采空区二氧化碳注入防火效能的数值模拟研究

Research on the Hazard Assessment of Fire Wind Pressure Based on Fluent

摘要: 为深入探讨液态二氧化碳注入对煤矿采空区火灾防控的实际效能，本研究借助计算流体动力学技术，构建耦合组分传输与多孔介质流动的三维瞬态数值模型。模拟采用Realizablek-ε湍流模型、压力基求解器及组分输运模型，刻画采空区O₂、N₂、CO₂的混合传输动态；计算域划分上覆岩层与采空区垮落带两大多孔介质区域，参照权威文献设定边界条件(进风口为指定速度与氧浓度的空气流，回风口为压力出口，CO₂注入源为233 K高纯度质量流量源)。通过瞬态求解器捕捉温度场与气体组分场的动态演变，结果显示：CO₂注入可显著驱替稀释采空区氧气，形成明显缺氧区域；通过与程卫民、李宗翔文献数据对比，本模型模拟的氧浓度分布、CO₂扩散范围及降温幅度与文献结论偏差小于5%，验证了模型可靠性。进一步参数化研究表明，释放口埋深40~60 m、进风巷风速0.5 m/s、CO₂压注流量5 kg/s为最佳工况，此时有效惰化区体积达14200 m³，平均氧浓度降至3.2%，降温区域覆盖氧化带核心范围。本研究为定量评估CO₂防火灭火技术效能提供理论支撑，为采空区火灾防控奠定数值基础。

Abstract: To deeply explore the practical efficacy of liquid carbon dioxide (CO₂) injection in fire prevention and control of coal mine goafs, this study constructed a three-dimensional transient numerical model coupling component transport and porous media flow using computational fluid dynamics (CFD) technology. The simulation adopted the Realizable k-ε turbulence model, pressure-based solver, and component transport model to characterize the mixing and transport dynamics of O₂, N₂, and CO₂ in the goaf. The computational domain was divided into two porous media regions: the overlying strata and the goaf caving zone, with boundary conditions set with reference to authoritative literature (the air inlet was an air flow with specified velocity and oxygen concentration, the return air outlet was a pressure outlet, and the CO₂ injection source was a high-purity mass flow source at 233 K). The transient solver was used to capture the dynamic evolution of the temperature field and gas component field. The results showed that CO₂ injection could significantly displace and dilute oxygen in the goaf, forming an obvious oxygen-deficient region. By comparing with the literature data of Cheng Weimin et al. and Li Zongxiang et al., the deviation between the oxygen concentration distribution, CO₂ diffusion range, and temperature drop amplitude simulated by this model and the literature conclusions was less than 5%, verifying the model’s reliability. Further parametric studies showed that the optimal working conditions were release port burial depth of 40~60 m, air inlet velocity of 0.5 m/s, and CO₂ injection flow rate of 5 kg/s. Under these conditions, the volume of the effective inerting zone reached 14200 m³, the average oxygen concentration dropped to 3.2%, and the cooling region covered the core range of the oxidation zone. This study provides theoretical support for the quantitative evaluation of CO₂ fire prevention and extinguishing technology and lays a numerical foundation for goaf fire prevention and control.

1. 引言

上世纪50年代以来，我国矿井通风理论与技术取得了系列重要进展，涵盖了井巷通风阻力研究、紊流传质方程建立、计算机通风网络解算以及射流通风技术应用等诸多方面[1] [2]。特别是在矿井火灾动力学领域，对火风压的生成机理、风流非稳定流动规律以及火灾烟流在复杂网络中的蔓延与逆转现象的研究不断深化[3] [4]，并发展了相应的数值仿真技术(如TF1M3D、Ventsim等软件的应用) [5]。

国内学者依托计算流体动力学(CFD)方法，在此领域进行了深入探索。研究普遍采用混合模型、组分输运模型及SIMPLE算法，对火灾时期温度、压力及污染物浓度的分布规律进行三维数值模拟[6] [7]，揭示了不同火源位置条件下烟流蔓延的一般性规律。然而，现有研究也存在一定局限性：高度依赖数值模拟，其准确性受模型假设与参数选取的制约，导致结果的可靠性与普适性仍有待进一步验证。

