用流场理论确定采空区火源点位置.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 反 块 工业安全与防尘 肠 口 犷 截 鼠兹 。遭 心心匀 用流场理论确定采空区火源点位置 齐庆杰 阜新矿业学院 黄伯轩 用流场理论建立了采空区气体流动及火灾气体分布的数学模型 , 用计算机模拟的方法判定采 空区火源点位置 , 得到了采空区火源点位置的分布规律 。 关键词流场计算机模拟自燃发火火源点位置判定 前言 矿井煤炭自燃发火是煤炭生产中的一大 灾害 , 它严重影响着煤矿生产 , 甚至直接威胁 工人的生命 。 大量的事实表 明 , 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 老空区内 。 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 有很大的盲目性 , 一些有效的消防设施不能 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 , 不仅能够减少灭火费用 , 而且能够缩短救灾时间 。 因此 , 研究采空区火 源点位置判断具有重要的理论和实践意义 。 采场自燃发火在形成与发展过程 中 , 有 火灾气体伴生 。为此, 我们从研究采场气体流 动规律人手 , 研究 自燃分布规律和火灾气体 流动规律 , 寻求用流场理论圈定采空区火源 点位置的方法 。 通过研究采空区火灾气体的 分布规律 , 用计算机模拟 的方法判断采空区 火源点位置 。 用流场理论判断采空区火源点的可行性 采空区气体流动状况数学模型及火灾 气体分布数学模型的建立 采空区是被陷落的岩石所充满的孔隙介 质空间 。 在该空间内 , 空间的高度与走 向 、倾 斜方向的尺寸相比 , 前者很小 。又 因采空 区气 体流动速度及粘性系数较小 , 平行于采空区 底板的各平面上的流动状况是非 常相近的 , 故采空区气体流动状况可简化为平面问题来 研究 。 空气在采空区内的平衡与运动的平面 问题数学模型为 脚一 即 翻叮 , 刃 一 , 户 在域内 在边界上 瑟了 , 一 、, , 举 二 一在边界上 一而 ’气 健 、 一 梦, 一 ‘ 一 , 式中 风压函数 犬又 , 凡 下 渗透 系数在和轴 方向的分量 月 。 边界上的已知风压函数 边界及上的给定风量 。 采空区的渗流速度可根据达西定律求 妥了 ,, 妥了 出 , 即 二 八 万二 , 夕 八汀万万 。 “儿 ‘公尹 另外 , 在同一采场区域内 , 根据 定律和质量守恒定律 , 可建立采空区火灾气 体浓度分布数学模型 葬 一 早认 几一 。 改沙 。 汉二 几 。 一 、、 ﹄﹄ 口 八卜 了 、了吸、 , 刃 一 , 刃 ,, 。 刃 、 气 七 一刀。石二 ‘ 纽 口试 式中 待求采空区浓度分布函 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 数 边界上 的已知浓度函 数 边界及上的通量 火源涌出量 几 与坐标方向有关的扩散系数 。 瓜 二氏 一 二 、 分别为纵向和横向弥散度 氏 ,, 护 。 采空区气体流动状况数学模型 的求解可采用图 解 法和有 限元法采空区 浓度分布数学模型的求解须采 用联合有限元法求解 。 下文所用的采空区气 体流动状况图就是用上述方法求得的 。 自燃发火条件与用 流场理论判断火源 点位置的可行性 煤炭自燃是极其缓慢的燃烧过程 , 通 常 无烟雾和火焰 。 特别是发生在采空区内部的 自燃发火 , 主要是借助空气成分的变化来判 断 。 对于煤炭 的自燃 , 目前比较普遍 的观点 是煤与空气中的氧相互作用 的结果 。煤、氧相 互作用形成自燃必须具备以下四个条件 有 易自燃的碎煤存在有含氧量较高的矿 内空气流经碎裂煤体空气流动速度适 中 , 使碎裂煤体有积聚氧化热的环境上 述三个条件应维持足够长的时间 。 从 自燃发火条件看 , 其中有 两个重要因 素 发火条件 、 均与采空区气体流动状况 有关 。 另外 , 火源点产生的火灾气体的流 动轨迹也是与采空区气体流动状况有关 。 因 此 , 根据涌 出位置 , 用采空区气体流动规 律尽量将火源位置圈定在最小范围内是可行 的 。 采空区火源点分布规律 为了便于判断 自燃位置 , 应 首先研究一 下不同的采场哪些地方同时具备形成自燃的 条件 , 以便一旦发生自燃时正确判定自燃位 置 。 为此 , 我们经过大量调查和计算机数值模 拟研究 , 得出了采空区火源点位置分布规律 。 有地表漏风的采空区易 自燃 当煤层埋藏浅 , 露头下的回采区段离地 表近时 , 煤层采出后 , 因地表塌陷形成裂隙 , 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风 , 因此与地表连接的 裂隙则成为向采空区漏风的通道 , 形成二源 一汇采空区 。 用解析法和有限元法对二源一 汇采空区的易 自燃风速区的范围进行计算表 明 , 当工作面人风量为 而 , 漏风源风 量为 “ 而 , 采空区漏风量为 时 , 采空区的易 自燃风速区如图中的虚线 所示 。 