（安全技术及工程专业论文）综放采空区抽放条件下漏风流场数值模拟研究.pdf

s u b j e c t ： r e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rl e a k a g ei n f u l l y m e c h a n i z e dg o bu n d e rt h ec o n d i t i o no fg a sd r a i n a g e s p e c i a l t y ：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e：z h uy i i n s t r u c t o r ：d e n gj u n | 沙4 亿州 1 们几 a b s t r a c t h u a i n a np a n y ic o a lm i n es e a m ，w h o s es h o r t e s tp e r i o do fs e l f - i g n i t i o ni s15d a y s ，i sh i g h g a s c o n t a i n i n gm i n e db yf u l l ym a c h a n i z e dm i n i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o n o ff u l l y m a c h a n i z e dt e c h n o l o g yi n t h i sm i n eh a sg r e a t l yi m p r o v e di t so u t p u t h o w e v e r ，t h e l o we f f i c i e n c yo fm i n i n gu p p e rc o a lh a sc a u s e d “t w ol i n e s ”，t w ol a n e w a y s b e c o m et h e h a z a r dz o n ei ng o b t h ek e yt op r e v e n tc o a lm i n ef i r ea n de x t e r m i n a t ei ti st oa s c e r t a i nt h e l o c a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r es i t e b u tt h i st e c h n o l o g yh a sn o tw e l lb e e ns o l v e dh o m ea n d a b r o a d ，a n dr e l a t e dr e s e a r c hi sn o tt h o r o u g h t h ea r t i c l e ，f r o mc h a r a c t e r i s t i c so ff u l l ym a c h c n i z e dg o bu n d e rt h ec o n d i t i o no fg a s d r a n a g e ，w h i c hb a s e do nt h ec a u s ea n dr e s e a r c hl e v e lo fc o a ls e l f - i g n i t i o na tp r e s e n t ，a n dt h e f o r e c a s tm o d e lo fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n ds t a t u sq u oo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， d i r e c t st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rl e a k a g ez o n ei ng o b f i r s t ，b ym a k i n gu s eo ft h e s e l f - i g n i t i o ne x p e r i m e n to v e n ，t h r e ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fo x y g e nc o n s u m p t i o n ，i n t e n s i t y o fh e a tt r a n s m i s s i o na n dt h es h o r t e s tc o a li g n i t o np e r i o dw h i c hc a np r o v i d eb a s i cd a t af o r s e t t i n g - u po ff o r c a s tm o d e lo ff u l l ym e c h a n i z e dg o b ，c a nb ea t t a i n e d s e c o n d ，b yu s i