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综放工作面采空区自然发火数值模拟

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[摘要]为研究阳煤五矿综放工作面采空区停采状态下的自然发火规律,建立相关的数学模型,对自然发火工作面采空区进行数值模拟,得到了采空区各场的分布规律。模拟结果显示,自然发火工作面采空区压力场在进风侧最大,沿工作面长度逐渐减小;高氧浓度区域主要集中在工作面的进风段,沿着采空区深度逐渐减小;气体温度在回风侧进入采空区深部处为高温区域,工作面采空区自然发火的可能性最高。

[关键词]自然发火;数值模拟;采空区;气体温度场

1采空区自然发火多场耦合机理

采空区自然发火是采空区内的气体渗流速度、氧气浓度和温度三者相互耦合作用的结果[1]。Darcy定律、Fick定律与质量守恒定律分别构建了采空区流场模型和采空区氧浓度模型[2]。如果只从一个场的角度来研究采空区自然火灾,而不考虑采空区内的多场叠加作用,都无法展现采空区自然发火的全过程。只有在采空区多场耦合的基础上,将流场、氧浓度场、气体以及固体温度场建立采空区自然发火的多场耦合模型,求解后才能得出采空区自然发火过程中各场的变化规律。阳泉矿区主采15号煤层,其采煤方法以放顶煤为主,煤层回采期间采空区自然发火倾向严重。根据阳煤五矿综放工作面实际情况,采空区自然发火基本参数如下:(1)工作面长度为200m;采空区计算深度取300m。(2)采空区的遗煤厚度:现场勘测该采空区遗煤均厚为0.3m。(3)工作面进风温度:由于季节变化而引起的工作面进风温度不同,结合风温测试结果,取16℃;回风温度平均为18℃;冒落煤岩的原始温度现场测试为13.1℃;临界温度由升温氧化实验得到为130℃。(4)遗煤密度1420kg/m3,比热1150J/(kg•℃),导热系数1.275W/(m•℃);顶板密度1410kg/m3,比热1200J/(kg•℃),导热系数1.589W/(m•℃)。(5)遗煤耗氧速率u0(t):采用升温氧化实验得到的遗煤耗氧速率为:验得到的遗煤放热强度为:

2采空区自然发火模型解算结果分析

使用逐次超松弛迭代法(SOR)来求解采空区自然发火的三维离散矩阵[3]。对阳煤五矿综放工作面不同开采条件下的采空区自然发火情况进行数值模拟分析。

2.1采空区压力场分布

采空区压力场的分布如图1所示。由图1分析可知,采空区压力在进风侧最大,其值等于工作面总的通风阻力,沿工作面长度逐渐减少,在回风口处达到最小值2Pa。随着采空区深度增加,压力在逐渐减小,且压力场的分布随时间变化也比较小,几乎可以忽略。

2.2采空区氧浓度场分布

采空区内氧浓度分布直接影响遗煤的氧化放热,从而影响和制约采空区高温区域的形成与发展。采空区内氧浓度场的空间三维分布如图2所示。由图2分析可知,高氧浓度区域主要集中在工作面的进风段,沿着采空区深度逐渐减小;随着时间的增加高氧浓度分布逐渐向前移动。影响采空区氧浓度分布的主要因素是氧气的扩散和遗煤氧化反应的耗氧。

2.3采空区气体及固体温度场分布

2.3.1冒落煤岩的固体温度分布固体温度场分布规律如图3所示。由图3分析可知,采空区高温区域靠近进风侧。由于遗煤集中在底板附近,火源位置开始时靠近采空区底板,高温沿工作面长度方向、采空区深度和高度方向逐渐降低;顶板高温区较底板在采空区深部。随着时间的增加,高温区域面积逐渐扩大,并且温度持续升高,表明工作面采空区有自然发火的危险,若不及时采取措施,很有可能发生自燃。

2.3.2气体温度分布气体温度场分布规律如图4所示。由图4分析可知,空气进入采空区时温度很低,等于工作面进风温度,进入采空区后,与固体颗粒发生对流换热使自身的温度升高[4]。在漏风风速较大的区域,气体能带走大部分的遗煤所放热量,从而使得这部分遗煤的温升不会太高;在继续深入采空区后流入高温区域,由于漏风风速急剧变小,对流换热量较大,气体温度开始快速上升,然后继续向前流动而流出高温区域。从时间上看,气体温度分布与固体温度较为接近,相同时间同一个点的气体温度比固体温度低。

2.4工作推进速度的影响

采空区自然发火的主要影响因素也包括工作面的推进速度,对推进速度分别为1.2、2.4、3.6m/d时工作面采空区的自然发火情况进行数值模拟,得到了推进速度对温度分布的影响规律,如图5所示。由图5分析可知,推进速度越小,采空区温度就越高,高温区域就越靠近工作面。当推进速度为1.2m/d时,在停采15d之前采空区高温区域温度就达到120℃,已经进入了快速氧化升温阶段,若不及时采取灭火措施来抑制高温区域的遗煤氧化,则会发生自燃火灾。随着推进速度的增加,采空区温度一直降低,当推进速度达到3.6m/d时,40d才达到90℃。随着时间的增加,每种推进速度下的分布变化不大,因此停采前的推进速度对于温度升高的速度影响不大。

2.5遗煤厚度的影响

采空区自然发火的主要影响因素还包括采空区的遗煤厚度[5]。对遗煤厚度影响采空区自然发火进行模拟分析。设定的模拟厚度分别为0.3m和1.2m、推进速度为1.2m/d时,遗煤厚度对温度分布影响如图6所示。由图6分析可知,遗煤越厚,采空区温度就越高,高温区域就越靠近工作面。在正常推进速度下,15d时,遗煤厚度为1.2m时,采空区高温区域能达到200℃以上,而当遗煤厚度减至0.3m时,高温区域降至140℃左右。随着推进速度降低,遗煤厚度对自然发火的影响比重越来越大。因此,减小遗煤量是非常有效的预防自燃措施。

3结语

根据Darcy定律、Fick定律及Fourier定律构建了自然发火多场耦合数值模型,并对阳煤五矿综放工作面采空区的自然发火情况进行了数值模拟。模拟结果显示,随着时间增加自然发火工作面采空区压力场在进风侧最大,沿工作面长度逐渐减小;高氧浓度区域沿着采空区深度逐渐减小;气体温度在回风侧进入采空区深部处为高温区域,工作面采空区自然发火的可能性最高。模拟结果表明,加快原始推进速度会降低采空区的初始温度,减小遗煤量能抑制采空区温度升高的速度,从而降低遗煤自然发火的危险。

[参考文献]

[1]李云福,康怀宁,何宁.放顶煤开采采空区自然发火数值模拟的应用研究[J].华北科技学院学报,2011,8(2):12-15.

[2]秦跃平,刘伟,杨小彬,等.基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟[J].煤炭学报,2012,37(7):1177-1183.

[3]龙熙华,张雅荣,张兵,等.煤自燃温度场三维对流扩散方程的有限元解法[J].兰州理工大学学报,2014,40(6):152-155.

[4]张辛亥,邓军,文虎,等.综放采空区自然发火规律动态数值模拟[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2012,27(4):1-5.

[5]李宗翔.采空区遗煤自燃过程及其规律的数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2005,15(6):15-19.

作者:覃慧文 单位:阳泉煤业有限责任公司

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