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[摘要]為研究陽煤五礦綜放工作面采空區(qū)停采狀態(tài)下的自然發(fā)火規(guī)律,建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,對自然發(fā)火工作面采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了采空區(qū)各場的分布規(guī)律。模擬結(jié)果顯示,自然發(fā)火工作面采空區(qū)壓力場在進(jìn)風(fēng)側(cè)最大,沿工作面長度逐漸減小;高氧濃度區(qū)域主要集中在工作面的進(jìn)風(fēng)段,沿著采空區(qū)深度逐漸減小;氣體溫度在回風(fēng)側(cè)進(jìn)入采空區(qū)深部處為高溫區(qū)域,工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性最高。
[關(guān)鍵詞]自然發(fā)火;數(shù)值模擬;采空區(qū);氣體溫度場
1采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合機(jī)理
采空區(qū)自然發(fā)火是采空區(qū)內(nèi)的氣體滲流速度、氧氣濃度和溫度三者相互耦合作用的結(jié)果[1]。Darcy定律、Fick定律與質(zhì)量守恒定律分別構(gòu)建了采空區(qū)流場模型和采空區(qū)氧濃度模型[2]。如果只從一個場的角度來研究采空區(qū)自然火災(zāi),而不考慮采空區(qū)內(nèi)的多場疊加作用,都無法展現(xiàn)采空區(qū)自然發(fā)火的全過程。只有在采空區(qū)多場耦合的基礎(chǔ)上,將流場、氧濃度場、氣體以及固體溫度場建立采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合模型,求解后才能得出采空區(qū)自然發(fā)火過程中各場的變化規(guī)律。陽泉礦區(qū)主采15號煤層,其采煤方法以放頂煤為主,煤層回采期間采空區(qū)自然發(fā)火傾向嚴(yán)重。根據(jù)陽煤五礦綜放工作面實際情況,采空區(qū)自然發(fā)火基本參數(shù)如下:(1)工作面長度為200m;采空區(qū)計算深度取300m。(2)采空區(qū)的遺煤厚度:現(xiàn)場勘測該采空區(qū)遺煤均厚為0.3m。(3)工作面進(jìn)風(fēng)溫度:由于季節(jié)變化而引起的工作面進(jìn)風(fēng)溫度不同,結(jié)合風(fēng)溫測試結(jié)果,取16℃;回風(fēng)溫度平均為18℃;冒落煤巖的原始溫度現(xiàn)場測試為13.1℃;臨界溫度由升溫氧化實驗得到為130℃。(4)遺煤密度1420kg/m3,比熱1150J/(kg•℃),導(dǎo)熱系數(shù)1.275W/(m•℃);頂板密度1410kg/m3,比熱1200J/(kg•℃),導(dǎo)熱系數(shù)1.589W/(m•℃)。(5)遺煤耗氧速率u0(t):采用升溫氧化實驗得到的遺煤耗氧速率為:驗得到的遺煤放熱強(qiáng)度為:
2采空區(qū)自然發(fā)火模型解算結(jié)果分析
使用逐次超松弛迭代法(SOR)來求解采空區(qū)自然發(fā)火的三維離散矩陣[3]。對陽煤五礦綜放工作面不同開采條件下的采空區(qū)自然發(fā)火情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。
2.1采空區(qū)壓力場分布
采空區(qū)壓力場的分布如圖1所示。由圖1分析可知,采空區(qū)壓力在進(jìn)風(fēng)側(cè)最大,其值等于工作面總的通風(fēng)阻力,沿工作面長度逐漸減少,在回風(fēng)口處達(dá)到最小值2Pa。隨著采空區(qū)深度增加,壓力在逐漸減小,且壓力場的分布隨時間變化也比較小,幾乎可以忽略。
2.2采空區(qū)氧濃度場分布
采空區(qū)內(nèi)氧濃度分布直接影響遺煤的氧化放熱,從而影響和制約采空區(qū)高溫區(qū)域的形成與發(fā)展。采空區(qū)內(nèi)氧濃度場的空間三維分布如圖2所示。由圖2分析可知,高氧濃度區(qū)域主要集中在工作面的進(jìn)風(fēng)段,沿著采空區(qū)深度逐漸減小;隨著時間的增加高氧濃度分布逐漸向前移動。影響采空區(qū)氧濃度分布的主要因素是氧氣的擴(kuò)散和遺煤氧化反應(yīng)的耗氧。
2.3采空區(qū)氣體及固體溫度場分布