n gt h e k n o w l e d g eo fh y d r o d y n a m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c se t c ，e q u a t i o no fg a sd i s t r i b u t i o no fl o o s e c o a lw i t hv e n t i l a t i o nl e a k a g ei nt h eg o b ，e q u a t i o no fo s m o s i sc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n td e p t h ， i n f l u e n c ef u n c t i o no f o x y g e nc o n s u m p t i o nw i t hd e p t h ，e q u a t i o no f a i r f l o wo nb o t hs i d e so ft h e w o r k i n gf a c e ，a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i f f u s i o no fa i rl e a k a g ei nt h eg o ba n df o r e c a s t m o d e lo ff u l l ym e c h a n i z e dg o bc a nb es e tu p t h i r d ，v e n t i l a t i o nl e a k a g ec o n d i t i o ni nt h e 2 3 2 2 ( 3 ) f u l l ym e c h a n i z e dg o bc a nb en u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yu s i n gf l u i dc a l c u l a t i o n s o f t w a r ef l u e n t , t h u st h eh a z a r dz o n ec a nb ec o m p a r t m e n t a l i z e d t h er e s u l t ，w h i c hi s i d e n t i c a lw i t ht h a to ff a t u a lo b s e r v a t i o n ，v a l i d a t e st h er e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lm o d e k e yw o r d s ：h i g hg a s d r a i n a g ed y n a m i cd i s t r i b u t i o ng o b s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿种技丈擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 一硌净融指轹年月日 i 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 淮南矿区煤层属高瓦斯易自燃煤层，煤层实际最短自然发火期为1 5 天。近年来， 综采放顶煤技术在该矿区的推广应用，对实现高产高效起到重要作用。综放面日产煤上 万吨，效益非常可观。但是，综放面浮煤厚度大，尤其是“两道 顶煤放出率低，因而 采空区“两道”处遗煤厚度很大，自燃危险性很高。综放面顺槽一般沿煤层底板掘进， 其顶部留有较厚的煤层，顶煤破碎、离层，自燃危险性强。此外，为了提高资源回收率， 使顺槽避开矿压集中带，工作面煤柱一般都比较小，沿空侧煤柱经常被压裂破碎，相邻 采空区大量浮煤有受相邻区段开采的影响，已经氧化升温，煤体己进入自燃潜伏期，使 得综放无煤柱开采采空区自燃火灾增多。且在掘进期间，掘进和防火工程之间相互干扰， 使得掘进期间自然发火危险性增大。淮南矿业集团所属9 对大型矿井，多数矿井都发生 过煤层自然发火，对生产影响很大，2 0 0 4 年淮南谢桥矿首个综放面就是因为采空区出现 自然发火征兆而被迫关闭，造成巨大财产损失。因此预防和治理高瓦斯煤层群煤层自燃 火灾及自然发火隐患已成为淮南矿业集团非常重要而紧迫的任务。 淮南矿区煤层瓦斯含量比较高，为防止工作面瓦斯超限一般都在采空区布置有瓦斯 抽放尾巷、高位瓦斯抽放巷和低位瓦斯抽放巷，有时还会从底板打孔抽老空区瓦斯，和 向采空区布孔抽放瓦斯，导致工作面及采空区漏风增加并且风流紊乱。此外，采用保护 层开采，系统很复杂。采空区“三带”的分布及自燃危险区域同没有进行瓦斯抽放的综 放工作面相比有很大区别，容易产生自燃，并且可能自燃的范围很大。因此，研究高瓦 斯煤层群综放面煤层抽放条件下采空区自燃危险区域判定技术非常重要。矿井火灾经常 引发瓦斯爆炸，灭火时常伴随水煤汽爆炸，火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间流 动，给矿工生命安全造成极大威胁，如2 0 0 4 年陕西陈家山矿难就是由采空区自燃火灾 引起。煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元。尤其是近年来，随着高 产高效新技术的不断发展和推广应用，矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，通风 系统相对复杂化，使得采空区煤层自燃火灾更是成为影响煤炭安全生产的主要灾害之 一。 高瓦斯矿井综放采空区自然火灾特点： 高瓦斯矿井在抽放条件下，采空区流场分布发生改变，。从而使煤层自燃危险性增 强，自燃危险区域范围增大，危险区域分布与无抽放的低瓦斯矿井有很大区别，预测困 难。 高瓦斯煤层开采时，采、掘、通风等系统呈空间立体分布，各层之间漏风难以避 西安科技大学硕士学位论文 免，自燃发火规律更加复杂，防灭火困难。 淮南矿区各矿普遍实行综放开采，综放面遗煤量更大，煤层自燃危险性更强，容 易产生大范围采空区自燃。 高瓦斯矿井煤层自燃可能引起瓦斯燃烧爆炸，瓦斯燃烧又促使火势蔓延，引起大 面积煤层火灾，为救灾带来极大困难，严重影响矿井生产。 采空区遗煤松散煤体蓄热性好，热量不易散失：能贫氧氧化，温度越高反应越快， 具有热力风压自供氧，自燃过程自加速的特点。对于大多特厚综采放顶煤工作面漏风更 复杂，容易发生大面积采空区、巷道顶煤及相邻采空区自燃，由于火风压的作用，通常 火源相对位置较高、呈立体分布。采空区自然发火具有以下特点： 火源点通常在浮煤较厚区域形成，空隙率大漏风强度大，浮煤越易自燃，c o 等 气体沿风流方向涌向工作面，高温点逆风流动态移动。 实际条件下浮煤属非均匀多孔介质，漏风强度是空间的函数，高温区域浮煤漏风 规律极其复杂，温度场、风流场和氧浓度场多场耦合 本选题作为国家“十五”科技攻关项目高瓦斯煤层群煤层自然发火监测及预防技 术研究的一部分，主要通过建立高瓦斯综放采空区抽放条件下漏风流场数学模型，得 出其内部漏风流变化趋势，进而分析瓦斯抽放管道对采空区自燃危险区域分布的动态影 响；基于数值模拟结果提出适合于高瓦斯煤层综放面采空区抽放条件下自燃危险区域的 判定技术，并通过现场观测验证该技术的可靠性，指导高瓦斯矿井抽放条件下煤炭自燃 的预测预报，为进一步完善高瓦斯矿井抽放条件下综放采空区防灭火技术提供一定的基 础。 1 2 国内外研究现状 近年来，研究人员对于煤自燃的影响因素及其自燃危险性预测、煤自燃危险区域判 定、煤自然发火期预测进行了大量的研究和探索。尤其是最近几年，随着计算机技术的 飞速发展，国内外学者对煤自然发火数学模型及数值模拟也进行了相当深入的研究。 1 2 1 采空区自燃“三带”划分理论研究现状 近年来，人们对采空区自燃“三带”划分理论进行了深入的研究，但具体应用的方 法不同。一种是基于现场采空区氧浓度和温度观测，直接确定自燃“三带”( 即散热带、 氧化升温带和窒熄带) ；第二种是在现场观测的基础上，利用数值模拟方法进行分析【2 1 ， 多数文献是通过直接求解非线性渗流速度场来确定易自燃带，所得到的自燃带是“对称” 的。李宗翔改变了该观点【3 】，提出了通过联立求解非均质采空区漏风渗流方程和氧浓度 消耗扩散方程，将速度场与氧浓度分布二场叠加起来自动确定自燃氧化带( 即二场叠加 2 1 绪论 原理) 。计算表明，理论上采空区氧浓度分布和自燃氧化带形状是非对称的，偏重于进 风一侧，更符合实际观测结果。 通过对自燃氧化带的研究，可利用数值模拟方法量化分析自燃受工作面工艺( 推进 度、长度、顶板管理方式等) 和通风参数( 风量、漏风) 的动态影响。根据自燃氧化带宽度、 最短自然发火期和工作面进度来判断采空区浮煤自燃危险性。虽然煤自燃危险性的预测 方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但只能定性预测煤自然发火的危险程 度，而无法定量确定可能发火的区域。此外，s u j a n t i ，w i w i kz h a n g 等( 1 9 9 9 ) 【4 j 采用静态 恒温法推导了地面煤堆自燃的临界厚度；英国诺丁汉大学r e nt x 掣5 】开发了与井下数 据监测系统相连的实时数据获取和控制系统可对特定区域的危险性进行评价，有效的指 导现场的防灭火工作；西安科技大学的徐精彩，邓军等【6 】根据采空区漏风规律及蓄散热 条件，推导出了现场实际条件下采空区遗煤自燃的定量判定指标( 下限氧浓度、最小浮 煤厚度、极限漏风强度等和上限当量粒径等) ，并提出了采空区自燃危险区域判定条件 和判定方法。 近几年，根据火区产生的能量或放射性气体异常【7 】，煤层自燃危险区域进行判定的 方法也得到了快速发展，如测氡判定法、红外探测技术【8 】等。但是这些方法对已形成高 温或大火的区域进行大范围的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要求。且由于受各 种其它地质因素的干扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的自燃危险区域无 法判定。另外，利用红外遥感【9 j 和地质雷达【lo 】探测煤田和井下煤体自燃区域的方法也正 在发展之中。 