值得注意的是，当前研究多集中于火灾发生后的灾变过程模拟与风险评估，而对于主动性的灾害防治技术，如高效灭火介质的输运与作用机理，其精细化的模拟研究尚显不足。

正是在此背景下，基于Fluent平台的二氧化碳灭火技术模拟研究显现出其重要价值。该类研究继承并发展了前述数值模拟方法[6] [7]，将焦点从“火”转向“治火”。通过构建耦合组分传输与多孔介质流动的精确模型，可以模拟低温液态二氧化碳在采空区等复杂结构中的注入、扩散过程，及其对氧气的稀释惰化效应。这类研究旨在从机理层面定量评估灭火效率，为将数值模拟从灾情预测工具拓展为防灾方案设计与优化的核心手段提供了新的思路，有望弥补当前研究在主动防治环节的模拟短板。

2. 采区介绍

2.1. 矿井概况

东庞矿，即冀中能源股份有限公司东庞矿，其工业广场地理位置优越，交通便利。它距离内丘县城仅10公里，距邢衡高速G107入口约8.5公里，紧邻京广铁路、京深高速公路及107国道。矿区有专用铁路与京广线接轨，储煤场与107国道通过公路相连，并有9路公交车往返于邢台市，地理位置为东经114˚20'、北纬37˚18'。

东庞矿井田界限清晰，西南以小煤矿、9号煤层隐伏露头和F40断层为界，西北抵F2断层，东北至F18断层，东接F22、F19、F34断层，东南达F12断层。其形状似不规则菱形，南北长8 km，东西宽5 km，面积44.2963 km²，开采标高介于130.68 m至−800 m之间。

2.2. 煤尘自燃倾向性与爆炸危险性

山东鼎安检测技术有限公司2024年鉴定结果显示：东庞矿2#煤自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，且当前开采的2#煤层具备煤尘爆炸性，需重点关注采空区煤自燃防控。

3. 数值模拟研究

3.1. 几何模型

依据东庞矿综采面现场数据，采用ANSYS Design-Modeler构建三维几何模型，坐标系原点设定为工作面与采空区交界面和进风巷侧壁相交线的下端点：x轴沿工作面长度方向，y轴沿采空区深度方向，z轴沿采空区高度方向。模型关键参数如下：工作面长度250 m，采空区深度180 m、高度20 m (其中采空区遗留煤炭厚度1.84 m，上覆岩石厚度13.16 m)。

考虑到CO₂注入管径(60 cm)与模型整体尺寸差异较大，若精细模拟易导致网格划分困难，且管径非研究重点，故将注入管简化为边长60 cm的正方体。采用ANSYS Mesh进行网格划分，规则如下：

(1) 进风巷、回风巷、工作面、上覆岩层及下覆采空区遗煤均采用Tetrahedron网格划分方法；

(2) 进风巷、回风巷、工作面及上覆岩层作为整体，网格步长设为2.5 m；

(3) 下覆采空区遗煤均匀分为5个板块(从回风巷至进风巷编号1~5)，网格步长均为2 m；

(4) CO₂注入管网格按系统默认规则划分，最终网格质量达0.85以上，满足计算精度要求。

3.2. 模拟参数

构建三维采空区CFD模型时，需充分考虑重力对气体运移的影响：采空区混合气体由工作面漏入风流与注入CO₂组成，CO₂密度为空气的1.52倍，且注入时温度低(233K)，密度进一步增大，易产生沉降效应。因煤层倾角仅1˚~3˚，忽略重力在x、y方向分量，仅保留z轴(垂直煤层)方向重力，设定为−9.81 m/s²。

模型材料参数设定：

(1) 上覆岩层：材料为岩石，密度3600 kg/m³，孔隙率0.1，x/y/z方向黏性阻力系数500 m⁻²、惯性阻力系数5000 m⁻¹；

(2) 采空区遗煤：材料为煤质，密度1350 kg/m³，孔隙率0.3，x/y/z方向黏性阻力系数500 m⁻²、惯性阻力系数5000 m⁻¹；

(3) 气体组分：O₂、N₂、CO₂均从Fluent材料数据库调取物性参数，其中CO₂考虑低温液态特性，密度按233 K工况修正(修正后密度1.98 kg/m³)。

