动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟.pdf

动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟 * 李宗翔1， 贾进章1， 李庆刚2 （1. 辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新市 123000； 2. 阜新矿业集团五龙煤矿， 辽宁 阜新市 123000 ） 摘 要 基于非均质多孔介质中的连续性方程、 多相气体渗 流 - 扩散方程和综合传热方程， 建立了工作面动态推进下的 采空区遗煤自燃数值模型。结合实例条件， 描绘了工作面开 采推进过程中采空区内漏风流态、 氧、 CO、 瓦斯和温度等分 布状态及其动态过程。提出了工作面动态推进用各物理量 分布后移的处理方法， 使移动步距与时间动态过程相适应， 实现了模拟计算在方法上的连续一体化。通过理论分析， 发 现采空区遗煤自燃与工作面推进速度呈指数关系， 因而提高 工作面推进速度能显著延长采空区内遗煤的自然发火期。 关键词 采空区遗煤； 气体浓度分布； 温度场； 自燃规律 中图分类号 TD75 2. 2 文献标识码 A 文章编号 1005 -2763 （2005） 05 -0084 -04 Numerical Simulation of the Spontaneous Combustion Laws in goaf of boost working face Li Zongxiang1， Jia Jinzhang1， Li Qinggang2 （1. Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000， China； 2. Wulong Mine of Fuxin Coal Mining Group Co. Ltd. ，Fuxin，Liaoning 123000，China） Abstract Based on the continuity equation，multiphase gas seepage - diffusion equation and synthesis heat transfer equation in heterogeneous porous media，a numerical model of spontane- ous combustion of residual coal in goaf is established under the condition of working faces are being advanced dynamically. Based on an example，the distribution and dynamic procedure of air leakage seepage，oxygen，CO gas，methane and temperature in goaf during working face advancing are demonstrated. For the dynamic advance of working surface，the means of each physical quantity backward step and step is put forward，which can make the moving step suitable for time，so the continuity of simulating calculation is realized. Through theory analysis，it shows that the combustion of residual coal in goaf has exponential relation with the speed of working face advancing，so increasing the ad- vancing speed can retard obviously the spontaneous combustion of residual coal in goaf. Key WordsResidual coal in goaf，Gas concentration distribu- tion，Temperature field，Spontaneous combustion law 综放工作面采空区内遗煤的自燃是受漏风、 耗 氧放热、 瓦斯涌出及开采推进等多因素综合作用的 结果 ［1 ～3］， 其中， 工作面的动态推进对采空区内遗煤 的自燃有十分重要的影响。在理论上， 详细考查研 究遗煤的自燃与工作面推进速度之间的关系， 对于 从根本上防止或控制空区遗煤自燃的发生， 合理制 定开采方案和确定防灭火技术参数将会起到积极作 用。笔者开发的采空区冒落非均多孔介质漏风渗 流、 O2- CO - CH4气体浓度和温度分布及其动态变 化的数值模拟程序 （以下简称 G3） ， 能够为有效地 进行大量模拟试验提供研究平台。 