2.3.1冒落煤巖的固體溫度分布固體溫度場分布規(guī)律如圖3所示。由圖3分析可知,采空區(qū)高溫區(qū)域靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)。由于遺煤集中在底板附近,火源位置開始時靠近采空區(qū)底板,高溫沿工作面長度方向、采空區(qū)深度和高度方向逐漸降低;頂板高溫區(qū)較底板在采空區(qū)深部。隨著時間的增加,高溫區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大,并且溫度持續(xù)升高,表明工作面采空區(qū)有自然發(fā)火的危險,若不及時采取措施,很有可能發(fā)生自燃。
2.3.2氣體溫度分布?xì)怏w溫度場分布規(guī)律如圖4所示。由圖4分析可知,空氣進(jìn)入采空區(qū)時溫度很低,等于工作面進(jìn)風(fēng)溫度,進(jìn)入采空區(qū)后,與固體顆粒發(fā)生對流換熱使自身的溫度升高[4]。在漏風(fēng)風(fēng)速較大的區(qū)域,氣體能帶走大部分的遺煤所放熱量,從而使得這部分遺煤的溫升不會太高;在繼續(xù)深入采空區(qū)后流入高溫區(qū)域,由于漏風(fēng)風(fēng)速急劇變小,對流換熱量較大,氣體溫度開始快速上升,然后繼續(xù)向前流動而流出高溫區(qū)域。從時間上看,氣體溫度分布與固體溫度較為接近,相同時間同一個點的氣體溫度比固體溫度低。
2.4工作推進(jìn)速度的影響
采空區(qū)自然發(fā)火的主要影響因素也包括工作面的推進(jìn)速度,對推進(jìn)速度分別為1.2、2.4、3.6m/d時工作面采空區(qū)的自然發(fā)火情況進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了推進(jìn)速度對溫度分布的影響規(guī)律,如圖5所示。由圖5分析可知,推進(jìn)速度越小,采空區(qū)溫度就越高,高溫區(qū)域就越靠近工作面。當(dāng)推進(jìn)速度為1.2m/d時,在停采15d之前采空區(qū)高溫區(qū)域溫度就達(dá)到120℃,已經(jīng)進(jìn)入了快速氧化升溫階段,若不及時采取滅火措施來抑制高溫區(qū)域的遺煤氧化,則會發(fā)生自燃火災(zāi)。隨著推進(jìn)速度的增加,采空區(qū)溫度一直降低,當(dāng)推進(jìn)速度達(dá)到3.6m/d時,40d才達(dá)到90℃。隨著時間的增加,每種推進(jìn)速度下的分布變化不大,因此停采前的推進(jìn)速度對于溫度升高的速度影響不大。
2.5遺煤厚度的影響
采空區(qū)自然發(fā)火的主要影響因素還包括采空區(qū)的遺煤厚度[5]。對遺煤厚度影響采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)行模擬分析。設(shè)定的模擬厚度分別為0.3m和1.2m、推進(jìn)速度為1.2m/d時,遺煤厚度對溫度分布影響如圖6所示。由圖6分析可知,遺煤越厚,采空區(qū)溫度就越高,高溫區(qū)域就越靠近工作面。在正常推進(jìn)速度下,15d時,遺煤厚度為1.2m時,采空區(qū)高溫區(qū)域能達(dá)到200℃以上,而當(dāng)遺煤厚度減至0.3m時,高溫區(qū)域降至140℃左右。隨著推進(jìn)速度降低,遺煤厚度對自然發(fā)火的影響比重越來越大。因此,減小遺煤量是非常有效的預(yù)防自燃措施。
3結(jié)語
根據(jù)Darcy定律、Fick定律及Fourier定律構(gòu)建了自然發(fā)火多場耦合數(shù)值模型,并對陽煤五礦綜放工作面采空區(qū)的自然發(fā)火情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示,隨著時間增加自然發(fā)火工作面采空區(qū)壓力場在進(jìn)風(fēng)側(cè)最大,沿工作面長度逐漸減小;高氧濃度區(qū)域沿著采空區(qū)深度逐漸減小;氣體溫度在回風(fēng)側(cè)進(jìn)入采空區(qū)深部處為高溫區(qū)域,工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性最高。模擬結(jié)果表明,加快原始推進(jìn)速度會降低采空區(qū)的初始溫度,減小遺煤量能抑制采空區(qū)溫度升高的速度,從而降低遺煤自然發(fā)火的危險。
[參考文獻(xiàn)]
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作者:覃慧文 單位:陽泉煤業(yè)有限責(zé)任公司