煤巷高冒区松散煤体自然发火的数值模拟研究.pdf

第3 5 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．6 2 0 0 6 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yN o v ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 5 7 0 5 煤巷高冒区松散煤体自然发火的数值模拟研究 张东海1 ，杨胜强2 ，王钦方3 ，王雷2 ，罗洪森3 ，刘国忠2 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 1 2 ．中国矿业大学能源与安全工程学院， 江苏徐州2 2 1 1 1 6 } 3 ．徐州矿务集团有限公司旗山煤矿，江苏徐州 2 2 1 0 0 0 摘要巷道高冒区自燃火灾，不仅严重影响到采掘工作面的安全生产，而且威胁到矿工们的生命 安全．通过对煤巷高冒区特点和影响煤炭自燃因素的分析，根据多孔介质流体动力学、传热和传 质理论，建立了高冒区松散煤体自然发火过程三维数学模型．以旗山煤矿高冒区为例，用有限元 法进行了数值求解，得到高冒区渗流速度场、温度场和氧浓度场的分布，在此基础上划分出最易 自然发火的区域，分析了高冒区自然发火的机理．结果表明高冒区松散煤体漏风强度随孔隙率 的增大而增加；高冒区松散煤体的中部区域存在最易自然发火区，是现场防治高冒区自然发火的 重点区域．现场试验数据验证了数值模拟结果的合理性． 关键词高冒区；松散煤体；煤自燃；数值模拟 中图分类号T D7 5 2文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nt h eS p o n t a n e o u sC o m b u s t i o no f L o o s eC o a li nt h eT o p C o a lC a v i n gR e g i o no fC o a lD r i f t Z H A N G D o n g h a l l ，Y A N GS h e n g - q i a n 9 2 ，W A N GQ i n - f a n 9 3 ， W A N GL e i 2 。L U OH o n g s e n 3 ，L I UG u o z h o n 9 2 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ， J i a n g s u2 2 1 1 1 6 。C h i n a 2 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a 3 ．Q i s h a nC o a lM i n e ，X u z h o uM i n a lG r o u pL t d ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nh a z a r do f1 0 0 s ec o a li nt h et o p c o a lr e g i o nn o to n l ya f f e c tt h en o r m a lp r o d u c t i o no fw o r k i n gf a c e ，b u ta l s ot h r e a tt h es a f e t yo ft h ec o a lm i n e r s ．B a s e d o nt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o p - c o a lc a v i n gr e g i o no ft h er o a d w a ya n df a c t o r so fc o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，t h e3 一Dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fl o o s ec o a l i nt h et o p - c o a lr e g i o nw a sp r o p o s e du s i n gt h et h e o r i e so ff l u i dd y n a m i c si np o r o u sm e d i u m ，h e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r ．B yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ev e l o c i t yf i e l do fa i rl e a k a g e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nf i e l dw e r eo b t a i n e dd u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fl o o s ec o a li nt h et o p - c o a lc a v i n gr e g i o ni nQ i s h a nC o a lM i n e ．