（安全技术及工程专业论文）基于温度场法的采空区火源定位技术研究.pdf

基丁温度场法的采空区火源定能技术研究 a b s t r a c t t h ea r t i c l ed e s i g n se x p e r i m e n t a ld e v i c eo ft e s t i n gl o o s ec o a lt h r o u 【g h a d o p t i n gg e n e r a l h o tw i r em e t h o d ( p a r a l l e l ) t h e o r yi ni n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o n ，a n dt e s t sr e p e a t a b i l i t yd i f f e r e n tp a r t i c u l a r s i z e sa n d w a t e rp a r t i a lc o a li nt h et h i r t e e n t hs e a mc o a lo fh u a i n a nx i e q i a om i n e b a s e do nt h et h e o r i e so fn u m e r i c a lh e a ta n dm a s st r a n s f e r ，f l u i d d y n a m i c si np o r o u sm e d i u m ，c o m p u t a t i o n a lm a t h e m a t i c sa n ds oo n ，t h e m a t h e m a t i c sm o d e l sa r es e tu p ，a n ds t e a d ya n du n s t e a d ys t a t ea r e s i m u l a t e di nt h ep o s i t i o no fp o s s i b l yc o m i n gi n t ob e i n gf i r es o u r c ei n e x c a v a t ec o a la r e a a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep o s i t i o no f f i r es o u r c ea n dt h ep o s i t i o no ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei nt h ew a l lo f r e t u r na i r w a yh a v eav e r ys m a l lc h a n g ew i t ht h ei n c r e a s eo fo x i d a t i o n t i m ea n df i r es o u r c et e m p e r a t u r e t h ef u n c t i o nr e l a t i o no ft h e mc a nb e g e t u t i l i z i n g t h el i n e a rr e g r e s s i o np r i n c i p l ei n s t a t i s t i c s f i n a l l y , a c o n c l u s i o ni sg o t t e nt h a tt h et e c h n o l o g yo fa p p l y i n gt e m p e r a t u r ef i e l d m e t h o dt oo b t a i nt h ep o s i t i o no ff i r es o u r c ei ne x c a v a t ec o a la r e ai s f e a s i b l e ，a n ds h o w i n gs o m eb r i e fm e a s u r e sa b o u tt h em e t h o d k e y w o r d s ：e x c a v a t e c o a l a r e a ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f i r es o u r c e ， o r i e n t a t i o n i 】 y 7 7 6 7 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞擞堡兰盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 ) 学位论文作者签名：鲫弓签字日期：勿饵土月仍日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠹徵堡三太堂 有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期f q 论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王 