综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值模拟.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 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 V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 1 10 4 综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值模拟 何启林“2 ，王德明1 1 ．中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．安徽理工大学资源开发与工程管理系，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要；通过对影响煤炭自燃因素的分析，建立了采空区内遗煤自燃过程数学模型，可随时预测不 同漏风强度和不同推进速度的条件下，采空区遗煤自然发火的危险性．在计算机上对徐庄矿 7 2 3 5 综放面采空区遗煤自燃过程中，氧化时间、工作面推进速度、遗煤厚度对煤温的影响进行了 模拟，预报了在回采过程中采空区遗煤不自燃，而撤支架过程中确可能发生煤炭自燃，预报结果 与实际相符． 关键词综放面；煤自燃；数学模型；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 fS p o n t a n e o u sC o m b u s t i o nP r o c e s s i nG o a lA r e a sb yF u l l y M e c h a n i z e da n dC a v i n gR o o fC o a l H EQ i l i n l ”．W A N GD e r u i n 9 1 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e ，C U M T ，X u z h o u J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c e sD e v e l o p m e n ta n dM a n a g e m e n tE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o b g y ，H u a i n a n ，A n h u i2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e dO nt h es t u d yo fm a i nf a c t o r so fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，am a t h e m a t i c a l m o d e lf o rt h ep r o c e s so fc o a ls e l f h e a t i n gi nm i n ew a sp u tf o r w a r d ．T h i sm o d e lc a nb eu s e dt o p r e d m tt h ep o a s i b i h t yo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni nv a r i e t yf a c t o r s ．T h ei n f l u e n c eo fo x i d a t i o n t i m e ，a d v a n c es p e e do fw o r k i n gf a c e ，t h i n e k n e s so fl o s ec o a lo nc o a lt e m p e r a t u r ew a ss i m u l a t e di n t h ep r o c e s so ft h ec o m b u s t i o no fl o s ec o a li nt h eg o a fo fc o a lf a c e72 3 5i nX u z h u a n gC o a lM i n eb y c o m p u t e r ．T h es i t u a t i o nt h a tt h el o s ee o a li ng o a fi nt h em i n i n gp r o c e s sd i dn o tc o m b u s ta n di t m a y b ec o m b u s ti nt h ep r o c e s so fr e m o v i n gs u p p o r tf r a m ew a sp r e d i c t e d ．