T h em o s tp o s s i b l e a r e aw h e r es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nm i g h tt a k ep l a c ew a ss p e c i f i e da n dt h em e c h a n i s mo fc o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni nt h et o p - c o a lr e g i o nw a sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r l e a k a g er a t e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep o r o s i t yo fl o o s ec o a la n dt h e r ee x i t st h em o s t p o s s i b l ec o m b u s ta r e aw h i c hi st h ek e yp l a c et op r e v e n tt h ef i r ei nt h ef i e l d s ．T h ev a l i d i t yo ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si Sv e r i f i e db yt h em e a s u r e dd a t a ． 收稿日期2 0 0 6 一0 4 1 7 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 6 6 I 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项目 2 0 0 5 c B 2 2 1 5 0 3 作者简介张东海 1 9 7 7 一 ，男，江苏省丰县人．讲师，从事矿井防灭火数值研究方面的研究． E - 删f i l y a n g s q 2 6 3 ．n e t ．a n T e l 1 3 8 5 2 4 3 7 6 2 6 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 K e yw o r d s t o p c o a lc a v i n gr e g i o n ；l o o s ec o a l ；c o a ls 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 煤体自然发火是影响矿井生产的一个重要问 题，严重威胁着矿井的安全生产[ 1 ] ．研究表明[ 2 ] 松 散煤体自燃主要取决于煤自身的氧化放热性能、供 氧条件及蓄热环境．随着煤炭科技的发展，高产高 效综采和综放开采技术得到普遍推广和应用，而综 放开采技术的巷道布置特征之一，是工作面进、回 风巷道均沿煤层地板布置，巷道四周除底板外均为 煤层，巷道在掘进过程中，由于地质变化和地质构 造的存在，往往因煤层局部变厚形成高冒区．由于 地质构造等原因，煤巷高冒区孔隙率大，漏风强度 较大，供氧充分，容易产生自燃火灾．经验证明高冒 区属于易自燃发火区域．因此研究煤巷高冒区自然 发火规律，探讨高冒区自然发火的主要影响因素， 对于现场防治高冒区自燃并采取必要的措施，具有 重要的意义． 文献[ 3 9 ] 分别从不同的角度研究了采空区 松散煤体的自然发火规律，对于高冒区的自燃发火 研究鲜有报道．本文在前人研究采空区的基础上， 综合考虑高冒区松散煤体内漏风、氧气消耗和温度 3 者之间的关系，用数值法求解3 者之间的耦合方 程，得出高冒区松散煤体的漏风状态、温度分布和 氧气浓度分布，预测高冒区自然发火位置，为高冒 区防灭火提供理论依据．同时采用现场实测数据来 验证模拟结果的合理性． 1高冒区松散煤体自然发火的数学模型 风流渗透到多孔的松散煤体中，空气中的氧和 煤分子发生物理吸附、化学吸附和化学反应，同时 产生大量的热量，在一定的蓄热条件下，煤体不断 地氧化、升温，当升温超过临界温度后，煤体继续升 温，达到煤体的着火点温度，最终导致煤体燃烧．由 于高冒区内煤体的空隙率大小不一，其漏风强度、 煤温、氧浓度分布均是空间坐标的三维函数，且随 时间发生变化．因此风流在松散煤体中的热、质传 输过程，依据能质守恒原理，可得到高冒区松散煤 体自然发火的数学模型． 1 ．1 非线性渗流场数学模型 考虑浮升力影响的高冒区松散煤体内漏风流 的非线性渗流方程为[ 1 0 ] 一- 一 一V h p o g a A T k A B y 口， 1 式中口为高冒区内风流的渗流速度，m ／s ；口为渗 流速度的模，m ／s ；V 为哈密顿算子； 为总压力，h P p o g z ，P a ；P 为漏风风压，P a ；z 为垂直坐标， m ；p o 为巷道新鲜风流气体密度，k g ／m 3 ；g 为重力 加速度，9 ．8 1m ／s 2 ；a 为气体的体积膨胀系数，口一 吉券一{ ；△T 为温差，A T T T 。，K ；T 为高冒 区松散煤体内气体的温度，K ；T o 为巷道新鲜风流 温度，K ；J D 为煤体内部渗透气体密度，k g ／m 3 ；k 为 垂直向上单位矢量；A 为线性阻力系数，A , ≈o ．o ／k ；B 为二次阻力系数，B n p D 。∥愚；u 为风流 运动粘性系数，m 2 ／s ；n 为孔隙率，无量纲，n 一1 1 ／K ，；K ，为碎胀系数，无量纲；D 。