1 采空区遗煤自燃的计算模型及定解条件 采空区几何模型如图 1 所示。 在采空区平面流场 Ω 中， 综合考虑一场一态、 多 相气体混溶与温度变化的动态联立求解方程组为 图 1 采空区计算区域划分 Q工作面风量 qL， qL工作面向采空区漏 入、 漏出风量 qCH4深部窒熄边界瓦斯涌出量 QCH4、 QCO分别为采空区瓦斯和 CO 绝对涌出量 4 （k4p） Wg H ， k b （Kp- 1） 3 Kp ， H KpM K （0） p - 1 dc （Θ） dт v4c （Θ） 4 ［D4c （Θ） ］ c -c （Θ） cn W （Θ） Ce ∂t ∂т CgV4t λe42t Qs H h （t - Tf） W （O2）- （1 -n） H1 γ 0e b0 t nc （O2） 0H W （CH4） c -c （O2 [] ） c （O2） ， W （CO） 2βW （O2）-1/ H/ W1， ISSN 1005 -2763 CN 43 -1215/ TD 矿业研究与开发 第 25 卷 第 5 期 MINING R D，Vol. 25， No. 5 2005 年 10 月 Oct. 2005 * 收稿日期 2005 -01 -22 作者简介 李宗翔 （1962 - ） ， 男， 黑龙江绥化人， 副教授， 硕士， 主要从事系统工程教学和煤矿安全理论与环境方面的研究. Qs（b2b1β） W （O2）-2 （Tw-T0） λsCs/ π ヘ т （1） 式中 H 为冒落流场高度 （函数） ； p 为风压， Pa； k 为 渗透性系数， m2/ （Pas） ， b 为与 k 同单位的待定系 数； M 为采高； KP为碎胀系数分布函数 ［3］， K（0） P 为初 冒碎胀系数； n 为空隙度， т 为时间变量。Θ 代表采 空区各相气体的组分， 分别取 Θ 为 CH4、 O2、 CO， 则 c （Θ） 为 Θ 相气体的浓度， mol/ m3； c 为完全空气的 摩尔浓度 （44. 643 mol/ m3） ； W （Θ）代表 Θ 相气体 产生或被消耗的源汇项， mol/ （m3s）； W1是采空 区吸收 CO 强度， mol/ （m2s） ； Wg是采空区瓦斯涌 出强度， mol/ （m2s） ， Wg 0. 0224W （CH4） H。 D 是气体弥散系数张量 ［1］， m2 / s。v 为真实速度，V nv， 其中V是由第一式解出的渗流速度。 H1为遗 煤厚度； γ0是煤耗氧速度待定系数， mol/ （m 3s） ； b0为实验常数 ［1］， b 0 0. 0235 ℃ -1； t 为采空区温 度， ℃； λe为有效热传导系数， W/ （m℃） ；λe nλ g （1 - n） λs， 其中 λs 、 λ g分别为多孔骨架、 空隙 气体的热传导系数； Ce为有效热容量， J/ （m3℃） ， Ce nCg （1 - n） Cs， 其中Cs、 Cg分别为多孔骨架、 空隙气体的体积当量热容， J/ （m3℃） ； β 为化学反 应产生 CO 的耗氧量占煤耗氧总量的比例， 取 β a1 （a2- a1） c （O2） / c （O2） 0， 其中 a1 0. 053、 a2 0. 08； b1、 b2为煤对应化学反应、 化学吸附氧化热， J/ mol。源汇 QS中第二项为向底板的传热项 ［1］， h 为对流换热系数， W/ （m2℃） 。TW是贴近底板处 的煤矸温度； Tf为风流温度， T0是初始温度。 区域边界条件如下 p α1r1Q 2 （L - y） （在工作面边界上） ； 4p 0（在其他边界上） ； c （Θ） Г1 c （Θ） ， 0， tГ1 T0， （在入新风边界上） ； 初始条件为 c （Θ） т 0 c （Θ）， 0， t т 0 T0， （在 Ω 上） 式中 Г1代表第1 类边界； r1为单位长度工作面的风 阻， Ns2/ m9； L 为工作面长度， m； α1为界壁局部阻 力系数； c （Θ） ， 0为新风气体浓度， c （O2）， 0 9. 375 mol/ m3， c （CO） ， 0 c （CH4） ， 0 0。 2 计算方案及算例结果 模型方程是非线性、 非自伴性， 采用迎风格式的 有限元法求解 ［1， 3］。先求采空区漏风流态和速度场 （在未考虑热风压影响的情况下） ， 然后按时间循环计 算煤耗氧及 O2、 CO 浓度的变化和自燃生热温度场。 在忽略采空区深部窒熄带对自燃带影响的情况 下， 保持剖分网格不变， 使算法具有连续性， 将工作 面推进的影响处理为相对各量分布向后平移 v1Δт 距离 （这里 v1为工作面推进速度） ， 具体算法为 c （Θ） （т1） （x， y） c （Θ） 0， x v1 { Δт （2） 式中 Δт为时间步长；（т） 、（т 1） 分别代表前、 后时 刻； C （Θ）代表采空区物理各量分布， Θ CH4、 O2、 CO、 t 。 算例为阜新五龙煤矿 3232 综放面， 工作面参 数 L 175 m， M 10. 5 m； 煤层瓦斯含量为 16 m3/ t， 煤最短自然发火期约为 15 d 左右， 推进速度 v11. 8 m/ d。r10. 0013 Ns2/ m9， Q 1000 m3/ min。