1 2 2 采空区自然发火预测模型发展及数值模拟研究现状 自s e m o n o v ( 19 2 8 ) 基于热爆炸理论首次建立煤自燃理论模型( 19 3 8 年，在简化条件 下f r a n k k a m e n e t s k i i 得到了理论解) 】以来，美国、日本、澳大利亚、新西兰、英国、 法国和中国等国学者如c a r s l a wh w ( 1 9 5 9 ) t 1 2 】、d s c h m a l ( 1 9 8 5 ) 【1 3 】、k b r o o k s ( 1 9 8 8 ) 、 k y u r os a s a k i ( 1 9 8 7 ) 1 1 4 】、m i n s h a nz h u ( 1 9 9 1 ) 1 15 1 、p n o r d o n ( 1 9 8 5 ) 1 16 1 、f a k g u n ( 2 0 0 1 ) 1 17 1 、 v a ng e n d e r e nj l ( 1 9 9 6 ) 18 1 、j i e j i eh u a n g ( 2 0 0 1 ) t 1 9 】和、w a c t a w i kj ( 1 9 9 7 ) 2 0 1 、邓军【2 l 】、陈 亚平【z 2 j 等，针对地下煤层或地面煤堆的自燃条件，根据传热、传质学建立了多种煤自然 发火数学模型，数值模拟煤的自然发火过程，研究煤的自燃规律及影响因素。其中典型 的有： ( 1 ) f a k g u n 等提出的煤堆自燃二维非稳态模型，该模型主要考虑了煤堆高度、 倾角、煤的粒度及湿度等参数对自燃过程的影响：( 2 ) v a ng e n d e r e njl 等提出的倾角 模型( d i pa n g l em o d e l ) ，该模型应用半无限大线性热流方程预测煤田自燃火灾的深度 和温度分布；( 3 ) c a r s l a whw 等提出的辐射热流模型( t h er a d i a lh e a tf l o wm o d e l ) ， 该模型只用于确定煤层火区位置； ( 4 ) j i e j i eh u a n g 等提出的地下自燃火灾气体温度场 模型( m o d e lo f g a sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d si nu n d e r g r o u n dc o a lf i r e s ) ，该模型依据多孔 西安科技大学硕士学位论文 介质自然对流理论而建立的二维模型，研究认为浅部自燃是由于地表空气对流，而深部 主要是煤挥发份燃烧而增强气体对流：( 5 ) w a c t a w i k j 根据多孔介质有源有汇的质量、 动量和能量平衡原理，建立了模拟采空区隐蔽自燃火灾发生过程的二维数学模型。 但上述这些数学模型都是在均质、各向同性等一定简化条件下而建立的，主要研究 煤自燃规律及影响因素，模型中的反应速度和放热强度均采用e l o v i c h 或a r r h e n i u s 理 论公式进行计算【2 3 1 ，并假定的表面反应热为常数，而煤的实际反应速度随煤的粒度、空 气流速、氧气浓度和温度等参数动态变化，且表面放热也与温度有关。因此，不能用于 预测实际条件下煤的自然发火期。 随着计算机应用技术的发展，国内外学者从2 0 世纪8 0 年代开始普遍把理论分析和 计算机模拟作为一种有力的辅助手段来解决采空区火灾的预防和治理，即在理论分析的 基础上，运用传热学、热力学和计算流体力学建立某种数学模型，采用计算机模拟采空 区风流场、氧浓度场和温度场，通过预测采空区漏风强度和遗煤温度随时间和空间的动 态变化情况，确定采空区遗煤自然发火危险程度、自然发火期及可能出现的高温区域， 为采空区自然发火早期预测、合理配置工作面供风量和安排工作面日推进速度提供参 考。 采用计算机模拟对采空区自然发火进行预测预报的研究也是最近二十几年才刚刚 开始，向实际应用的转化尚处于起步阶段，即使是已经开发出的个别模型也仅仅适用于 特定工作面的采空区，由于采空区内部条件复杂和不确定性，这些模型在边界条件的选 择和计算方法上还存在需要改进的地方。根据研究方向的划分，可将采空区自然发火数 学模型大致分为： 对有自然发火征兆或已经自然发火的采空区建立相应数学模型，为确定采空区火 源点位置提供一种辅助分析手段； 工作面正常回采期间，建立采空区风流场、氧浓度场和温度场数学模型，为预测 采空区早期自然发火并制定相应预防措施提供依据； 工作面回采期间，建立采空区遗煤温度变化的动态数学模型。 ( 1 ) 火源点位置判断数学模型 针对有自然发火征兆的采空区，齐庆杰，黄伯轩根据f i c k 定律和质量守恒定律建立 了采空区火源点位置判断二维数学模型【2 4 1 ，即c o 流场数学模型，并结合现场观测采空 区内空气流动规律和火灾指标气体c o 浓度分布规律，用计算机模拟c o 涌出位置，通 过与实际观测比较来判断采空区火源点大致范围。 ( 2 ) 采空区风流场、氧浓度场和温度场静态数学模型 近二十年来，国内外研究人员对采空区氧浓度场、风流场和温度场数值模拟进行了 相当深入地讨论，力图把模拟的结果应用到现场。