为多孔介质骨架 的平均粒径，m ；k 为渗透率，k 一1 8 0 D 。2 ，z 3 ／ 1 一 咒 2 ；卢为几何形状系数． 式 1 中p o g a A T k 项即为因煤体内温度变化 而引起的浮升力项． 由流体力学质量守恒定律，定常连续性方程为 V 口一0 ． 2 将式 1 代人式 2 ，得到 n 赢勋 V ‘ 南。g a A T k _ 0 3 第1 类边界条件在高冒区边界上给定风压值 h h o z ，Y ，z ； 第2 类边界条件在高冒区边界上给定风速值 ％ 万- - 干i 丽磊O h ，7 2 为边界法向，由于巷道新鲜气 流温度相等，故不考虑浮升力的影响． 1 ．2 温度场数学模型 高冒区松散煤体内部的自燃过程是一个放热 和散热的动态过程，只有当发热速率大于散热速率 时，才有可能使煤温上升，最终导致自然发火．由能 量守恒定律 p , C 。* 一A 。V VT 一 即。C gV 铆T g T ． 4 式中T 为煤体 渗风流 温度，K ；t 为时间变量，s ； 风为松散煤体的当量密度，k g ／m 3 ，P e P g 咒 p m 1 一竹 ；C 。为松散煤体的当量热容，J ／ k g K ，C e C g n C 。 1 一n ；J I 。为松散煤体的当量导热系数， w ／ m K ；P m 为煤体的密度，k g ／m 3 ；C m 为煤体 的比热容，J ／ k g K ；A 。为煤体的导热系数， 万方数据 第6 期张东海等煤巷高冒区松散煤体自然发火的数值模拟研究 W ／ m K ；P g 为气体密度，k g ／m 3 ；C 。为气体比热 容，J ／ k g K ；A 。为气体导热系数，W ／ m K ； g T 为松散煤体的发热强度，J ／ s m 3 ，g T 一 等q 。 T ；q o T 为煤体在新鲜风流中温度为T 时的发热强度，J ／ s m 3 ；C o 为巷道新鲜风流中 氧气的摩尔浓度，C o 9 ．3 7 5m o l ／m 3 ；C 为煤体中 某点的氧气摩尔浓度，m o l ／m 3 ． 初始条件丁I 。。一T o z ，Y ，2 ． 第1 类边界条件T1 1 “ 1 T 。；T 。为岩层的原 始温度． 第3 类边界条件一A 。警J ， h T w T g ； 式中T 。为巷道煤体表面温度，K ；T 。为巷道风流 温度，K ． 1 ．3 氯浓度场数学模型 氧气是高冒区自然发火的必要条件，高冒区氧 气的传递过程是个对流扩散和分子扩散同时作用， 并且伴随着氧气在煤体中消耗和稀释的复杂过程． 根据传质方程，氧气在高冒区的质传递模型为 筚 v ． c v ． D ．VC 一、， T ， 5 式中D 为气体弥散系数，m 2 ／s ；V T 为高冒区松 散煤体的耗氧速度，t o o l ／ m 3 s ，V T 一芋 L ／0 V 。 T ；砜 T 为煤体在新鲜风流 9 O 。 一2 10 A 中温度为丁时的耗氧速度，m o l ／ m 3 s ． 初始条件Tl 。。一T o z ，Y ，z CI 。o C o 1 一x ／L 第1 类边界条件Cn C o 第2 类边界条件五d CI ，，一o 1 ．4自然发火的三维数学模型 综上可见，综合考虑高冒区松散煤体内非线性 漏风、热质传递规律，得到高冒区松散煤体的三维 自然发火数学模型为 V 丽‰V V 耐1 。班△T i 0 P e C e 石O T A 。V V T 一即。c g V ；T q 丁 华 v ． ；c v ． D ．vc 一v T ． O t 2高冒区松散煤体自然发火方程的有限元 解法 2 ．1 有限元离散方程的建立 根据G a l e r k i n 理论‘1 1 ] ，利用G r e e n 公式和第 2 类边界条件得式 3 的G a l e r k i n 弱解积分形式 Ⅲ、， 丽1 O h 艿O h ．d V 妤A 丽- 1 d A 皿v 乏V 再1 甜。g a T r ，h d V 一0 ． 6 应用有限元技术把整个高冒区松散煤体划分 为若干四面体单元，并选择单元插值函数为 ；一 ；p i 1 ，2 ，⋯，咒 ，代人式 6 利用变分原理得 到单元矩阵，合并全部单元矩阵，得到总体矩阵 A 。。J l 。 F 。， 7 式中A 。。为扎阶整体矩阵；h 。为节点压力值构成 的列向量；F 。为整体列向量；i t ／为节点数． 对于式 4 和 5 具有相同的形式，可用其中一 个式子处理．以 5 式为例，利用G r e e n 公式和第2 类浓度边界条件，得到 5 式的G a l e r k i n 弱解积分 式为 Ⅲy 秘d V Ⅲv 兆C d V 一 Ⅲy D 孥a C d v - 0 f v V T 3 C d V o ． 8 四面体形心处的浓度可写成 C ￡ 未一C ￡ 。e 掣e i ． 9 将式 9 代人式 8 ，整理可得到总体非定常矩 阵形式 M n 。皇争 K 。C m o n ． 1 0 对时间项进行离散，式 1 0 可变成 E a t k M 。] c O n A t M 。。C K ～． 1 1 式中C I 为当前时间步长终了氧气的摩尔浓度值； 雠_ 1 为上一时间步长终了的氧气摩尔浓度值；△￡ 为时间步长． 由初始时刻浓度，即可解任一时刻的氧浓度． 同理，可求得温度分布的总体矩阵形式为 [ a t R 。 s 。] 碟 P 。A t s 。。砖～． 1 2 式中碟为当前时间步长终了的温度值；T K _ 1 为上 一时间步长终了的温度值． 由初始温度，即可求得任一时刻的温度值． 综上有限元分析结果，高冒区松散煤体自然发 火微分方程分别转化为相应的代数方程组． 