大学可以将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、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：傀乃乞 翩签名：御嗍 签字日期：谚，年歹月坞 签字日期：呱期“自 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 1 引言 1 1 课题的背景和意义 目前，国内外经过大量的事实研究表明，煤矿井下绝大多数的自燃发火都 是发生在回采工作面的采空区内或相邻的老空内，由于火源位置无法接近，往 往无法确定火源的实际位置，正是由于采空区火源点的无法接近性和隐蔽性， 防火工作往往带来了很大的盲目性，一些有效的防灭火措施不能够发挥应有的 作用，显然，合理、精确、可靠地查明采空区火源位置，不仅能够减少灭火的 费用，而且能够缩短救灾时间，因此研究采空区火源点的空间分布具有重要的 理论和实践意义。虽然目前有很多的专家及学者把计算机数值模拟运用到预防 采空区遗煤自燃中来，直观的通过正向模拟温度场，根据其解算结果中的高温 位胃来判定火源的位置，其原理主要是利用通风网络理论和有限元法等来进行 离散模拟。当采场处于某个特定的遗煤自燃环境条件下，采空区内部的火源位 置一般是比较固定的，但是采场遗煤自燃环境是极其复杂的，随着时间的增长， 即使是同一采空区，也会出现不周的遗煤自燃环境，所以采空区的火源位置也 会是不同的。正向模拟不可能考虑到所有可能的遗煤自燃环境。因此单纯的从 正向来模拟具有一定的局限性。当采空区内部某处存在火源时，其周围肯定存 在一个与之相应的温度场。本论文主要在此背景下，基于温度场方法，模拟出 不同位置存在火源时的温度场。从而可以根据温度场的壁面最高温度位置来计 算出火源的具体位置，这将为采空区遗煤中合理经济的布置温度传感器、通过 检测煤温来准确的判断采空区火源的空间位置提供熏要的参考价值。 1 2 煤炭自燃的原因及其危害性” 煤炭自燃灾害历来是煤矿安全生产的主要灾害之一。关于煤炭自燃起因和 过程，人们在1 7 世纪即开始了探索研究，但迄今仍然未能得到圆满的解释。各 国学者发表了各种学说以解释煤炭自燃的起因，其中主要有黄铁矿导因、细菌 导因、酚聂基导因、煤氧复合导因等学说，这些学说中煤氧复合作用学说孕譬到 了大多数学者的赞同。煤氧复合作用学说是从1 8 7 0 年开始的，1 8 7 0 年瑞克持 ( r a c h t a n ，h ) 经实验得出：一昼夜每克煤的吸氧量为o 1 0 5 m l ，而褐煤为 0 1 2 m ! 。1 9 4 5 年姜内斯( j o n e s ，e r ) 提出：常温下烟煤在空气中的吸氧量可 达0 4 m l g 。该结果与1 9 4 1 年美国学者约荷( y o b e ，g r ) 对美国伊利诺斯煤 罔的煤样试验结果相近。2 0 世纪6 0 年代，抚顺煤研所通过大量煤样分析，确定： l o o g 煤样在3 0 的条件下经9 6 h ，吸氧量小于2 0 0 m l 时属于不自燃的煤；超过 3 0 0 m l 时属于易自燃的煤。这也说明，在低温时，煤的吸氧量愈大，愈易自燃。 1 9 5 1 年，前苏联学者维索沃夫斯基等提出：煤的自燃正是氧化过程自身加速的 最后阶段，但并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在常温条件下，稳定、 基r 渝度场法的采空区火源定位技术研究 绝热、氧化过程能自身加速的j 能导致自燃。这种氧化反应的特点是分子的基 链反应：即每一个参加反应的团粒或者说在链上的原予团首先产生。个或多个 新的活化团粒( 活化链) ，然后，又引起相邻团粒活化并参加反应。这个过程在 低温条件下，从开始要持续地进行一段时间，即通常所称的“煤的自燃潜伏期”。 他们通过实验还发现，烟煤低温氧化后着火点降低，活化度提高，易于点燃。 低温氧化过程的持续发展使得反应过程的自身加速作用增大，若最终生成的热 量不能及时散发就会进入自热阶段。煤氧复合作用学说得到大多数学者的赞 同，因为煤自燃的主要参与物一个是煤，一个是氧，煤对氧的吸附是经实验考 察得到证实的。表面的吸附即所谓的物理吸附虽然产生的热量微不足道，然而 化学吸附以及与其相伴随的煤氧化学反应则可以放出相当多的热量。 煤自燃的最终参与物主要是煤和氧，煤对氧的吸附和氧化反应已经实验考 察得到证实，因此，煤氧复合是煤自燃的最普遍的规律。引起煤自燃的根本原 因是煤岩体与某些物质的作用产生热量，这些热量使煤体温度升高而促进氧化 反应最终导致自燃。煤岩并非一个均质体，它含有多种成分的有机和无机物质， 其化学结构、物理性质、煤岩组分各产地部有很大差别：不同的煤岩其氧化 性和放热性亦不同。煤自燃的过程非常复杂，表现为有些条件下煤会自燃，丽 另一些条件下煤不会自燃。放热效应是煤体升温引起自燃的主要因素。能够引 起煤岩放热的主要因素有：破碎煤岩的外表面积和微孔隙对瓦斯和氧的吸附解 吸热，煤的有机质及某些无机矿物质与氧产生的反应热，水对煤及含硫矿物质 的水解热、润湿热以及汽化潜热。煤与氧的复合作用包括物理吸附、化学吸附 和化学反应，物理吸附产生的热量微不足道，化学吸附和化学反应则可以放出 相当多的热量。