采空区参数 KP1. 12 ～1. 5， b 0. 67， 此时 k 1. 344 ～72. 58 m2/ （Pas） ， n 0. 13 ～0. 33； 取 γ0 2. 31 10 -5 mol/ （m3s） ， Wg3. 3 10 -5 ～4. 5 10 -3mol/ （m2s） ； λ s 1. 71 W/ （m℃） ， Cs 5. 1 105J/ （m3℃） ； λg 0. 0265 W/ （m℃） ； Cg 1207 J/ （m3℃） ； b1 221 kJ/ mol、 b2 353 kJ/ mol。T017℃， α10. 65。以上参数 b、 γ0和 Wg 分别按实际测定结果由 G3 拟合确定。 区域剖分与冒落非均质性见图 2。 图 2 采空区流场剖分网格与冒落碎胀系数分布 58 李宗翔， 等 动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟 自燃的计算结果见图 3， 图 4 为不同工作面推 进速度下采空区温度分布， 图 5 为采空区高温点升 温曲线。图中风压等值线差距为 5 Pa， 各流线之间 的流量差距为 2 m3/ min； 工作面附近气体浓度分布 为接顶冒空带管流风流与冒落带渗流层混溶后的气 体浓度。设工作面回风口基准风压为 0 Pa。 图 3 采空区漏风流态、 速度场、 气体浓度及温度分布的数值结果 图 4 不同工作面推进速度下采空区温度分布模拟结果 68 矿 业 研 究 与 开 发 2005， 25 （5） 图 5 不同工作面推进速度情况下采空 区自燃温度和 CO 释放量的变化 3 工作面动态推进对自燃发火的影响分析 若以 80℃作为自燃的标志， 忽略水分、 漏风不 均衡及其它随机因素， 对模拟结果回归分析表明， 在 理论上， 随着工作面推进速度的加大， 自然发火期随 之显著延长 （见图 6） ， 二者近似呈指数关系， 即 т1 т * 1 exp （avd 1） （3） 式中 a、 d 为回归系数。由式 （3） ， 显然， т* 1 为最短 自然发火期， d； 此时 т* 1 一般对应工作面进度 v1 0。对本文算例的 3232 工作面， т* 1 16. 4 d， a 0. 0433， d 2. 214 （相关系数为 0. 9995） ， 见表 1。 4 结 论 （1）随着工作面向前推进， 采空区的遗煤经历 耗氧、 自燃、 窒熄等过程； 自燃高温区随工作面不断 移动。加快工作面推进速度有利于延长自然发火的 时间， 直至可以摆脱自然发火威胁。 图 6 自然发火期与工作面推进速度的关系 表 1 不同漏风条件下的回归结果参数 漏风量т* 1 ab工作面 -100. 26316. 410. 04332. 2143232 -142. 816. 220. 01222. 5833231 （2）运用 G3 数值模拟的理论分析结果表明， 对于已形成自燃漏风供氧条件的采场系统， 自燃发 生过程与工作面推进速度呈明显的指数关系。减少 工作面向采空区的漏风， 有利于大幅度延长自然发 火期， 提高开采采空区自燃的安全度。 （3）加快工作面推进速度应合理控制工作面长 度。实际工作中应处理好回采工作面长度确定的问 题， 尤其是煤炭开采效率与采空区自燃安全之间的 关系问题。对综放工作面， 与相同条件下的单一开 采方法比， 其工作面长度要短； 当推进速度提高有限 时， 必须配以其他防火安全技术措施。 参考文献 ［1］ 李宗翔， 韦涌清， 孙世军. 非均质采空区气 - 固耦合温度场迎 风有限元求解 ［J］ . 昆明理工大学学报， 2004， 29 （2） 5 ～9. ［2］ 何启林， 王德明. 综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值模 拟 ［J］ . 中国矿业大学学报， 2004， 33 （1） 11 ～14. ［3］ 李宗翔， 吴志君， 王振祥. 采空区遗煤自燃升温过程的数值模 型及其应用 ［J］ . 安全与环境学报， 2004， 4 （6） 58 ～62. （上接第 12 页） 中国的大型矿业企业集团， 以此增强我国矿业企业 的国际竞争力， 以保证国民经济发展的资源供应。 参考文献 ［1］ 邹韶禄.云铜经略 ［M］ . 昆明 云南人民出版社， 2004， 2 57 ～59. ［2］ Prahalad C K， Hamel G. The Core Competence of the Corporation ［J］ . Harvard Business Review ， 1990， 66 （May/ June） 79 ～91. ［3］ 胡于红. 浅谈国有煤炭企业核心竞争力的培育 ［J］ . 煤炭技 术， 2004，（5） 1 ～2. ［4］ 王金凤. 煤炭企业提升核心竞争力的对策 ［J］ . 管理宝鉴， 2004，（6） 4 ～5. ［5］ 罗剑宏. 基于核心竞争力共享的民营企业扩张模式研究 ［D］ . 长沙 中南大学， 2003 35 ～49. 78 李宗翔， 等 动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