2 ．2 有限元离散方程的求解步骤 由于影响高冒区松散煤体的各个因素相互影 响，并非完全独立．反映在自然发火的控制方程组 中3 个方程即漏风方程、温度分布方程和氧浓度分 布方程为一组耦合的非线性方程组，3 个变量漏 万方数据 7 6 0 中国矿业大学学报 第3 5 卷 风强度、温度和氧浓度互相制约，因此3 个方程应 联合求解，形成按时间步长一步一步的漏风强度、 温度分布和氧浓度分布结果，研究煤体的自然发火 规律． 3 应用实例 旗山煤矿一6 0 0 东翼采区高冒区煤层平均厚 度2 ．1m ，倾角1 5 。，长1 2m ，宽度2 ．4m ．高冒区数 值计算基本物性参数取值口一1 6 ．0 1 0 _ 6m 2 ／s ； p o 一1 ．1 8k g ／m 3 ；卢一1 ．5 ；D 。一0 ．0 1 4m ；p m 一 1 ．4 1 0 3k g ／m 3 ；A 。一1 ．2 1 0 - 5W ／ m K ；C 。 一1 ．5 3 k J ／ k g K ；入。一0 ．2 6 1 0 - 5 W ／ m K ；C 。一1 ．0k J ／ k g K ，T o 一3 0 ℃． 松散煤体的放热强度和耗氧速度影响因素众多，且 其值随着煤温的升高而增大m ] ，本计算过程中引 用已有的实验数据，取q 。 T 一36 1 5J ／ m 3 s ， V 。 T 0 ．0 1 13 m o l ／ m 3 s ． 计算模型及有限元网格划分见图1 ，其中单元 数8 1 2 个，节点数4 5 6 个．模拟计算结果见图2 ，3 ． 图1 高冒区计算模型和网格剖分 F i g ．1 M o d e la n dF E Mg r i d - m e s h i n g o ft h et o p c o a lc a v i n gr e g i o n 图2 高冒区松散煤体风速分布 F i g ．2V e l o c i t yc o n t o u r so fa i rf l o wi nt h el o o s ec o a lo ft h et o p - c o a lc a v i n gr e g i o n l i } 一 | | | | 一 a 温度 b c 0 2 图3温度和c 0 2 分布计算结果 F i g ．3 C o n t o u r so ft e m p e r a t u r ea n df 0 2 图2 为空隙率为0 ．2 和0 ．4 时的漏风流速分 布图，可见在空隙率为0 ．2 时，松散煤体内部漏风 风速低于0 ．1m ／m i n ，不会出现自燃[ 5 3 ；随着空隙 率的增加，松散煤体内部各处渗流速度增强，漏风 量增加，而且在高冒区内部渗流速度分布不均，沿 巷道风流方向高冒区两端下部 即风流人口和出口 处 渗流速度大，而在中部相对较小，在高冒区中部 形成一个相对稳定的微循环气流区．由煤体自燃的 理论，此处能量积聚条件好，而且有一定的漏风强 度，因此是易自然发火的地带．而在高冒区上部，由 于渗流风速非常小，不能满足自燃的条件． 由图3 知，在煤体自身氧化放热和风流散热共 同作用下，煤体氧化1 0d 后在煤体中形成温度为 5 0 ℃左右的几个微小区域；在煤体氧化3 0d 之 万方数据 第6 期张东海等煤巷高冒区松散煤体自然发火的数值模拟研究 后，煤体局部温度可以达到1 2 0 ℃左右．这与旗山 煤矿高冒区现场实验测得温度结果基本吻合 见图 4 a ．对比图4 b ，对应于温度较高的局部区域，其氧 气浓度相应的较低．这是由于在局部高温区煤的氧 p 憾 赠 化剧烈，耗氧速度较大所致．中部气流循环高温区 的c O z 为1 5 ．5 ％，这与现场气体实测分析结果 基本一致 见图4 b ． 每 量 ≤ 图4温度和c O 。 的实测变化曲线 F i g ．4 V a r i a t i o n so ft e m p e r a t u r ea n dc 0 2 综合分析漏风风流、温度和c O 。 参数值，根 据自然发火的难易程度，将高冒区划分为3 个区 域，如图5 所示．I 区域和Ⅲ区域由于自燃条件不 充分，自然发火的可能性较小；Ⅱ区域为最易自然 发火区，范围为距巷道顶部两端0 ．2r n ，中部0 ．4 m ，高度为0 ．5m 的区域．此区内的松散煤体煤氧 复合局部产生高温，在这些局部高温点附近形成气 体区域性的微循环，而且在这些高温点漏风强度适 中，供氧条件充分，造成热量不断积聚，最终煤体发 生自燃，因此是高冒区自然发火防治的关键区域． 图5高冒区“三区”分布 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no ft h et h r e ez o n e si n t h et o p - c o a lc a v i n gr e g i o n 4 结论 1 煤巷高冒区松散煤体自然发火过程是个多 因素综合作用的结果，主要取决于煤自身的氧化放 热性能、供氧条件及蓄热环境，其自然发火模型要 综合考虑松散煤体漏风状况、c O 。 和温度分布状 态，是3 者耦合作用的非线性方程组． 2 高冒区松散煤体的渗透风流流速较低．而 且在高冒区内部分布不均，在高冒区渗流人口和出 口处较大，而在中部区域相对较小．随着空隙率的 增大，漏风强度增大． 3 数值计算结果较好的预测了高冒区松散煤 体自然发火的过程，与高冒区现场实验测得数据基 本吻合． 4 综合分析漏风、c O 。 