綜放工作面采空區自然發火數值模擬范文

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［摘要］為研究陽煤五礦綜放工作面采空區停采狀態下的自然發火規律，建立相關的數學模型，對自然發火工作面采空區進行數值模擬，得到了采空區各場的分布規律。模擬結果顯示，自然發火工作面采空區壓力場在進風側最大，沿工作面長度逐漸減小；高氧濃度區域主要集中在工作面的進風段，沿著采空區深度逐漸減小；氣體溫度在回風側進入采空區深部處為高溫區域，工作面采空區自然發火的可能性最高。

［關鍵詞］自然發火；數值模擬；采空區；氣體溫度場

1采空區自然發火多場耦合機理

采空區自然發火是采空區內的氣體滲流速度、氧氣濃度和溫度三者相互耦合作用的結果［1］。Darcy定律、Fick定律與質量守恒定律分別構建了采空區流場模型和采空區氧濃度模型［2］。如果只從一個場的角度來研究采空區自然火災，而不考慮采空區內的多場疊加作用，都無法展現采空區自然發火的全過程。只有在采空區多場耦合的基礎上，將流場、氧濃度場、氣體以及固體溫度場建立采空區自然發火的多場耦合模型，求解后才能得出采空區自然發火過程中各場的變化規律。陽泉礦區主采15號煤層，其采煤方法以放頂煤為主，煤層回采期間采空區自然發火傾向嚴重。根據陽煤五礦綜放工作面實際情況，采空區自然發火基本參數如下：（1）工作面長度為200m；采空區計算深度取300m。（2）采空區的遺煤厚度：現場勘測該采空區遺煤均厚為0.3m。（3）工作面進風溫度：由于季節變化而引起的工作面進風溫度不同，結合風溫測試結果，取16℃；回風溫度平均為18℃；冒落煤巖的原始溫度現場測試為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•℃），導熱系數1.275W/（m•℃）;頂板密度1410kg/m3,比熱1200J/（kg•℃）,導熱系數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度為：

2采空區自然發火模型解算結果分析

使用逐次超松弛迭代法（SOR）來求解采空區自然發火的三維離散矩陣［3］。對陽煤五礦綜放工作面不同開采條件下的采空區自然發火情況進行數值模擬分析。

2.1采空區壓力場分布

采空區壓力場的分布如圖1所示。由圖1分析可知，采空區壓力在進風側最大，其值等于工作面總的通風阻力，沿工作面長度逐漸減少，在回風口處達到最小值2Pa。隨著采空區深度增加，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采空區氧濃度場分布

采空區內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高溫區域的形成與發展。采空區內氧濃度場的空間三維分布如圖2所示。由圖2分析可知，高氧濃度區域主要集中在工作面的進風段，沿著采空區深度逐漸減小；隨著時間的增加高氧濃度分布逐漸向前移動。影響采空區氧濃度分布的主要因素是氧氣的擴散和遺煤氧化反應的耗氧。

2.3采空區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律如圖3所示。由圖3分析可知，采空區高溫區域靠近進風側。由于遺煤集中在底板附近，火源位置開始時靠近采空區底板，高溫沿工作面長度方向、采空區深度和高度方向逐漸降低；頂板高溫區較底板在采空區深部。隨著時間的增加，高溫區域面積逐漸擴大，并且溫度持續升高，表明工作面采空區有自然發火的危險，若不及時采取措施，很有可能發生自燃。

2.3.2氣體溫度分布氣體溫度場分布規律如圖4所示。由圖4分析可知，空氣進入采空區時溫度很低，等于工作面進風溫度，進入采空區后，與固體顆粒發生對流換熱使自身的溫度升高［4］。在漏風風速較大的區域，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；在繼續深入采空區后流入高溫區域，由于漏風風速急劇變小，對流換熱量較大，氣體溫度開始快速上升，然后繼續向前流動而流出高溫區域。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工作推進速度的影響

采空區自然發火的主要影響因素也包括工作面的推進速度，對推進速度分別為1.2、2.4、3.6m/d時工作面采空區的自然發火情況進行數值模擬，得到了推進速度對溫度分布的影響規律，如圖5所示。由圖5分析可知，推進速度越小，采空區溫度就越高，高溫區域就越靠近工作面。當推進速度為1.2m/d時，在停采15d之前采空區高溫區域溫度就達到120℃，已經進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域的遺煤氧化，則會發生自燃火災。隨著推進速度的增加，采空區溫度一直降低，當推進速度達到3.6m/d時，40d才達到90℃。隨著時間的增加，每種推進速度下的分布變化不大，因此停采前的推進速度對于溫度升高的速度影響不大。

2.5遺煤厚度的影響

采空區自然發火的主要影響因素還包括采空區的遺煤厚度［5］。對遺煤厚度影響采空區自然發火進行模擬分析。設定的模擬厚度分別為0.3m和1.2m、推進速度為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，采空區溫度就越高，高溫區域就越靠近工作面。在正常推進速度下，15d時，遺煤厚度為1.2m時，采空區高溫區域能達到200℃以上，而當遺煤厚度減至0.3m時，高溫區域降至140℃左右。隨著推進速度降低，遺煤厚度對自然發火的影響比重越來越大。因此，減小遺煤量是非常有效的預防自燃措施。

3結語

根據Darcy定律、Fick定律及Fourier定律構建了自然發火多場耦合數值模型，并對陽煤五礦綜放工作面采空區的自然發火情況進行了數值模擬。模擬結果顯示，隨著時間增加自然發火工作面采空區壓力場在進風側最大，沿工作面長度逐漸減小；高氧濃度區域沿著采空區深度逐漸減小；氣體溫度在回風側進入采空區深部處為高溫區域，工作面采空區自然發火的可能性最高。模擬結果表明，加快原始推進速度會降低采空區的初始溫度，減小遺煤量能抑制采空區溫度升高的速度，從而降低遺煤自然發火的危險。

［參考文獻］

［1］李云福，康懷寧，何寧.放頂煤開采采空區自然發火數值模擬的應用研究［J］.華北科技學院學報，2011，8（2）：12-15.

［2］秦躍平，劉偉，楊小彬，等.基于非達西滲流的采空區自然發火數值模擬［J］.煤炭學報，2012，37（7）：1177-1183.

［3］龍熙華，張雅榮，張兵，等.煤自燃溫度場三維對流擴散方程的有限元解法［J］.蘭州理工大學學報，2014，40（6）：152-155.

［4］張辛亥，鄧軍，文虎，等.綜放采空區自然發火規律動態數值模擬［J］.湖南科技大學學報（自然科學版），2012，27（4）：1-5.

［5］李宗翔.采空區遺煤自燃過程及其規律的數值模擬研究［J］.中國安全科學學報，2005，15（6）：15-19.

作者：覃慧文 單位：陽泉煤業有限責任公司