这些热量在一定条件下得以积聚，可使煤体温度上升，会促进 煤自燃过程。 引起煤自燃的最初导因在不同条件下是不同的，但不管是哪种导因，都 含有煤与氧复合产生热量的成分，并是，煤最终自燃过程的自动加速发展主要 是煤氧复合作用的结果。根据专家们多年来的实验研究得知：任何一种煤都存 在煤氧复合放出热量的属性，只是不同的煤其煤氧复合能力和产生热量能力差 别较大。煤氧复合过程中能否引起自燃取决于煤体的放热和散热当热量产生 速率大于散发速率时，煤温上升就会引起自燃：也可以说，任何一种煤都存在 煤氧复合产生热量的属性即都存在自燃发火的属性，但能否发生自燃则取决 于煤氧复合过程中的放热强度和环境散热强度。 我国煤矿自燃发火非常严重，有5 6 的煤矿存在自燃发火问题，而我国统 配和重点煤矿中具有自燃发火危险的矿井约占4 7 ，中国国有重点煤矿和国有 地方煤矿中煤炭自燃火灾次数占矿井火灾总次数的9 4 ，其中采空区的自燃火灾 次数占总火灾次数的6 0 。在1 9 8 4 年静的3 2 年内，我国煤矿矿井共发火1 0 2 9 6 次，1 9 8 5 1 9 9 0 年问西万吨发火率为o l7 6 次。我国在8 0 年代仅统配煤矿就 基丁温度场法的采空区火游定1 ：i ) = 技术研究 发生l o 多起重大胶带输送机火灾，造成2 0 0 多人死亡和上亿元的经济损失。 进入9 0 年代后，矿井生产逐步向高产高效集约化发展，其火灾发生的严重性 和危害性也随之升级。1 9 9 0 年小恒山矿因胶带火灾死亡8 0 人，伤2 3 人，直 接经济损失5 6 7 万元。1 9 9 5 年1 2 月，大屯煤电公司姚桥矿一4 0 0m 水平东翼 胶带输送机大巷发生特大胶带输送机火灾事故，烧毁胶带85 0 0m ，造成2 7 人 死亡，事故波及一4 0 0m 大巷及三个采区，并引燃煤仓及巷道顶部煤体多处， 直接经济损失达到1 3 0 余万元。在矿井救灾过程中，因密闭不及时、密闭范围 过大，控制火势时阃较长，和快速密闭无法实现延时自动密闭，引起二次事故 发生的事例也不胜枚举。造成这些事故及损失的主要原因是我国煤矿整体防灭 火技术水平和装备能力与生产发展不相适应。 13 目前防止煤炭自燃研究发展现状 通过对近十年来的文献检索，可知：我国对防止煤炭自燃技术研究上已经 有了一定发展。传统的防止煤炭自燃火灾的指导思想主要是单纯的强调狭隘的 “预防”，在防火中虽然投入了大量的人力、物力及财力，但由于其行为具有麻 木性和缺少针对性，因此其效果并不令人满意。矿井百力- 吨发火率逐年有所下 降，但与煤炭丌采技术先进的国家相比，仍存在较大差距，严重地威胁着矿井 的安全生产。如1 9 9 8 年自燃发火率为0 2 次m r ，有火区2 8 8 处，冻结煤量6 7 0 3 m t 。 目前，我国众多专家学者深入研究煤炭自燃理论，总结过去的防火的经验 教训、借鉴国内外先进技术，改变传统的狭隘预防观念，建立并实簏新的煤炭 自燃综合防治理论体系，使矿井防火体系更加的完善，目标更加明确，措施更 加具有针对性，增强了矿井先天性防火抗灾能力。这是改变我国矿井防火局面 的关键。 新的防火理论体系首先是防止自燃火灾发生，其次是防止已形成的火灾扩 大，最大限度地减少火灾损失。其主要由：预测、预防、预报和火灾应惫处理 四道防线所构成。四道防线是相互联系的有机整体。预测是防止自燃火灾的第 一道防线，即采用科学的方法、已有的知识和成熟的经验，通过实验室实验和 现场调研分析，在煤层开采之前预测其自燃危险程度以及可能产生火源时问和 空间位置，为有针对性的预防提供科学依据。因此，准确的预测可大大降低防 火的盲目性，使防火行为具有针对性，提高防火效益。预测的主要内容大体包 括：确定煤层自燃发火危险程度，预测自燃火源的空脚分布，预测自燃火源的 时问分布。预报是第二道防线，它是建立在预测的基础上。根据预测结果，针 对有自燃发火危险性区域采取丌采技术、通风安全和专项防火措施，破坏引起 煤炭自燃发火条件中的个或多个，达到防止自燃火灾发生的目的。预报是矗： 预防失效后，煤炭自燃处于萌芽状念，即产生了高温点。利用先进的仪器设备、 基丁澡度场法的采空区火源定位技术研究 检测监控技术，检测自燃火源产生的物理和化学现象，及时发出报警，以便让 人们及时采取措施，将处于萌芽状态高温点和自燃火源给予处理和消除，防1 1 火灾形成或扩大，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。火灾应急处理是最后 一道防线。在预防和预报都失效后及时而迅速地采取有效的灭火措施，达到 抑制火灾规模扩大，减少火灾损失的目的。预测是基础，预防是中心，预报可 以弥补预防之不足，充分的灭火准备可大大减少火灾损失。从以上看来，要有 一个正确的预防。准确的预测是至关重要的，它直接影响着预防的质量。 14 国内外采空区火源定位和探测技术研究现状“” 煤的自燃发火，9 5 以上在采空区并为人们不能直视或到达的地点。采空区 自燃发火初期，一般温度为( 3 0 04 0 0 ) ，范围仅几平方米。由于井下地质条件 及采空区等处特殊条件的限制，迄今，各种探测原理的仪器均难以准确、快速的 确定这种隐蔽火源的位置和范围，也就难以采取灭火措旌，只能用大包围的办法 灭火，消耗大量人力、物力，还难以奏效。所以，井下煤炭自燃高温火源定位问 题，是防治煤炭皂燃火灾急待解决的重大技术难题之一。