T h ep r e d i c t e dr e s u l ti si n a c c o r dw i t ha c t u a ls t a t e ． K e yw o r d s f u l l y m e c h a n i z e da n dc a v i n gr o o fc 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 nI m a t h e m a t i c a l m o d e l ；n u m e r i c a ls in u l a t i o n 近2 0 年以来，随着我国特厚煤层综采放顶煤 技术的试验和推广，煤炭产量和效益大幅度提高， 采面单产可达1 0 0 万t ／a 以上．综放面具有高产、 高效和低耗等优点．但由于综采放顶煤技术一次采 全高，开采强度大，端头支架处顶煤放出率低 有的 不放 ，采空区遗煤较多，以及遇断层难通过等因 素，使煤层发火几率增高，矿井自燃火灾事故增多． 目前我国对煤层自然发火的预测预报是采用 监测系统和人工巡监进行实时测定，这种方法预报 的前提是煤有自燃征兆或已经发生自燃，往往具有 滞后性，不能满足高度集中的综采放顶煤开采对保 障安全生产系统的需要．因此，合理选择煤炭自燃 的因素，建立采空区遗煤的自燃过程数值数学模 型，随时预测采空区遣煤氧化情况，以确定采空区 收穑日期I2 0 0 3 0 3 3 1 基盒项目t 国家重点基础研究专项经费项目 2 0 0 1 C B 4 0 9 6 0 1 0 2 作者简介，何启林 1 9 6 3 一 ，男，安徽省无为县人，安徽理工大学副教授，中国矿业大学博士研究生，从事煤矿安全方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 遗煤的发火危险程度、白燃发火期及发火位置，为 综放面的安全回采提供了有力手段． 1采空区遗煤自燃过程 采空区遗煤在氧化过程中，升温速度受到下列 因素的影响1 煤的氧化放热性能；2 采空区遗 煤的堆积厚度与块度；3 采空区的漏风量；4 工 作面推进速度；5 采空区原岩温度；6 采空区空 气湿度． 随着回采工作面向前推进，采空区内漏风风 速、氧气浓度都随时间在减小，而煤温却因煤氧化 放热而升高；漏风量影响氧浓度和散热量，因而影 响煤温；而煤温的升高，增加煤的耗氧速度，使氧气 浓度减小．若遗煤周围气体环境中的氧气浓度下降 到煤氧化所需的最低氧浓度的时间小于煤温升到 燃点的时间，则不自燃，反之自燃． 2 采空区遣煤自燃过程数学模型的建立 2 ．1采空区滤流场数学模型 假设采空区的滤流场是二维稳定流场．根据流 体力学中的连续性方程、质量守衡方程可建立采空 区滤流场的数学模型“] ． 1 采空区滤流场数学模型 磐 舅_ 0 ’ 1 缸2 1 。a 扩一。’ 、1 ’ 器 势一o ， 2 缸2 a v 2 一”’ 、‘’ 式中”。，q 分别为采空区沿z ，，轴方向风速， m ／s ；p 为采空区内的空气静压，P a ． 2 边界条件 户 Ⅳ 一A Q ∈R ，R 是采空区边界，A 为k 点空气静压可实测 ， K ‘M 篆一士Q ， 规定Q 流人为正，流出为负，可实测 ， 式中埘为采空区遗煤厚度，m } n 为采空区边界上 的外法线方向；N 为采空区边界上三角形单元节 点号} K 为采空区渗透系数，m ／s } Q 为采空区边界 上三角形单元直角边的平均漏风量，m s ／m i n ． 3 求解方法 采空区滤流场的求解方法是变分有限元法嘲， 主要步骤第一步，将采空区捌分为若干矩形单元 体 解算按直角三角形单元体考虑 ，矩形单元沿煤 层走向长等于工作面推进速度“ m ／d ，沿倾斜方 向宽为1m ，沿顶底方向高为遗煤均厚M ．矩形单 元沿煤层走向顺序编号．第二步，输入风量或风压 边界条件，调用采空区滤流场解算程序算出各单元 分支的。。n 值，并作为算温度场的已知条件之一． 2 ．2 采空区遗煤温度场数学模型 假设；氧气浓度及漏风强度在正常生产期间是 处于动态稳定，煤温沿顶底板及走向二维变化；采 空区某一单元的遗煤氧化放热为采空区内单一的 点热源，同一点煤温与空气温度相同． 经过以上简化后，采空区内温度场问题变为 当采空区某单元内煤氧化放热温度升高，并向周围 单元体以导热或对流方式进行非稳态传热，求该单 元体内煤的升温过程以及主要因素对煤温的影响． 由传热学与化学动力学理论，可建立采空区任一单 元体内遗煤氧化升温的的温度场数学模型． 1 采空区遗煤温度场数学模型 对采空区某氧化放热的高温点应用传热学理 论[ “，得下列导热微分方程 甜 f 扩口孑目铲口1，、 i 。“l 舀 哥 孬』． ‘3 j 对采空区三角形单元体用能量守恒定律，得下 列热量传导方程 q m L X O S 。p ． S k n 一口蚶u S n 巩 l 一巩一1 一 z ，k 以 1 - - 以一1 2 u ，k 以- 0 。 ， 4 由化学动力学与煤氧化理论得采空区遗煤的吸氧 速度与氧浓度变化规律为 “一。。，。，p f f v 麓 11 ， 5 、 c o u 时／ 由解算方法的需要，令工作面推进速度与单元体沿 轴方向长度的关系式为 z 。一z 。一1 一“， 6 式 3 ～ 6 中0 为煤氧化温度，℃；≠为氧化时间， d ；a 为导温系数，m 2 ／s ；q 。为煤表面氧化放热量， J ／ m 3 ．s ，用T A 一2 0 0 0 型热分析仪，以D S C 法在 设定条件下测煤的表面氧化放热的热流曲线。积分 该曲线和基线所包围的峰面积q 。一Iq i d T ；g a O 为 煤变化温度，℃；S m ，S 。分别为煤与空气的比热， k J ／ k g ℃ ； ，B 分别为煤与空气的密度， k g ／m 3 } 以为第／, ／个单元体煤的氧化温度．℃；口。为 第n 个单元体沿走向方向单位面积上的漏风风速， m ／s } z 为采空区遗煤厚度，m } ，为采空区遗煤平均 空隙率，％；“为工作面推进速度，m ／d ；岛为原岩 温度．℃编为第n 个单元体氧浓度，m o l ／m a ；y 射， 为第“ 十1 单元体的耗氧速度 实验实测 ， m o l ／ m i n r r i 3 ‰为工作面进风流中氧浓度，可 视为定值 9 ．3 7 5m o l ／m 3 ；z ．为第一个单元体距开 万方数据 第1 期何启林等综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值模拟 切眼的距离，m ；k 可用式L 一 1 ， 九 且t 计算． 九为煤导热系数，w ／ m ℃ ； 为空气导热系 数，w ／ m ℃ ． 2 初始及边界条件 以开切眼为开始边，靠工作面的单元体中的氧 气浓度等于工作面进风流的氧气浓度为C o 一9 ．3 7 5 m o l ／m 3 ，气温等于工作面温度；同一采面各处原岩 温度乳相等，靠工作面的单元体中气温等于工作 面进风温度，可实测． 3 求解方法 采空区温度场的求解是采用近似的数值方法 求解，以特定点上的数值问有限差分近似代替方程 中的偏导数Ⅲ． 甜T f ㈨．． 1 一兀m 。． 盈一出 ’ 塑一 址 ＆_ 二 皿_ 互妇_ 赴2 一 △o 2 ’ 塑一曼2 ；。二 f ＆_ 互 △e 和2 一 幻 2 ’ 幽一 血吐 ￡二 互 M ￡五＆ 如2 一 △z 2 ‘ 令△z △y m z ，将上述方程差分格式方程 代人温度数学模型中的导热偏微分方程中，可得内 部节点方程 7 和边界节点方程 8 击T r ．⋯．p 。一丁1 f ，．～．p 7 j 一1 ．～。p T r ．， 1 。p 了j l m ， m 2 T f ．。，。 1 ，p 川2 n ，m l ，p 南一4 2 m 2 T 一∥ 7 忐‰。Ⅲ 2 m B z T 一4 一麦 2 m B i 2 m 2 T f ．。．。．p 十丁j 】．⋯，p n I ．～．， T f ，。Ⅲ T L 一1 。， 2 m 2 n ，⋯“，， 8 式中丁。。。为空区遗煤某单元体节点z ，m ，n 上P 时刻的煤温，℃fF D 为傅里叶准数，无因次，F o 蠢舞；B i 为毕渥特准数，无因次，B i 一警． 采用显式差分格式，时间与空间增量是不能任 意选取的，它们必须满足下列稳定性判定条件 对于内部节点，三维直角坐标F 。≤4 2 。m Z ； 对于边界节点，三维直角坐标 n ≤石赢而1 3 应用实例 上海能源股份有限公司徐庄矿7 2 3 5 综放工作 面开采7 煤层，平均厚度为5 ．1 6m ，倾角8 ．4 ～ 2 2 ．9 。，平均1 8 ．7 。，采空区遗煤厚度约为0 ．6 5 ～ 3 ．2 6 m ，工作面平均气温约为2 9 ℃，原岩温度 4 1 ℃，工作面推进速度3 ．6m ／d ，工作面倾斜宽 1 4 0m ，其它实验数据为S 。一1 ．2 8k J ／ k g ℃ ， S 一1 ．0 0 9k J ／ k g ℃ ，七一0 ．1 3 9 8W ／ m ℃ ， 0 ．0 2 8 3w ／ m ℃ ，f 一0 ．5 2 2 ． 根据实验室和现场实测数据，应用上述的模 型，调用相应的解算程序，模拟得出采空区遗煤在 不同条件下氧化升温情况。采空区遗煤在氧气浓度 为c 。一9 ．3 7 5m o l ／m 3 环境下氧化，采空区没有漏 风，所有单元体氧化条件一样，煤的升温过程仅与 时间t 有关 理想状态 ，模拟结果见如图1 中曲线 n ，而图1 中的曲线b 是通过在采空区埋设测温探 头实测曲线o ] ． 2 5 0 p2 0 0 置1 5 0 臻1 0 0 5 0 0 2 04 06 08 01 0 0 氧化时间t ／d 图1 煤氧化温度随时间的变化 F i g ．