和温度3 者分布规 律可知，在高冒区松散煤体的中部区域形成最易自 然发火区，此区漏风强度适中，不仅能够满足煤体 的自燃氧化供氧量，而且漏风散热不会将氧化产热 量全部带走，形成一适宜于自燃氧化的微循环区 域，造成热量积聚，最终导致松散煤体的自燃火灾， 因此是现场防治高冒区自然发火的重点区域． 参考文献 D 3 王省身，张国枢．矿井火灾防治E M 3 ．徐州中国矿业 大学出版社，1 9 9 0 ． E 2 3 文虎，徐精彩，李莉，等．煤自燃的热量积聚过程 及影响因素分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 4 3 7 0 3 7 4 ． W E NH u ，X UJ i n g c a i ，L IL i ，e ta 1 ．A n a l y s i so fc o a l s e l f - i g n i t eh e a ta c c u m u l a t i n gp r o c e s sa n d i t se f f e c t f a c t o r E J 3 ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 0 3 ，2 8 4 3 7 0 3 7 4 ． [ 3 3丁广骧，柏发松．采空区混合气运动基本方程及其有 限元解法[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 6 ，2 5 3 2 1 2 6 ． D I N GG u a n g x i a n g ，B A IF a s o n g ．B a s i ce q u a t i o n so f m i x e d g a sm o t i o ni ng o ba n dt h e i rf i n i t ee l e m e n ts o l u t i o n E J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，2 5 3 2 1 2 6 ． 1 - 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6 5 0 F R A N K L I NB ，B E R G E R M A NM ．C u l t u r a la l g o r i t h m s ；c o n c e p t sa n de x p e r i m e n t s [ c ] ／／P r o c ．2 0 0 0 C o n g r e s so nE v o l u t i o n a r yC o m p u t a t i o n ．C a l i f o r n i a I E E EP i s c a t a w a y ，2 0 0 0 1 2 4 5 1 2 5 1 ． [ 1 0 ] P E N GB i n ，R E Y N O L D SRG ．C u l t u r ea l g o r i t h m s k n o w l e d g el e a r n i n gi nd y n a m i ce n v i r o n m e n t s [ E l ／／ P r o c ．2 0 0 4C o n g r e s sonE v o l u t i o n a r yC o m p u t a t i o n ． C h o n g q i n W o r l dS c i e n t i f i cP u b l i s h i n gC o ．P t eL t d S i n g a p o r e ，2 0 0 4 1 7 5 1 1 7 5 8 ． [ 1 1 1 赵新昱，陈文伟，牛晓丽．遗传算法和遗传规划对比 研究口] ．系统工程与电子技术．2 0 0 2 ，1 2 8 4 8 7 ． Z H A OX i n y u ，C H E NW e n - w e i 。N I UX i a o - l i ．T h e r e s e a r c ho fc o m p a r i s o nw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma n d g e n e t i cp r o g r a m m i n g [ J ] ．S y s t e m sE n g i n e e r i n ga n d E l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ，1 2 8 4 8 7 ． 责任编辑姚志昌 上接第7 6 1 页 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 崔凯，张东海，杨胜强．采空区遗煤自燃带及风流场 数值模拟[ J ] ．山东科技大学学报，2 0 0 2 ，2 1 4 8 8 9 2 ． C U IK a i ，Z H A N GD o n g h a i ，Y A N GS h e n g q i a n g ．D e t e r m i n a t i o no fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nr e g i o ni ng o b s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i r - 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