美国、澳大利亚、法国等学者如d s c h m a l 【2 5 】、k b r o o k s 2 6 1 、k y u r os a s a k i 27 1 、e n o r d o n 【2 8 】，国内学者如m i n s h a nz h u 2 9 1 、卞 4 1 绪论 晓锴【3 0 1 、冯小平【3 1 】和张瑞林、杨运良【3 2 ，3 3 1 等，针对采空区的自燃环境及条件，建立了多 种煤自然发火数学模型，并使用计算机对采空区的浮煤自然发火进行了数值模拟。李宗 翔等根据漏风渗流方程、氧浓度渗流扩散和传热方程，建立了采空区自然发火非定常数 值模型【3 4 1 ，并开发出了相应的采空区流场数值模拟软件。这些数学模型主要存在二个问 题：( 1 ) 未考虑煤自燃过程中，由于温度与漏风状况变化的耦合影响；( 2 ) 对煤自燃过 程模拟的核心参数( 氧化放热强度) 均采用理论方法( 如a r r h e n i u s 公式) 进行计算， 模型中的其它关键参数采用的是经验公式模拟计算结果与实际情况相差较大，难以用于 现场实际。为此，文虎等利用煤自然发火实验台，解决了实际条件下煤自燃过程数值模 拟所需关键参数( 遗煤放热强度和耗氧速率) 的实验和现场测定问题。通过实际条件下 煤自燃过程的数值模拟研究，发展了煤自然发火预测理论，首次解决了综放面采空区和 巷道高温火源点位置和自然发火期判定的难题。 ( 3 ) 采空区温度场动态数学模型 实际条件下，采空区遗煤温度受工作面推进速度、遗煤厚度和漏风强度等诸多因素 的影响，对于大多数工作面来说，其回采速度、回采率和漏风强度并不是固定值，采空 区高温区域动态移动，因此仅对采空区进行静态模拟不足以满足实际自然发火的预测。 为此，邓军等将松散煤体自然发火三维数学模型简化成二维，建立了采空区浮煤自燃危 险性预测动态模型【3 5 1 。当然，由于采空区内部条件的复杂，所建立的数学模型作一些了 必要的假设，如温度沿顶底板及走向二位变化；漏风强度及氧浓度等参数沿采空区走向 一维变化等。事实上，对于大部分采空区，特别是综采放顶煤开采形成的采空区，有的 冒落高度已达几十米甚至更长；对于高瓦斯矿井，其采、掘、通风等系统呈空间立体分 布，采空区瓦斯抽放致使其内部风流紊乱，况且各层之间难免存在漏风，因此近年来不 少学者认为将采空区抽象成平面的研究方法已不合适，应在三维空间内进行研究。杜礼 明等在三维风流场和温度场基础上推导出了三维热力风压场计算公式1 36 1 。研究人员从不 同的角度相继建立了采空区风流场、氧浓度场和温度场数学模型，运用数值解法，利用 计算机模拟采空区风流场、氧浓度场或温度场大致分布范围，预测可能自然发火区域。 纵观采空区自然发火数值模拟研究发展历程，具有以下特点： 对风流场、氧浓度场和温度场进行二维模拟、成功实现了温度场从静态模拟到动 态模拟转变，在计算方法及复杂边界条件的处理上取得了一定突破。目前，采空区自然 发火已经进入到三维温度场研究领域p 。 采空区氧浓度分布受漏风风流影响，而氧浓度分布又影响温度的分布，分析采空 区温度场分布时往往将风流场和氧浓度场共同加以考虑。 通过实验确定了模型中两个关键参数浮煤氧化放热强度和耗氧速率，提出了煤自 燃危险区域判定的充分必要条件。 数学模型( 包括c o 涌出模型、自燃热源模型) 是在特定假设条件下建立的，有 西安科技大学硕士学位论文 一定适用范围，针对不同开采条件下的采空区，数值模型关键参数、模型边界条件及源 相要作适当修改。 由于采空区内部条件极其复杂，因此这些数学模型数值模拟的结果都需要在现场得 到验证，对实际防灭火还只是一种辅助手段。 1 2 3 采空区煤层最短自然发火期研究现状 煤自然发火期是衡量井下煤层自燃性大小的最直接、现场应用及计算机模拟采空区 自燃发火应用最广泛的重要参数之一。自然发火期预测最早采用现场统计法，其结果与 实际的误差在1 - - 3 个月，不能有效地指导现场的工作；近2 0 年来，世界各主要产煤国 主要朝着准确预测实际条件下松散煤体自然发火期的方向努力，先后建立了模拟煤层自 燃过程的大型煤自然发火实验台，并根据实验台实验模拟结果，测试和预测实际开采条 件下煤的自燃发火期，有效地指导了煤层自燃火灾的防治。但由于大型实验条件单一、 用煤量多，实验时间长，工作量大，不能满足井下复杂的实际条件下自燃火灾防治需要， 因此，许多学者通过建立数学模型的方法对自然发火期进行预测。 宋志等人【3 列以采场自然发火为充要条件，依据时空一致的观点，分析自然发火影响 因素，提出用人工神经网络来预测煤自然发火期，自燃地点和自燃时期的模型，把采场 自燃预测模式识别问题看成是n 个影响采场自燃因素所形成的n 维空间到m 维空间的 映射。模型有1 5 9 个输入，1 1 个输出。文献只提供了预测模型，但并未对具体采场自然 发火作预测，由于神经网络预测首先需要大量学习样本对网络进行训练，加之网络有1 5 9 个输入，因此，需对大量采场自燃进行调研，才可以应用此模型进行自然发火预测，工 作量非常大，故文献中的模型还只是理论模型阶段并未应用于现场实际。 中国科技大学的余明高、王清安、范维澄、廖光煊等人( 2 0 0 1 ) 【”】，煤科总院重庆 分院的黄之聪和岳超平等人( 2 0 0 1 ) 1 4 0 1 根据煤氧化放热、升温吸热平衡关系，在原苏联 学者h b 卡连金( 1 9 8 4 ) 提出的计算煤层最短发火期模型的基础上进一步修正和完善， 在绝热条件下，建立了煤氧化反应放热、吸氧放热和煤体升温、水分、瓦斯解吸吸热平 衡的最短自然发火期解算模型【4 l 】( 式1 5 ) 及相应的实验方法。