綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)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(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)］

［1］李云福，康懷寧，何寧.放頂煤開采采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬的應(yīng)用研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2011，8（2）：12-15.

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［5］李宗翔.采空區(qū)遺煤自燃過程及其規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15（6）：15-19.

作者：覃慧文 單位：陽泉煤業(yè)有限責(zé)任公司