1C h a n g eo fc o a lo x i d a t i o nt e m p e r a t u r ew i t ht i m e 由图1 知；1 煤温从2 9 ℃升至5 0 ℃，煤温实 测值比模拟值小，这主要由于采空区漏风，带走氧 化热量造成的；实测值与模拟值的升温规律性一 致，即煤处于低温氧化放热状态，放热量小，升温速 度小．2 当煤温大于5 0 ℃后，煤温的模拟值快速 上升，而实测值反而下降，这主要是温度探头装置 放置在采空区底板，回采工作面不断向前推进。顶 板淋水进入测温装置所致．3 由计算机模拟可了 解到煤温从7 0 ．1 ℃升到1 1 3 ．8 ℃，用了1 1d ，采 空区遗煤是处在自热阶段的初期，此阶段是采取措 施，防止着火的有利时机；煤温从1 1 3 ．8 ℃到燃点 2 3 0 ℃ ，用了5d ，煤快速氧化，放热量大，煤是处 在自热阶段的后期，若不能及时灭火，煤就会迅速 燃烧． 煤温从工作面温度升高到7 0 ℃所需的时间 t ，。与遗煤厚度的关系见图2 ． 鑫i li 2 0 加 6 0 8 0l o o1 2 0 1 4 01 6 0 0 0 ／d 图2 遗煤煤厚与如的关系 F i g ．2T h er e l a t i o nb e t w e e nl o s ec o a lt h i c k n e s sa n df 7 0 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 从图2 知一t 随着遗煤的厚度增加而缩短．遗 煤厚从0 ．2 m 增到2 n 3 ．，￡，。是从1 5 0 d 降到4 8d ；遗 煤厚从2 m 增到4 m ，t T o 从4 8d 降到4 1d ；说明采 空区遗煤厚小于2m 后，煤厚对煤的氧化升温速 度影响十分明显} 遗煤厚大于2m 后，遗煤的厚度 对煤氧化升温速度影响减小．由此可知，采空区内 或采空区四周留有煤柱是易发火的地点，提高回采 率是防止采空区遗煤白燃的最有效方法之一．徐庄 煤矿7 2 3 5 综放面的采空区散热带与氧化带宽度之 和约为1 2 0m ，而推进速度3 ．6m ／a ，遗煤处于氧 化带的时间小于4 0d ．因此，在工作面正常回采不 注氮的情况下，采空区不会发生遗煤自燃现象，但 工作面收作时，撤除支架约需6 0d 左右，在撤支架 过程中可能发生煤的白燃．徐庄煤矿7 2 3 5 综放面 在实际生产中，注氮系统几乎未能正常运行，回采 过程采空区未发生遗煤自燃现象，但在工作面停采 撤支架过程中 停采后第5 2d 发现支架顶煤出现 8 0 ～1 2 0 ℃高温，并放出大量C O 气体．由于事先 有准备，及时采取向顶板煤层注高分子材料和凝胶 措施，扑灭了这次煤炭自燃．说明理论预测对生产 实际有指导作用． 在徐庄煤矿正常生产条件下，采空区遗煤氧化 温度与工作面推进速度的关系的模拟结果见图3 ． 从图3 知；采空区遗煤氧化升温与工作面推进 速度成反比．当工作面推进的临界速度为口 1 _ 2m ／d ，当推进速度大于。‘时，空区遗煤不自燃， 反之自燃．徐庄矿7 2 3 5 综放面推进速度3 ．6m ／d ， 计算机模拟采空区遣煤最高温度为4 8 ℃∞，实测 值约为5 1 ℃，理论计算值与实测值基本一致，说明 理论预测有较强的可信度． 斟＼～ I ．．．．．．．．．．．．．L 。。，．．．．．．．J ．．．．．．．J ．．．．．．．．．．．，．I ．．。．。，．．．I ．．．．。．J 工作面推进速度w r a 十。 图3 煤氧化温度与推进速度关系 F l g ．3T h er e l a t i o nb e t w e e nc o a lt e m p e r a t u r e a n da d v a n c es p e e d 4 结束语 通过对影响煤炭自燃因素的分析，建立了采空 区内遗煤自燃过程数学模型，可随时预测不同漏风 强度和不同的推进速度的条件下，采空区遗煤发火 的危险性；模拟了在理想条件下氧化时间、遗煤厚 度对煤温的影响，并通过计算模拟确定了徐庄矿 7 2 3 5 综放面临界推进速度口‰一1 ．2m ／d ，对采空 区遗煤自燃危险性预测的结果基本能满足现场需 要，但由于不同煤层氧化放热性的差异，以及开采 技术条件的不同，因此，在实际应用中，应针对各个 具体的矿井，实测煤氧化放热的有关参数，合理确 定采空区的边界条件，以提高预测预报的精度． 参考文献 [ 1 ] 何启林．采空区瓦斯弼散流场研究[ J ] ．焦作工业学院 学报．1 9 9 7 3 3 6 4 0 ． C 2 ] 章本照．流体力学中的有限元方法[ M ] ．北京机械工 业出版社，1 9 8 6 ． [ 3 ] 郭宽亮．计算传热学[ M ] ．北京中国科学技术大学出 版社，1 9 8 B ． [ 4 ] D R 克罗夫特，D G 利利．传热的有限差分方程计算 [ M ] ．张风禄．译．北京科学出版社．1 9 6 3 ． [ 5 ] 何启林，郑旺来．徐庄煤矿综放采空区“三带”宽度的 确定口] ．煤矿安全，2 0 0 1 2 6 - 7 ． 责任编辑王玉浚 万方数据