模型将煤从常温到着火 点温度这一过程，分成不同的温度段，各温度段所需时间总和即为煤的最短自然发火期。 ，一 ，一( c p i + c 加i ) z + 2 ( ，2 1 0 0 + p j q a q o f ) r1 气、 ：一惫“_ 一惫 k q i c q i q s + k q c q _ + 、qs 、h j 。 式中，n 为计算时所取温度段的段数，出，为煤温从z 升到z 所需的时间。 此模型可以反映煤自然发火的可能性，比自燃倾向鉴定结果更准确、直观。但他们 经过对近2 0 个局( 矿) 自然发火情况及其影响因素的调查分析，发现同一个局( 矿) 最长与最短自然发火期相差达1 9 1 0 倍。一个矿同一层煤的自然发火期变化如此大， 与自然发火的影响因素及所采取的防灭火措施的有效程度有关，在总结采区地质、采掘、 6 1 绪论 通风等外部影响因素的基础上，不考虑采取的防灭火措施的影响，确定了煤自然发火期 修正系数，并结合实验数据对煤的实际自然发火期进行了预测，预测准确率达到7 5 8 6 ，对现场安全生产具有一定指导作用。 1 2 4 未来研究方向 以现场观测为主，结合计算机模拟是当前采空区自然发火监测的主要手段，但由于 采空区内部条件复杂，对采空区自然发火进行的现场观测还存在一定误差，“三带 划 分理论和最短煤自然发火期的判定仍有需要完善的地方，特别是一些高瓦斯“双突”工 作面，仅仅在进风巷和回风巷两侧埋管观测所获得的数据并不能客观反映整个采空区氧 浓度及漏风变化规律。 目前，对采空区浮煤自燃升温过程的数值模拟，是一种考虑采空区冒落、漏风供氧、 耗氧、瓦斯涌出、遗煤分布、自燃氧化放热、有害气体释放及工作面开采等多因素综合 作用下自然发火过程的数值计算( 简称g 3 模型【4 列) 。自然发火期历来是自然发火研究的 难点，g 3 模型可以确定最短自然发火期，该值反映了采空区漏风系统在最有利于煤炭 自燃情况下的一种结果，有很强的实用价值：尤其在“三带”划分理论方法中，用最短自 然发火期来分析判断自然发火危险程度，方法有效，应用广泛。g 3 模型的突出特点就 是能够从自燃过程方面分析讨论自然发火期问题。运用g 3 数值模拟软件，实现了在计 算机上描述复杂边界条件下的采空区注氮的流体力学过程，并以可视化图形方式显示注 氮后采空区氧浓度分布变化、自燃氧化带变化的分布解：给出了注氮参数( 如流量、注 氮时间和注氮位置等) 的合理确定方法。目前最新的研究成果已将注氮同自燃温度场计 算结合，实现了对注氮抑制自燃或自燃火源熄灭过程的可操作性模拟和控制。对采空区 进行数值模拟还只是在探索阶段，模拟的结果还有待在现场得到进一步验证，从当前的 发展特点可以看出采空区数值模拟未来发展方向： 现有的煤自燃过程数值模拟在实际应用中是二维的，为向实际应用转化，需对复 杂边界条件的采空区氧浓度场和温度场进行三维数值模拟，但由于计算量大，应缩小模 拟的范围，提高数值模拟的精确度，以便确定所要采取的防灭火手段和工程量。 煤自燃过程数值模拟的可视化输入和输出问题，约束了该技术推广应用。 为开发出相应的计算机模拟软件，需建我国矿井火灾发生条件、煤自燃关键参数、 工作面地质及开采条件数据库，实现资源共享，为软件的开发和应用提供必要信息。 对于利用数值模拟软件( 比如f l u e n t 等) 对高瓦斯矿井综放采空区自燃危险 区域判定研究的文献也不多。 1 3 本文研究内容 利用大型煤自然发火实验台，模拟潘一矿煤自燃的全过程，用计算机跟踪测定煤 西安科技大学硕士学位论文 自然发火全过程中相关参数及其变化规律，对煤自然发火三个关键特性参数放热强度、 耗氧速度和煤自燃最短发火期进行实验测定。 利用数值传热学、流体力学等学科相关知识建立采空区漏风松散体空隙分布方 程、采空区不同深度的渗透系数方程、采空区深度对耗氧速度的影响函数方程、工作面 进风侧采空区和回风侧采空区压力分布方程，结合采空区渗流及扩散数学模型，建立综 放采空区抽放条件下自然发火预测模型；利用c f d 计算软件f l u e n t 数值模拟2 3 2 2 ( 3 ) 采空区漏风规律，利用数值模拟结果对该采空区自燃危险区域进行划分。 利用潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面现场观测结果，当抽放管道进入采空区1 0 、2 0 、3 0 、 4 0 m 时，分别对2 3 2 2 ( 3 ) 采空区抽放条件下自燃危险区域进行静态划分，研究抽放管 道的动态移动对采空区自燃危险区域变化规律的动态分布影响，验证所建立的数学模型 的可靠性。 1 4 研究方法及技术路线 论文主要思路是在目前的煤自然发火机理、自然发火预测、自燃危险区域判定及数 值模拟研究现状的基础上，利用相关学科知识，建立综放采空区抽放条件下自然发火预 测模型，通过实验测定煤层自然发火相关特性参数，利用数值模拟软件模拟抽放条件下 综放采空区漏风规律。其次，根据现场观测，对综放采空区抽放条件下采空区自燃危险 区域进行静态划分，研究瓦斯抽放管道的动态移动对采空区自燃区域动态分布的影响， 验证所建立数学模型及数值模拟结果的可靠性。