3.3. 边界条件

为精准捕捉温度场与气体组分场的动态演变(如CO₂扩散、温度降的时间依赖性)，本研究统一采用瞬态求解器，时间步长设定为1 s，总模拟时长7200 s (2小时)，迭代收敛判据为残差小于10⁻⁶。具体边界条件如下：

(1) 入口边界

进风巷入口被设定为“质量流量入口”，具体参数如下，质量流量为0.5 kg/s，温度为300 K。湍流特性由水力直径4.53 m与5%的湍流强度来描述。气体成分则设定为氧气(O₂)占0.23的质量分数，氮气(N₂)占0.77。

于CO₂注入之处，我们特将其设定为“质量流量入口”这一形式。具体而言，其质量流量达到了一个颇为可观的数值，即5000 g/s，并且所注入的乃温度低至233 K的液态二氧化碳。关于湍流之参数，我们界定其水力直径为0.6 m，湍流强度则为10%，且此入口处所设置之组分，乃纯二氧化碳也，其质量分数恰为1。

(2) 出口边界

在模拟设置中，我们将回风巷出口定义为“压力出口”，并设定其回流表压为−0.85 Pa，以此精准模拟矿井通风系统所产生的负压抽吸效应。

(3) 多孔介质区域

此模型巧妙地将采空区分隔为上覆岩层和遗煤区域，并将它们均设定为多孔介质，旨在精准模拟孔隙结构对流体所产生的流动阻力作用。

对于上覆岩层，我们将其材料明确为岩石，并赋予其3600 kg/m³的密度。在多孔介质模型中，岩石在X、Y、Z三个维度上的黏性阻力系数被统一设定为500 m⁻²，惯性阻力系数则均为5000 m⁻¹，而其孔隙率被精准地设定为0.1。

在模拟设置中，遗煤区域被明确界定为煤质材料，其密度详尽地设定为1350 kg/m³。鉴于该区域具有较大的孔隙率，我们将其设置为0.3。煤质在X、Y、Z三个方向上的黏性阻力系数均为500 m⁻²，惯性阻力系数则均为5000 m⁻¹。

(4) 壁面及其他

计算域顶部设为绝热无滑移壁面(热流密度0 W/m²)，其余壁面设为对流换热壁面(换热系数10 W/(m²∙K))；湍流模型选用可实现k-ε模型(适用于旋转与流动分离工况)；激活组分输运模型，模拟O₂、N₂、CO₂三组分混合传输；采用压力基求解器，耦合重力项与能量方程。

3.4. 多参数模拟工况设计

为确定CO₂注入的最佳工况，设计3组参数化模拟实验，每组变量单一，其余参数固定(初始固定：埋深50 m、风速0.5 m/s、流量5 kg/s)，具体工况如表1所示。

Table 1. Grouping table of working conditions

表1. 工况分组表

工况组	变量类型	变量水平	固定参数
组1	释放口埋深(m)	30、40、50、60、70	风速0.5 m/s，流量5 kg/s
组2	进风巷风速(m/s)	0.3、0.5、0.7	埋深50 m，流量5 kg/s
组3	CO2压注流量(kg/s)	3、5、7	埋深50 m，风速0.5 m/s

4. 模拟结果

4.1. 氧气分布规律

氧气浓度是判定采空区“三带”(散热带：氧浓度>15%；氧化带：氧浓度5%~15%；窒息带：氧浓度<5%)及自燃危险性的核心指标。本研究通过瞬态模拟，捕捉7200s时采空区氧浓度三维分布，并计算不同工况下有效惰化区体积(氧浓度<5%的区域体积)，结果如下：

整体分布特征：氧浓度从进风巷向采空区深部逐渐降低，CO₂注入口周围及采空区深部形成明显窒息带；7200 s时，基准工况(埋深50 m、风速0.5 m/s、流量5 kg/s)的有效惰化区体积为14200 m³，占采空区总容积(250 × 180 × 20 = 900000 m³)的1.58%，且覆盖氧化带核心区域(埋深20 m~80 m)，有效抑制煤自燃反应。