从图可以看出 , 采空区存在两个易燃 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 。这种 自燃在六枝、 芙蓉 、平庄等局矿都发生过。 加而 产 、 ,, ‘份了尸 口‘, , 闪 仪 子 心 淤 耐而 甲 时 俪 召 图二源一汇采空区易 自燃风速区 厚煤层分层同采空区的自燃 上分层采空区的 自燃 。 在 同一区段 内 , 有两个工作面同时回采时 , 假定上下工作 面之间仅含一个联络眼的漏风 。 由于两个工 作面顺槽的风阻不同或风量不同 , 采空区内 典型流动状况有两种 。 如图所示 , 、 分别为一二分层 工作面联络眼的人风量 盯叮分别为一 二 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 分层工作面联络眼的排风量 。 如果二分层工区后 , 风速由高变低 , 在连续变化过程 中 , 会 作面回风联络眼风阻较大 , 且时 , 一形成易 自燃风速区 。 分层工作面上隅角则是采空区风压最低点 , 当上分层 限风风窗的风阻过大 , 使 二分层的漏风量么一’一咖一咖 则流人一’时 图 , 会产生上分层向下分层漏 分层 。 ‘ 其中必一咖是二分层人风顺槽向一分风现象 。 漏风量为 一盯 必一咖 , 同样在 层采空区的漏风量咖一咖是二分层回风顺边界上了存在漏风源 , 也会产生易 自燃风速 槽向一分层采风区的漏风量 ,, 它们相当于采区 。 空区的漏风源 。 由于漏风源的风量流人采空 土 。 , ‘ ’ 补 域 。。 一图分层同采时上分层采空区气体的曲型 流动状 态 一上分层工作面一下分层采空区 下分层采空区的自燃 。 由于随工作面采空区的漏风源而位于 回风侧的联络巷就 的推进而进人采空区的联络巷的漏风现象是会成为采空区的漏风汇 。 下分层采空区的漏 难免的 , 因而位于人风侧的联络巷就会成为风可能出现下面两种流动状况图 。 图分层同采时下分层采空区的漏风状况 由图可以看出 , 下分层采场的总人风定采空区的瓦斯涌出量可以忽略不计 , 则有 由 、盯 两部分组成 , 其中 , 为工作面顺’一盯 。 当 ’时 , 采空区气 槽人风量 , ’ 是工作面后方联络巷漏人采体流动状况如图所 示 , 反 之 , 当 ’ 空区的风量回风侧的为顺槽回风量 , ’时 , 采空区气体流动状况则如图所 是工作面后方联络巷流 出采空区的风量 。 假示 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 仿前述分析方法 , 在这种采空区内 , 不仅在停采线附近出现易 自燃风速区 。 漏风源附近有易燃风速区 , 在漏风汇附近也 类似的分析表明 , 无煤柱工作面上区段 存在易燃风速区 。 停采线也易自燃 。 厚煤层分层分采时上分层停采线易 自 燃 原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 、卞顺槽及 开切 眼掘通后 , 则由局部通风改为总负压通风 。这 时停采线是连接人风顺槽的始端和回风顺槽 的未端 , 处于采空区风压差最大的位置 , 又是 持续漏风最长的通道 。 由于人 、 回风顺槽是在 假顶下掘进 , 因此在顺槽内还会产生沿程漏 风 , 使顶层采空区的漏风有图所示 的状况 。 图顶分层停采线与采 空区的漏风状况 一人风顺槽一下分层回采工作面一回风顺槽 一上分层停采线一上分层采空区 一回采工作面采空区 , 、和 一全风压等值线 从图可以看出 , 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 , 表 示渗流速度大 。 靠近回采工作面一侧则渗流 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间的采空区内 , 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 , 顺槽假顶易 自燃 分层开采的顺槽布置方式不论是内错式 还是垂直重迭式 , 第一分层顺槽废弃于采空 区一侧后 , 因片邦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 , 少量空气随巷道风流连续稳 定流动 , 在假顶内形成低速供氧条件 , 从而导 致高温或自燃 。 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 。 结论 采空区自燃发火与其气体流动状况 密切相关 , 用流场理论来分析采空区易 自燃 位置和火源点分布是行之有效的方法 。 根据火灾气体发现位置 , 结合采空区 气体流动规律 , 辅以一些必要手段来逐步确 定采空区火源点位置 , 可以达到生产的要求 。 本文得出的采空 区火源点分布规律 对理论研究及生产实际均具有 重 要指导意 义 。 参考文献 玫多孔介质流体动力学 北京中国建筑 工业出版社 , 李栖凤无煤柱开采 北京 煤炭工业出版社 , 王省身矿井灾害防治理论与技术北京中国矿业 大学出版社 , 收稿日期 一一