本论文采用的技术路线如图1 1 所示。 1 绪论 图1 1本文采取的技术路线 9 西安科技大学硕士学位论文 2 潘一矿煤自燃极限特性参数实验测定 利用2 0 0 5 年西安科技大学新建的用计算机监控的煤自然发火实验台，对潘一矿煤 层自燃特性关键参数进行测试，测出潘一矿煤的放热强度、耗氧速度和煤层最短自然发 火期三个关键参数，为准确预测实际条件下松散煤体自燃危险区域奠定基础。 取淮南潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面煤样( 约1 5 t ) ，对煤自然发火过程进行实验模拟， 为综放采空区抽放条件下煤层自然发火提供实验基础。同时，通过煤自燃特性参数的实 验测定，为抽放采空区自然发火预测模型的建立提供基础数据。 2 1 实验原理 煤自然发火是由于煤与氧接触时发生化学吸附和化学反应放出热量，当放出热量大 于散发的热量时，煤温上升而导致自然发火。煤低温自然发火实验就是对该过程的模拟， 即在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量 以及其它气体的变化规律。 该装置模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度，以井下温度2 5 4o c 作为实验起始 温度，利用煤氧化放热引起自然升温，连续检测实验炉内各点煤样的温度、气体变化情 况，以研究煤的低温氧化放热特性，预测煤的自燃倾向性及自然发火期。 2 2 实验台结构 “x k - i i i 型”煤低温自然发火实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成，如图2 1 所 示，其实验原理如图2 2 所示。 图2 1 煤自然发火实验炉体图 l o 2 潘一矿煤自燃特性参数实验测定 炉体呈圆形，最大装煤高度 1 8 5 c m ，内径1 2 0 c m ，总装煤量约 1 8 0 0 k g ；顶、底部分别留有1 0 2 0 c m 自由空间，以保证进、出气均 匀，顶盖上留有排气口；炉壁由绝 热层和可控温夹水层组成，该水层 中装电热管及进气预热紫铜管，在 炉中心轴处同时设有取气管。炉内 布置了若干热敏电阻探头，各测点 布置如表2 1 。 气体由w m 6 型无油空气压缩 机提供，通过三通流量控制阀、浮 子流量计进入湿度控制箱，流经水 层中紫铜管预热，由炉体底部通过 碎煤，从顶盖出口排出。在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。 实验炉内温度巡检、环境温度控制和湿度控制均由工业控制机自动完成。 表2 1 实验台各测点布置表 玎c m ) 02 04 06 0备注 z ( c m p 测点号测点号测点号测点号 1 8 51 0l o1 01 0r - - 6 0 c m 处是炉 1 6 59999边，以铜丝网与 1 4 5 8888煤样交界点0 1 2 5 7777 为坐标原点； 1 0 5 6666 8 55555 6 54444 4 53333 2 52222 5llll 2 3 实验条件 煤样采自潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放工作面，2 0 0 5 年5 月1 8 日用鄂式破碎机边破碎边 装入实验炉，共装煤1 6 4 6 9 k g 。破碎后的煤样粒度分布如表2 2 。实验条件如表2 3 。 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 潘一煤样粒度筛分析结果表 粒度 频度( ) + 7 m m2 3 4 5 - 7 m m , + 5 m m 8 4 8 - 5 m m ，+ 3 m m 1 2 8 9 - 3 m m , + o 9 m m 2 0 9 5 0 9 m m3 2 2 3 注：表中“+ ”表示未通过该筛，“- ”表示通过了该筛。 表2 3 实验条件 2 4 实验结果 试验炉从2 0 0 5 年5 月1 9 日开始送入空气到2 0 0 5 年6 月2 8 日结束，煤温从2 5 4 。c 上升至3 8 5 。c ，历时4 1 天，实际发火期从起始煤温3 0 c 算起，为3 9 天。最高温度点温 度与供风时间的关系如图2 3 ，中心轴各测点温度分布与供风时间关系见图2 4 。 瑙 赠 + 实测曲线 ”。9 “ ， l 2 7 一么 - 皇少 一帮多r 7 e ! = 一 一 f 4 图2 3 煤温随时间的变化关系 0 0 o o o o o 0 0 0 o 如驼嬲从加m地0 0 2 潘一矿煤自燃特性参数实验测定 1 2 0c m 位置( d 和c m 图2 4最高温度点所在横向剖面温度与高度关系曲线 从图2 3 可以看出，潘一矿煤样在氧化初期，随着供风时间增加，煤氧化升温较慢； 供风时间超过2 9 天后，煤氧化升温开始加快，对应的煤温为8 0 c 左右( 临界温度) ；氧 化时间超过3 1 天，升温曲线急剧变陡，对应的煤温为1 2 0 c 左右( 干裂温度) 。 