际情况的置换方案。

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Simulation of the effects of different inert gas replacement schemes in sealed goaf

XING Zhen1,2,3, MA Li4, HAN An1,3, WANG Weifeng4, WANG Lu1,3

(1. CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou, Jiangsu 213015, China;2. State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strata Control, Changzhou, Jiangsu 213015, China;3.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213015, China;4.Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710000, China)

Abstract In response to the coal spontaneous combustion caused by external O2 entering the goaf through cracks under negative pressure during the gas extraction process in sealed goaf, a common solution is to inject inert gas to replace the extracted gas, it can balance the air pressure and prevent external air from entering the goaf, achieving the goal of preventing coal spontaneous combustion. The numerical simulation method was used to study the changes in the flow field of relevant physical parameters during the gas displacement process, and four schemes were proposed: free mixing displacement method, positive pressure displacement method, negative pressure displacement method, and positive-negative pressure displacement method. Using the maximum volume fraction of O2 less than 2% as the replacement standard, the replacement cost evaluation indicators of the four schemes were compared, including total consumption time, nitrogen consumption, ventilation fan operation time, and cumulative nitrogen injection time. Decision-making methods that can be used for gas replacement plan were identified, and suitable plans for sealed goaf under different geological conditions were provided.

Keywords sealed goaf; inerting replacement; spontaneous combustion of coal; air pressure; numerical simulation

中图分类号 TD752.2

文献标志码 A

引用格式：邢震，马砺，韩安，等.密闭采空区不同惰化置换方案效果仿真[J].中国煤炭，2024，50(3)∶61-68. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.008 XING Zhen，MA Li，HAN An，et al. Simulation of the effects of different inert gas replacement schemes in sealed goaf[J].China Coal，2024，50(3)∶61-68.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.008

基金项目：陕西省重点研发计划(2021SF-472，2022QCY-LL-70)；陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设(2023KXJ-052)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2023-TD-ZD005-004)

作者简介：邢震(1987-)，男，山东临沂人，硕士，副研究员，主要研究方向为智能矿山综合管控平台、生产协同管控及灾害综合防控。E-mail：694826672@qq.com

(责任编辑 张艳华)