国内外许多学者为攻 克此难题进行了长期的基础理论研究和科学试验。由于问题复杂、影响因素多， 加之探测技术手段落后，虽然研究都取得一定的进展，但至今尚未得到圆满的 解决。煤在低温氧化温升的过程中所伴生的物理化学效应，以及引起围岩电磁 等特性的变化是火源定位理论基础，采用先进的仪器设备探测各种物理场的异 常，则是实现火源定位的主要手段。火源定位技术主要是通过采集火源在形成 和发展过程中引起煤炭及其围岩物理化学性质变化的信息，经过分析研究，确 定之。目前，根据检测原理，大致分为以下几类方法： 一、温度探测法 l 、温度直接探测法 该方法是在地面或井下向采空区可能发生自燃的地方打钻，在钻孔中安设 温度探测器，根据测定的最高温度点来确定火源位置。 2 、红外成像测试温度法 浚方法是通过红外成像技术测试温度的三维空间变化规律，准确定位火源 点，或者通过测定煤体暴露面的热辐射强度来确定火源点。 3 、预埋温度探头测温法 该方法的原理是：在工作面回采过程中，在采空区内按一定的走向、倾斜方 向问距砩网，每一网格节上预埋温度探头，由于所埋温度探头有电池及无线 电信号发射装置，故在其所在位置处的温度达到预先设定的温度报警点时，向 外发射特定的无线电信号并被安设于采区内的无线电接收装置接收，根据接收 到的信号判断具体节点号，从而确定出火源点的位置。 二、气体探测法 基丁温度场法的采空医火源定位技术研究 l 、钻孔测气法 为了确定采空区内自燃火源的位置，在地表附近层中打一系列钻孔，并测量 孔中各可燃性火灾气体( 如c o 、h 2 等) 浓度的总和。因火灾气体分子的扩散作用， 向外扩散的气流使钻孔中火灾气体浓度总和增加。通过测量火灾气体浓度总和 的变化，就可确定出附近层中火灾气体浓度异常的范围，所确定的范围垂直对应 的采空区位置即为采空区内火源点的位置。 2 、测氡法 测氡法是根据随着温度的升高氡的析出量逐渐增大的原理而提出的。自然 界及煤岩地层中，均含有天然放射性系列元素铀、钍及锕铀等。这些元素的半衰 期均很长，在其衰变过程中，可衰变成其子元素一一射气元素氡，同时放出n 射 线，通过测量a 粒子的浓度，即可测定相应的氡气浓度值。由于地层岩性及地质 构造不同，在同一地区不同岩层或同一岩层的不同层位，放射性元素的含量办大 有差异，其衰变产物从地下向上迁移的浓度及速率也大不一样。当地下存在热 源时，由于地下火区所产生的温度、灞度、压力等的变化，氡及其同位素向上 迁移的速率，均比地质条件相近、地下无热源时氡及其同位素迁移速率快。所以， 采空区自燃区顶部的氡气浓度均高于无热源区的氡气浓度。采取合适的方法测 量氡气浓度变化，确定出异常变化区域，就可定出地下采空区火源的位置。 三、磁力探测法 l 、人工磁场探测法 该方法的原理为：在开采有自燃倾向的煤层时，用气体或液体向采空区输入 预先磁化好的铁磁性物质，随后就用安装在采空区上方的沿地表移动的测量装 置，测量磁场强度值。若有自燃火源时，位于火源点处的铁磁物质，在温度上升的 情况下，其磁化率也急剧上升，相应磁场强度增大。当达到其居罩点时，其磁化 率消失，相应的磁场强度为零。所以，通过地面移动式测量仪器测定磁异常变化 区域，就可确定采空区火源点的位置。 2 、天然磁场探测法 该方法的原理与人工磁场测定法相似，只是铁磁性物质不是以人工方式向 采空区靠，而是铁磁性物质本身存在于煤层或顶、底板岩层中。显然，这一方 法只有在煤层或顶、底板岩层中存在铁磁性物质时才能使用。 四、电磁波探测法 该方法在原西德、法国、原苏联等作过研究。其原理是：通过研究采空区内 垮落岩石和空气这两相介质构成的特殊性以及电磁波在这种特定条件下的传递 及吸收的规律，包括在发生自燃火灾时的传递及吸收的规律，从而确定火源位 置。 五、电阻探测法 该方法原理是：以电极探测火源高温引起煤层顶、底板岩层电阻值变化确定 基丁- 温度场法的采，空区火源定位技术研究 火源位置。 六、计算机模拟法 该方法的原理是：根据空气动力学、热力学、数值传热学、多孔介质等理论 建立滤流场、氧浓度场和温度场的数学模型，并测试采空区内部与火源定位有 关的参数，如漏风量、温度、氧气浓度等，以这些参数为边界条件柬进行数值 模拟，从而确定出自燃火源的时问和空l 甘j 分布规律。 通过研究以上6 种采空区火源位置探测方法的原理可知，每种方法均存在 不同的优、缺点。对于测温法，就其原理讲，它是最直接且最可靠的，具有定 位准确的优点。因此，目前在世界各国采用得最多。但无论是直接测温还是间 接测温，其工作量都很大且测定时间长。特别是采空区预埋温度探头法，由于 要预先埋设大量探头，才能准确地圈定出火源点，因此，除存在工作量较大、测 定时间长外还有投资大的缺点，而且还不排除误报的可能。气体探测法、磁力 探测法、电阻法、电磁波探测法等，均是间接探测法，即在探测火源时，不象温 度探测法那样直接接触火源，而是在离火源较远的地方，通过测定气体成份变 化、磁场强度变化以及电参数( 电阻、电磁波频率) 的变化，从而确定火源位置。 因此，具有工作量小、测定时间短、投资少等优点，但又具有探测误差大的致俞 弱点。如气体探测法，由于所需测试的放射性元素的含量及c o 、h 2 含量均是微 量级的，且受许多因素的影响，故不易测准，从而不能准确定位火源位置。该 法探测能力能达探测深度 8 7 后煤的导 电率急剧增加。