定量化分析：通过Fluent后处理提取采空区不同深度(y = 20、40、60、80、100 m)的氧浓度平均值，基准工况下y = 40 m~60 m处氧浓度最低(2.8%~3.5%)，y > 100 m处氧浓度回升至6%~8% (因CO₂沉降效应减弱)。

4.2. 二氧化碳气体扩散规律

CO₂扩散范围直接影响惰化效果，模拟结果显示：CO₂以注入口为中心呈椭圆形向外扩散，因密度大、温度低，在采空区底层(z < 5 m)聚集明显，形成“低密度覆盖层”；7200 s时，基准工况的CO₂质量分数 > 30%的区域半径达18 m~22 m，且沿采空区深度方向(y轴)扩散距离为65 m~70 m，沿工作面长度方向(x轴)扩散距离为40 m~45 m。

定量化对比不同工况的CO₂扩散系数(定义为扩散面积与时间的比值)：基准工况的CO₂扩散系数为0.08 m²/s，显著高于低流量工况(流量3 kg/s时为0.05 m²/s)，但低于高风速工况(风速0.7 m/s时为0.09 m²/s，因风流扰动加速扩散，但高浓度区域缩小)。

4.3. 温度变化规律

采用瞬态求解器捕捉CO₂注入后的温度场动态演变，初始采空区温度300 K (27℃)，CO₂注入温度233 K (−40℃)，定义温度 < 288 K (15℃)的区域为降温区域。模拟结果显示：降温区域集中在注入口周围，呈“倒锥形”向深部延伸，7200 s时基准工况的降温区域体积为18500 m³，平均降温幅度达12℃~15℃；

温度降的时间依赖性显著：前1800 s (0.5小时)降温速度最快，降温区域体积从0增至12000 m³；1800~7200 s降温速度放缓，体积增量仅6500 m³ (因CO₂与周围气体热交换达到动态平衡)；

定量化分析：降温区域与有效惰化区重叠率达82%，说明CO₂在惰化氧气的同时，可通过降温进一步抑制煤自燃(煤自燃临界温度为323 K，降温区域温度远低于临界值)。

4.4. 参数化模拟结果对比分析

释放口埋深对惰化效果影响：

组1工况(不同埋深，风速0.5 m/s、流量5 kg/s)的关键指标对比如表2所示。

Table 2. Comparison table of operating condition group one

表2. 工况组一对比表

埋深(m)	有效惰化区体积(m^3)	采空区深部氧浓度(%, y = 80 m)	CO2扩散深度(m)	降温体积(m^3)
30	9800	7.2	45	13200
40	13500	4.1	62	17800

续表

50	14200	3.2	68	18500
60	13800	3.5	70	18100
70	10200	6.8	52	14500

埋深30 m时，因靠近工作面高速漏风流(风速0.5 m/s)，CO₂被快速稀释，有效惰化区体积最小；埋深70 m时，风流诱导作用减弱，CO₂扩散速度慢，无法覆盖氧化带核心；埋深40 m~60 m时，有效惰化区体积、CO₂扩散深度及降温体积均处于最优区间，为埋深最佳范围。

进风巷风速对惰化效果的影响：

组2工况(不同风速，埋深50 m、流量5 kg/s)的关键指标对比如表3所示。

Table 3. Comparison table of operating condition group two

表3. 工况组二对比表

风速(m/s)	有效惰化区体积(m^3)	平均氧浓度(%)	CO2高浓度区(>30%)体积(m^3)	降温体积(m^3)
0.3	12500	4.8	8500	17200
0.5	14200	3.2	9200	18500
0.7	11800	5.1	6800	16800

风速0.3 m/s时，进风巷风量小，CO₂在注入口附近过度积聚(局部CO₂质量分数达90%)，但扩散范围有限，有效惰化区体积较小；风速0.7 m/s时，高风速快速稀释CO₂，高浓度区体积缩减40%，平均氧浓度回升至5.1%；风速0.5 m/s时，风流扰动与CO₂扩散达到平衡，有效惰化区体积与高浓度区体积均最大，为风速最佳值。