2 4 1 放热强度测定 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 鬈e o o 羹6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 广 | | 工 纱 2 63 2 3 6 3 94 i4 l4 64 95 l5 45 6 温度7 37 88 38 89 29 81 0 61 3 81 6 52 4 j 图2 5 放热强度与升温速度的关系 根据传热学和热力学理论及实验测试数据，可以近似求解煤样自燃过程中各温度范 围的氧化放热量。因实验风速很小，可近似认为通过混煤风流温度与煤温相同，且在炉 内仅朝一个方向流动。只考虑煤的氧化放热、传导散热和风流对流散热，忽略其它形式 的热交换，则实验条件下，炉内中心轴处的热平衡方程式为 0 o 0 0 o 0 o o 0 如 撕越酉 坫 m o 西安科技大学硕士学位论文 p e c e 等一n 。c g 瓦d t 吐( 2 窘+ 窘( t ) ( 2 1 ) 椰) 饥t 万d t + 歹氓c 。箸“( 2 窘+ 窘) ( 2 2 ) 式中，t 、t - - - 混煤温度和时间，s ； 虿通过混煤的空气漏风强度，c m 3 ( s c m 2 ) ； 力。碎煤的导热系数，j ( c m s ) ，可用下式计算 以= 刀以+ ( 1 一甩) 彳钿 m = 1 2 x 1 0 - 3 ( j c m s - 1 ) ，以= 2 6 5 x 1 0 _ 4 ( ，c 所s _ 1 ) ； n 空隙率； 丫，z 径向、纵向坐标，c m ； p 。，c 。，p g ，c g 分别表示碎煤与空气的密度、比热容，g c m 3 ，j ( g ) ； c 。= c 窖+ ( 1 一n ) c 。 c 。= 1 5 3 ( ，g 。1 ) ，c g = 1 0 0 3 5 ( ，g 一1 ) ，p g = 1 2 9 3 1 0 3g c m 3 q ( t ) 温度t 时的单位时间和单位体积发热量( 即放热强度) ，j ( c m 3 s ) 。 把上式化成差分方程，即： 帆 石a t + 了a p e c e 等等h 【4 黯+ 等等】 ( 2 3 ) 式中i 表示纵向点号，i = 0 ，1 ，2 ，l o ： j 表示径向点号，j = o ，1 ，2 ； q 流量( c m 3 s ) ； s 炉体内截面积。 将实验实测值代入上式，即得不同温度和氧浓度时的放热强度q ( t ) 。 特定温度下，发热量与氧气浓度成正比，则换算为新鲜空气中的放热强度为 9 0 ( 耻锗g ( r ) ( 2 4 ) 式中【0 2 0 新鲜空气时的氧浓度，为2 1 ； 0 2 实测氧浓度；q 0 ( t ) 放热强度 较正值。 2 4 2 耗氧速度测定 混煤内各点氧气浓度的变化主要与对流( 空气流动) 、扩散( 分子扩散和紊流扩散) 和 煤氧作用耗氧等因素有关。因此，混煤堆内氧气浓度分布的对流扩散方程为： 1 4 2 潘一矿煤自燃特性参数实验测定 石d c = d i v ( d g r a d ( c ) ) 一d v ( 扯c ) + 矿。：( 7 ) ，n ( 2 5 ) 刃 、7 式中d 氧气在碎煤中的扩散系数； u 风流在空隙中平均流速，“= 毒； v 0 2 ( t ) 耗氧速度，m o l ( c m 3 s ) 。 本实验条件下，由于漏风强度较小，且主要沿中心轴方向流动，因此，可仅考虑煤 体内轴线方向上氧浓度分布方程： 丝d t = 砉【d ( 鲁) 】- 等+ v o ：( 驯以 ( 2 6 ) 所以耗氧速度为： ：( r ) 玎= 等+ 1 0 ( u r c ) 一丢( 。等) ( 2 7 )。 优。己。己。己 根据实验炉内各测点的氧浓度和漏风强度，假设风流仅做轴向流动且流速恒定，忽 略氧在混煤中的扩散和氧浓度随时间的变化率，且微小单元内煤温均匀，则耗氧速度为： v o ( 7 ) 刀= “万d c ( 2 8 ) 式中， d z 气体流经微元体的距离，c m ； 由化学动力学和化学平衡理论有： ( 丁) = 段c ( 2 9 ) 式中c 一氧气浓度： k 化学反应常数。 根据阿累尼乌斯定律： k 2 硒e x p ( 一寺) ( 2 1 0 ) 式中k o 一频率因子； r 一通用气体常数： e 活化能； t 绝对温度。 耗氧速度与氧气浓度成正比，因此，在新鲜空气中耗氧速度为： 矿曼( 7 ) = 詈v d ：( 7 ) ( 2 1 1 ) 则中心轴处任意两点( z l 和z 2 ) 间的耗氧量： 西安科技大学硕士学位论文 犯一呓( d 刀苦詈出 ( 2 1 2 ) 温度一定时，呓( 丁) 与c o 是常数，积分式( 2 1 2 ) ，则： 孵= 一筹弘 坪m ， 即，= 老。h 杀 亿 根据上式及实验数据计算出，在新鲜空气下，煤样在不同温度下的耗氧速度见上表， 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 瑙1 0 0 0 替8 0 0 耀6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 j 乃 汐 一一蔗 舻p 令溘摩毋pp 移扩 图2 6 耗氧速度与温度关系曲线 从图2 6 可以看出，煤温在临界温度8 0 c 以下时，煤样的耗氧速度增