图2 一卜3 中的虚线是未干燥( 含自然水分) 粉煤试样的导电率与 煤化度的关系。烟煤在常温下电阻率较大，但随着干馏温度的提高，其电阻率 显著降低，据此特性可确定火区范围。 c d 。， 幽2 - 1 ，3煤的导电率与煤化度的关 7 n 8 0 c d a f 9 0 1 0 0 幽2 - 1 4 煤的介电常数与煤化度的天 2 、煤的介电常数 煤的介电常数与煤化度的关系如图2 一卜4 所示，当c d i 8 7 时，值急剧增大。煤的水分对其介电常数有很大的影 响。 3 、煤的磁性质 煤中的有机质基本上是抗磁性的( 与磁场相斥) ，但由于煤中含不成对电子 或自由基以及某些共生的铁磁性矿物质存在，也表现出一定的顺磁性( 与磁场相 吸) ，在外磁场作用下能产生磁效应。对于非铁磁性物质来说，其磁化强度i ( 在 外磁场作用下的附加磁场强度) 与外磁场强度h 成正比，即i = k h 。式中k 称为 磁化率。 化学上常用比磁化率x 表示物质磁性的大小。比磁化率是在1 g s 磁场下， l g 物质所呈现的磁化率( 或称单位质量抗磁性磁化率) 。抗磁性磁化率与分了结 构，即煤化度关系密切。煤的比磁化率与煤化度的关系如图2 一卜5 所示。 1 0 基j ：湍度场法的采空隧火源定位技术研究 n n 1 nr n0 n c “ 图2 - 】一5 煤的比磁化率与煤化度的关系 2 2 松散煤体导热系数的测定 2 2 1 导热系数测定方法 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。松散煤体导热系数是研究煤炭 自燃热力学和化学动力学的一个重要参数，它的准确与否直接影响到模拟实验 的准确性，过去人们对它的计算是按照岩石导热系数的测定方法进行的，再根 据浮煤的堆积厚度或孔隙率换算成松散煤体的有效导热系数，但是由于这是间 接的推算，所以难免同真实值有比较大的误差，因此，必须寻求种更加有效 的直接地测试松散煤体的导热系数尤为重要。 测量导热系数的方法可分为两类：一类是稳态法，一类是非稳态法。在稳 态法中，待测样品内形成稳定的温度分布。在动态法中，待测样品加热端的温 度是随时间变化。由于松散煤体的导热性不是很强，所以达到温度平衡所需的 时间比较长，这样松散煤体的水分就会迁移而造成导热系数的变化，所以用非 稳态法比较合适。根据国际标准i s 0 8 8 9 4 - - 2 可知，平行热线法是动态测量材料 导热系数的一种理想方法，根据松散煤体的实际特点，实验采用平行热线法进 行对松散煤体导热系数测定。 22 2 平行热线法的原理“” 平行热线法的基本原理是测量埋在试样中的线状热源的温升，给热线输入 恒定的电流，使其产生一持续的热量，该热量传导到与热线接触的试样j ：，根捌 基丁i 温度场法的采空区火源定位技术研究 热移速度与材料特性的关系来测量材料的导热系数。平行热线法的核心部分足 热线及物质内的温度分靠。热线持续不断地发热，使得物体内部温度分伟不均 匀，引起物体内部非稳态导热，也即温度随时问变化的热传导系统。热传导问 题的解法有很多种，比如：分离变量法，热源法，拉普拉斯变换法，及数值解 法等，本论文根据松散煤体的实际情况采用了热源法进行求解，平行热线法中 的热线可以看作为固定的持续作用的热线源。假定把热线理想化，假设无限 大物体，仞始温度为常数f ，并在j = x ，y = y 处有一条无限长的热线源，时i 日j f = o 时线热源瞬间释放的热量为q o j ，则在物体中引起二维非稳态导热。及 导热的数学描述为： 兄( 筹+ = 印罢( 2 - z - 1 ) 设过余温度0 = r 一 ，则有： 。，a 2 目a 2 口、 a o ( 矿+ 矿) 2 肛瓦 又由上述线热源分布内热源的形式，其发热率为 g ，g ，_ y ) = 轨占g x ) j 一y ) j ( f ) 根据瞬时热源与初始温度分布之间的等价关系可知，瞬时线热源q 。等价于f 列 初始温度分布： f g ，_ y ) = r + 历0 - - x ) ，a ( y y )( 2 2 4 ) 式中热源强度i 为： ，：鱼 ( 2 2 5 ) 当r = 0 时，则有： 目= 1 8 ( x x ) 占( y y ) 上述方程根据狄拉克占函数计算可得： 酬= ，赢1e x 譬 酬= ，志唧卜警 基丁温度场法的采空仄火源定位技术研究 则有 o ( x ，y ，r ) b ( x , r ) 0 2 ( y ，小，石1e x p 卜虹掣f 如果线热源不是在时间f = 0 时，而是在f = r 时瞬间地释放热量，则卜式变为 令 机机y 。) _ ，酮1 唧 - 号矬产 r 2 = g x ) 2 + 一y ) 2 r 一一点( x ，y ) 与线热源的距离。 则上式可简化为 引r ) = ，酮1 唧 _ 硐r 2 ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 1 1 ) 由于上式是在f = f 时瞬间地释放的热量，丽我们要得到的持续发出的热量 的作用，所以可以把0 r 的整个时间过程分割成无数个微小的时间问隔，则持 续线热源可以看作在不同时刻瞬时线热源的集合，取r 。时刻的瞬间d r 进行分 析，该时刻的瞬时线热源在其后的段时间f r 内，将在松散煤体中引起微小 温度变化d 口。