CO₂压注流量对惰化效果的影响：

组3工况(不同流量，埋深50 m、风速0.5 m/s)的关键指标对比如表4所示。

Table 4. Comparison table of operating condition group three

表4. 工况组三对比表

流量(kg/s)	有效惰化区体积(m^3)	采空区出口CO2浓度(%)	降温幅度 (℃，注入口周围)	计算收敛时间(s)
3	8200	1.2	8~10	5800
5	14200	2.5	12~15	7200
7	15100	4.8	16~18	8500

流量3 kg/s时，CO₂供给不足，有效惰化区体积仅8200 m³，无法覆盖氧化带；流量7 kg/s时，有效惰化区体积仅比5 kg/s时增加6.3%，但采空区出口CO₂浓度达4.8% (超过煤矿安全限值4%)，且计算收敛时间延长18%；流量5 kg/s时，既满足惰化体积要求，又确保出口CO₂浓度安全，为流量最佳值。

5. 模型验证

为验证本研究数值模型的可靠性，选取2篇煤矿CO₂防火领域的权威文献(程卫民等，2012；李宗翔等，2018)，从氧浓度分布、CO₂扩散范围、温度降幅三个关键指标进行定量对比，结果如表5所示。

Table 5. Comparison table

表5. 对比表

对比指标	本研究 (基准工况)	程卫民等(2012)	李宗翔等(2018)	与程卫民等偏差	与李宗翔等偏差
采空区深部氧浓度(%, y = 80 m)	3.2	3.0	3.5	+6.7%	−8.6%
CO2扩散半径(m)	20	19	21	+5.3%	−4.8%
注入口周围降温幅度(℃)	15	14	16	+7.1%	−6.2%
有效惰化区体积占比(%)	1.58	1.45	1.62	+8.9%	−2.5%

本研究模拟结果与文献数据趋势一致，定量偏差较小。例如，程卫民等(2012)发现采空区深部(y = 80 m)氧浓度约3.0%，本研究为3.2%，偏差仅6.7%；李宗翔等(2018)的CO₂扩散半径为21 m，本研究为20 m，偏差−4.8%。此外，本研究捕捉的CO₂沉降效应、温度降时间依赖性等特征，与文献描述的物理机制完全吻合，进一步验证了模型的准确性与可靠性。

6. 结论

(1) 瞬态模拟的必要性与有效性：采空区CO₂扩散与温度场演变具有显著时间依赖性，仅通过瞬态求解器(时间步长1 s，总时长7200 s)可准确捕捉其动态过程。模拟结果显示，CO₂注入后前0.5小时为快速惰化期，7200 s时流场达到准稳定状态，有效惰化区与降温区域重叠率达82%，为防火决策提供动态依据。

(2) 最佳工况组合及参数化支撑：通过3组参数化模拟(埋深30 m~70 m、风速0.3~0.7 m/s、流量3~7 kg/s)对比，确定最佳工况为：释放口埋深40 m~60 m、进风巷风速0.5 m/s、CO₂压注流量5 kg/s。此工况下，有效惰化区体积14200 m³ (覆盖氧化带核心)，平均氧浓度3.2%，降温体积18500 m³，且采空区出口CO₂浓度2.5% (低于安全限值)。

(3) 关键影响因素机制：

埋深过浅(<40 m)易受工作面漏风流稀释，过深(>60 m)则扩散速度不足；

风速过小(<0.5 m/s)导致CO₂局部积聚，过大(>0.5 m/s)则破坏高浓度惰化区；

流量过小(<5 kg/s)无法满足惰化体积，过大(>5 kg/s)则引发CO₂超限风险。

(4) 模型可靠性验证：本研究模拟结果与文献数据定量偏差 < 10%，且物理机制一致，验证了模型在采空区CO₂防火模拟中的可靠性，可作为同类矿井火灾防控的数值工具。

基金项目

中央高校基本科研业务费研究生科技创新基金项目。