即有： 石q l 乖( r ) d r 刊一尚 持续的线热源在松散煤体中造成的温度场是0 f 时间内顺序发热的无穷多 瞬时线热源共同作用的结果，敌有： o ( r ，) ：上r 7 4 嬲 e x p 一南卜 其中线热源功率：g ，为常数，引进新变量玎。耳硼r 2 则上式变为 式中 驰，f ) = 南州吉唧( _ 玎) d 吁= 一e j ( 一石e 2 ) 一e ，卜z ) ；日g ) = r 寺e x p ( _ 1 7 p 叩= f ；e x p 卜x f p f 行 of 一、 。 称为指数积分，部分数值请参见文献 1 御中的附录7 。 ( 2 2 1 5 1 ( 2 2 1 6 ) 基，温度场法的采空区火源定付技术研究 从而可得 五= 尚e 糕肛碉岛l 石j 2 ，2 3 实验装置设计 根据平行热线法基本原理，本实验用一个有机玻璃圆筒做煤样室，外部再 套一个圆筒，中间用石棉进行绝热，底部用带基座的岩棉挚保温，用一细长镍 络加热电阻丝( 1 2 6 欧) 来进行加热作为线热源，用自制的热电偶来进行测温。 由于煤柱直径比加热电阻丝直径大的多，所以可以把煤样进似看成是具有初始 均匀温度的无限大均匀介质，其导热系数丑，热扩散系数a 等均为定值，并且 加热电阻丝看成是无限长的线热源，以煤柱轴，t 5 为原点，以加热电阻丝为z 方 向，且同z 轴重合，在半径为r 处埋设热电偶，则根据公式： 扣。硝q ”，e t ( 。r 舸2 可以求出松散煤体的导热系数( 假定为各向同性的松散煤体，导热系数为恒定) 。 其中：g ，：u ：堡，从电阻丝的电流及电压得出；r 为已知，温度臼( 尺，。) r 可从热电偶中读出后求平均。时间r 可以用秒表得出。 温度测量端 图2 2 1测量松散煤体导热系数实验装置示意削 所要用到的材料有：热电偶( 两个，分别在相同的半径距离中心对称郝 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 置) ，直径为6 0 m m ，睦度为2 0 0 m m 央层带有石棉的双层绝热圆筒( 可以是有机玻 璃) ，内置加热电阻丝的直径为2 m m 的细铜管( 作为加热所用) ，绝热挚，恒流 电源。实验装置如图2 2 一l 所示。 2 2 4 松散煤体导热系数实验结果 本实验采用了淮南谢桥煤矿1 3 煤层的煤质进行试验，测出r 不i 刊粒径下的 导热系数及在粒径为0 7 5 m m 的不同含水量的导热系数，见表2 2 一l 、2 2 2 ，并 绘制出了不同粒径及不同含水量的煤的导热系数关系，如图2 - 2 2 ，2 - 2 3 所示。 表2 - 2 一l 不同粒径煤的导热系数 l 粒径( i t ! m ) o 1 50 3o 5o 7 51 52 5 导热系数 0 2 0 9 o ，2 1 4o 2 2 50 2 3 10 2 4 602 5 ( w m s 1 ) 02 1 0 2 0l1 522 5 粒径( m r n ) 幽2 - 2 2 不同粒径与导热系数的关系 表2 - 2 2 不同水分的煤的导热系数 含水量 2 55 o1 01 52 02 5 f 导热系数 o 2 3 4o 2 4 10 2 5 60 2 7 2 0 2 7 6o 2 8 l ( w m s 1 ) 撕 虾 弘 船 毖 0 0 o 0 o 一_【_sme赫烯雌 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 0 2 5 ，一一一 = 0 2 乓 蠢0 1 5 薹0 1 0 0 5 0 o 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 含水量( ) 图2 - 2 3 不同含水量与导热系数的关系 从所测结果可以看出，谢桥矿煤的导热性能较好，比一般煤质的导热系数 偏高，可以看出在填充密度相同时干燥煤样的导热系数大体随松散煤体粒度的 增大而升高，这主要是因为粒径越细，其表面积也就越大，所以粒径之i b j 的接 触热阻也就相应增加的缘故；但是随着粒径的增大，导热系数增加的越来越小； 从不同含水量与导热系数的关系图中可以看出随煤样水分含量上升，煤的导热 系数开始上升，但上升的越趋平稳，表明有水分存在时一方面由于水的导热系 数比空气大，减小了颗粒问的热阻：另一方面水蒸汽的扩散引起了对流，当水 分趋于饱和时其运移速度变缓，因而松散煤体导热系数增加幅度变小。 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 3 采空区自燃火源的分布规律及环境特点 井下采空区火源的分布并不是一层不变的，它跟采空区内部遗煤自燃环境 有着密切的联系，不同的漏风、不同的煤质、不同的阻力分布等，火源位置的 分布肯定是不同的。当然，这并不能说明采空区的自燃火源点并不是完全的处 于随机性。根据以往的实际采空区的自燃位置的分布统计表明，它还是具有一 定的规律性，所以掌握并下采空区自燃火源点的分布规律，有利于合理地定出 采空区自燃火源的可能位黄，从而使模拟结果更符合实际。因此掌握采空医自 燃火源点的分布规律、自然火源的影响因素和采空区实际的自燃环境特点极为 重要。 3 1 井下采空区自燃火源点的分布规律 1 、有地表漏风的采空区易自燃”0 1 当煤层埋藏浅，露头下的回采区段离地表近时，煤层采出后，因地表塌陷 形成裂缝，使采场与地表发生漏风联系。由于绝大多数矿井都采用抽出式通胍， 因此与地表连接的裂隙则成为采空区漏) c l f 通道，形成二源一汇采空区，用解析 法和有限元法对二源汇采空区的易自燃风速区的范围进行计算表明，当工作 面入风量为4 7 5 m5 m i n ，漏风源风量为2 5 m 3 m i n ，采空区漏风量为1 2 0 m 3 m i n 时 采空区存在两个易鲁燃风速区，其中一个靠近工作面，随工作面移动而移动， 另一个易燃风速区呈半环形围绕漏风源，当风量变小，环形区域相应变小，它 不受工作面推进速度的影响，该区域比较稳定，因此残留煤具有持续稳定的氧 化聚热条件，是自燃发火比较严重的地方。 2 、厚煤层分层同采空区的易自燃 在同一区段内，有两个工作面同时回采时，由于上下工作面之阍含联络眼 的漏风，贝j 所以上、下分层采空区易自燃。 3 、厚煤层分层分采时上分层停采线易自燃 厚煤层分层分采采一分层时，采空区不易自燃。当下分层工作面的上、下 顺稽及开切眼贯通后，则由局部通风改为总负压通风，这时停采线是连接入风 顺槽的始端和回风顺槽的末端，处于采空区风压差最大的位置，又是持续漏胍 最长的通道。由于入、回风顺槽是在假顶下掘进，因此在顺槽内还会产生沿程 漏胍，使顶层采空区出现了漏风情况，经分析知，靠停采线一侧的流线、全风 压等值线的线间密度大，流网网孔小，说明渗流速度大。靠近回采工作面一侧 则渗漏速度低。即在上分层采空区内，从上分层停采线至下分层工作面之j 、日j 的 采空区内，漏风风速的分布是停采线一侧高工作面一侧低，呈连续变化，易自 燃风速区是靠近停采线一侧，在停采线附近出现易自燃风速区。按照类似分析 表明，无煤柱工作面区段停采线也易自燃。 4 、顺槽假顶易自燃 基丁- 温度场法的采空陋火源定位技术研究 分层丌采的顺槽布置方式不论是内错式还是垂直重叠式，的一分层顺槽废 弃f 采空区一侧后，因片帮塌落的浮煤积存于顺槽底板无法清理。当假顶下的 分层风巷中有风流通过时，少量空气沿风巷顶板的裂隙平行于风巷轴线流动， 使分层风巷的假顶内形成了易自燃风速带，少量空区随巷道风流连续稳定流动， 在假定内形成低速供氧条件，从而导致高温或自然。所以在易燃煤层的三四分 层的风巷中，巷道假顶内的自燃现象是常见的。 3 2 井下煤自燃火源的影响因素”1 井下火源形成和分布规律受煤的自燃倾向性、遗煤的几何参数及分布和漏 风的风速、漏风温度、漏风状念、煤层瓦斯含量及其涌出特性等多种因素影响。 遗煤的几何参数及分布主要有孔隙度、块度、分散度等。分散度决定其散 热面积，块度决定其氧化的表面积，孔隙度决定空气的可渗透性。分散度小、 块度和孔隙度适中、有利于氧化热积蓄，容易形成自燃火源。 漏风温度对火源形成及其位鬻有明显影响，漏风温度低，火源距漏风源距 离远。漏风温度降低会降低氧化速度，影响煤温升高。当煤温较低时这种影响 更为显著。因此，采空区的漏风源处于进风大巷附近时，冬季封闭的采空区停 采线附近不易自燃。 火源距漏风源的位置与漏风的强度( 风量和风速) 有关。漏风既提供氧化所 需要的氧气，同时又散发( 带走) 热量。因此，漏风对自燃的影响既有促进自感 发展的积极作用，又有散发热量、抑制氧化发展的消极作用。当漏风量既能保 持氧化区有较高的氧浓度，又带走较少的热量时，则即是有利氧化发展的漏风 强度。 风量对氧化的影响取决于自燃发展阶段。在自热初期，因氧化速度低，需 氧量小，生成热量亦少。风量大散热量亦大，则抑制氧化进行。煤温较高时， 氧化速度加快需风量加大。 脉动通风有利于氧化自燃的发展。脉动通风类似于“拉风箱”，通风时提供 氧气，维持氧化所必需的氧浓度；间歇时积蓄热量，利于煤温升高。 漏风风速越小，火源距漏风源越近。在高瓦斯矿井中由于瓦斯涌出，使下 风侧氧浓度降低，故火源接近于漏风源。自燃火源分布取决于遗煤分布。掘研 究，只有遗煤堆积厚度大于o 5 m 时，才有可能形成自燃火源。 地质构造带附近的遗煤易自燃。研究表明，由于构造应力的作用，煤体的 大分子结构遭到破坏，含有较多的自由基；在地质构造附近采掘进度要受到影 响，同时遗煤较多，自燃条件较为有利。 3 3 采空区遗煤自燃环境特点” 331 采空区遮煤自燃发火特点 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 综采放顶煤由于一次开采强度大，冒落空间高，一次性遗煤较多，工作面 供风量相对较大；两道顶煤放出率低，采窄区两道堆积有大量松散煤体，因而 放顶煤采煤工作面的采空区遗煤自燃危险性较大。根据综放技术的开采特点、 现场调查和观测并结合煤的自燃性实验分析，综采放顶煤工作面采空区自燃 发火主要有如下特点： 1 、回采期间存在采空区二道自燃火灾威胁。综采放顶煤丌采一一般情况下相 对以往的炮采、普采推进速度较快。但通常比一般的综采面推进速度慢。从采 空区浮煤分布情况看。由于端头支架处顶煤放出率低，留有大量遗煤，而顺槽 顶板的煤已经过长时间氧化蓄热升温，因而进入采空区后，采空区二道遗煤温 度相对其他地点有可能较高，自然发火期大为缩短， 故在推进速度较慢时，二道采空区就可能发生遗煤自燃。 2 、采空区自燃高温范围大。综放面采空区留有大量浮煤，煤氧作用热量会 逐渐积聚，一旦自燃，采空区就会蓄存有大量热能，造成周围煤( 岩) 体的湿度 办相当高，因此，综放面采空区高温范围大。 3 、采空区高温点隐蔽。媒体自燃产生的姻流颇着风流流动，高温火点逆着 风流移动，而采空区为开放式漏风，其漏风分布及规律极其复杂，很难判断采 空区高温区域。 4 、采空区自燃火灾灭火难度大。综放面采空区漏风开放、火区范围大、火 源隐蔽，而且因工作面作业空间的影响，使目前防灭火技术难以有效治理采空 区火灾。 33 2 采空区浮煤厚度 浮煤量是煤体自燃的个物质基础。对采空区遗煤自燃，人们关心的应该 是能够发生自燃的那些区域的浮煤量，而不是整个采空区的遗煤总量。 采空区大量堆积浮煤，在氧的作用下放出热量，同时热量又会通过顶底板 岩层传导散发和被风流带走。因此，在采空区大面积遗煤中只有那些浮煤有 足够厚度、煤氧化产生的热量大于散发热量的地点，才能引起煤体升温，最后 导致自燃。 采空区某一点煤体升温速度为零的先决条件是： ， 、 d v t g r a d t ) + q 蛊( t ) - d i v ( c 。p gq r ) s 0 0 3 1 ) 把采空区看成无限大平板，漏风仅从工作面向采空区后方流动，则热传导 和风流焓变是一维函数，上式化为： 0 2 巾6 叩 以等+ g 袅仃) 一即。百导o ( 3 3 训 假设煤体内温度l 均匀变化，煤体表面与岩层接触面温度层温度t ，则h 1 9 基丁温度场法的采空区火源定f i 7 ：技术研究 0 ( 3 3 3 ) 从上式中可以看出，当浮煤厚度日( l ，) h 。时，煤体氧化产生的热量就不 能累积；k 。与煤体温度瓦，和岩层温度l 有关，还与煤体放热强度弦( 瓦，) 有关。 3 3 3 采空区松散煤体孔隙率 松散煤体空隙率对自燃的影响很大空隙率不仅影响松散煤体的漏风强度， 也影响松散煤体的蓄热条件。 1 、空隙率与漏风强度关系 对于一个特定的综放工作面，其通风方式、供风量、风压分布等都基本确 定，影响漏风强度的主要因素就是松散媒体的空隙率大小。根据空隙率与漏风 量和风压梯度相互关系实验研究结果得知，漏风强度与风压梯度之比等于空隙 率的某个函数关系，即： 0 冬= k ( ”) ( 3 3 5 ) u p ； 2 、空隙率与煤体蓄热的关系 煤体在氧化放热的同时，也通过传导向周围散热，其传导散热量的大小与 导热系数密切相关，即： q # = d i v ( , z 。g r a d t )( 3 3 6 ) 其中，a ，为松散煤体的导热系数，由下式得出： 五2 i i 或丑= n 五。+ ( 1 一n k ( 3 3 7 ) _ 十- a 。，丸为空气和媒体的导热系数 n 一一孔隙率 从上式可知：丑受i q 影响很大，空隙率越大，传导散热量越小，煤体蓄热 性越好，则越容易自燃。 3 、空隙率与顶板岩性及矿压的关系 采空区漏风强度和煤体蓄热条件都与空隙率密切相关，但严格说采空k 窄隙 0 一 一一 韭。 气一取一 2 一 k 一0 一 ： 一，一矿得 k 一则 o 量盼触：娃糙 为 流 化 风 又 略 式 忽 簪户 基丁温度场法的采空区火源定位技术研究 率应分为二部分考虑：一是松散煤体的空隙率；二是垮落顶板的空隙率。松散 煤体空隙率主要影响煤体内部氧的渗透和分布、高温点的深度，垮落顶板的空 隙率主要影响煤体表面散热的快慢和漏风强度。随着工作面向前推进和时i b j 的 椎移采空区的空隙率随时发生变化。一般而占，顶板岩层越峰硬，空隙率越 大：矿压越大空隙率越小；作用时间长，空隙率就越小，反之就越大。根据静 苏联学者观测的采空区矿压分布情况如图3 3 1 所示图中曲线是在丌采深度 为1 7 4 m 、采高为2 2 m 、工作面长度为9 5 m 情况下推进到3 2 0i 1 1 处时仪器所测 结果，1 # 曲线是沿运输巷的测值，2 # 和3 # 曲线分别是距运输巷2 0m 和4 5 m 处的测值。从图中可以看出，采空区矿压随距工作面距离增大而逐渐趋于某个 定值( 大约在l o o m 左右) ，由此可推断采空区空隙率分布也有类似规律。严格而 言，工作面推进速度对空隙率也有影响，推进越快，距工作面同一距离的采空 区矿压作用时间就越短，则孔隙率相对就较大。 3 # 2 捍 f 1 拌 | | 0 2 5 5 0 7 5 1 0 02 515 017 52 0 0 l m 图3 - 3 1 采空区矿压分布图 3 ，34 采空区漏风强度 采空区存在漏风风流，给浮煤自燃提供了必要的连续的供氧条件，漏风风 流风速的大小直接影响着煤体的散热，采空区氧浓度的分前j 也取决于漏风分如。 l 、漏风强度与氧浓度分布 采空区氧浓度在一个特定区域主要受漏风强度影响。当新鲜风流渗透剑采 空区浮煤时，沿着漏风路线，随着风流流动，出于煤体对氧消耗、瓦斯稀释氧 枷 ” 如 ” 枷 目山l，山 基丁温度场法的采空区火源定能技术研究 浓度，使得风流中的氧含量逐渐降低。在特定区域，由于温度恒定时，煤对氧 的消耗速率及瓦斯释放量基本上是个定值，因此，采空区的漏风强度决定了氧 浓度的分布情况。 假定采空区内温度均匀，其它气体对漏风流中的氧浓度影响很小，可忽略 不计，氧的消耗完全由松散煤体的吸附和化学反应造成，并且采空区氧化带 与散热带交界处距工作面距离为x 。处的氧浓度为c 。，则有： ( 1 ) 、采空区氧化带内漏风强度恒定不变时，采空区漏风强度与氧浓度关系 可由下式推出： 啪唧卜等如。)