李云福 康懷宇 何 寧

(1.山西汾西新峪煤業(yè)公司,山西介休 235000;2.華北科技學院安全工程學院,北京東燕郊 101601)

放頂煤開采采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬的應用研究①

李云福1②康懷宇2何 寧2

(1.山西汾西新峪煤業(yè)公司,山西介休 235000;2.華北科技學院安全工程學院,北京東燕郊 101601)

本文針對新峪礦 5112工作面的特征,根據(jù)采空區(qū)內的氣體質量守恒和浮煤與氣體的能量守恒利用數(shù)學方法建立采空區(qū)內流場方程、氧濃度場方程和溫度場方程,并根據(jù)采空區(qū)的實際狀況設定相應的邊界條件,得到采空區(qū)內的溫度分布,從而預測在不同的條件下預測采空區(qū)內自然發(fā)火狀況。結果表明,該煤層注入阻化劑后采空區(qū)煤自然發(fā)火危險性均有大幅度降低。

阻化劑;自然發(fā)火;數(shù)值模擬;數(shù)值分析

0 引言

采空區(qū)自然發(fā)火是一個由回采工作面兩端壓力差提供漏風,采空區(qū)內的浮煤吸附漏風風流中的氧氣,并與之發(fā)生氧化反應,放出熱量,使浮煤溫度升高自然發(fā)火的過程。隨著開采深度和強度的增加,開采條件日趨復雜,特別是放頂煤開采技術的普遍應用,使采空區(qū)遺煤量增加,自燃發(fā)火問題更加突出,尤其對于高硫煤情況更加復雜[1]。預注阻化劑技術徹底解決了阻化液均勻覆蓋與包裹煤體的問題,與向空區(qū)內的遺煤噴灑阻化液方法相比較,阻化的效果大大提高了,阻化時間大大延長了[2]。本文對新峪礦 5112工作面進行了預注阻化劑防采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)值模擬,利用數(shù)學方法建立采空區(qū)內流場方程、氧濃度場方程和溫度場方程,和采空區(qū)的實際狀況設定相應的邊界條件,數(shù)值分析求解得到采空區(qū)內的溫度分布,預測在不同條件下采空區(qū)內自然發(fā)火狀況,數(shù)值模擬的結果說明自然發(fā)火危險性均有大幅度降低,預注阻化劑技術起到防止氧化、延長自然發(fā)火期的效果,為煤礦安全生產(chǎn)提供了保證。

1 采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)值模擬

1.1 采空區(qū)內自然發(fā)火的數(shù)學模型

采空區(qū)自然發(fā)火是一個由回采工作面兩端壓力差提供漏風,采空區(qū)內的浮煤吸附漏風風流中的氧氣,并與之發(fā)生氧化反應,放出熱量,使浮煤溫度升高。假定空氣在采空區(qū)內流動符合達西定律,氧氣在采空區(qū)空氣中的擴散符合菲克定律,并且由質量守恒方程和能量守恒方程,可以分別建立采空區(qū)內氣體流動的流場方程、氧濃度場方程和溫度場方程,這三個方程共同組成了采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)學模型[3]。

流場模型及邊界條件:

式中,p為空氣靜壓和速壓之和 (不包括位壓),Pa;Kx為采空區(qū)內浮煤的滲透系數(shù),m/s;ρg為采空區(qū)內空氣的密度,kg/m3;ρ0為采空區(qū)工作面空氣的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;α為煤層的傾角,度;n為采空區(qū)內的空隙率;τ為時間,s;vx,vy分別為沿 x方向和 y方向的滲流速度 ,m/s;Γ1、Γ2、Γ3、Γ4為采空區(qū)邊界 ,其中Γ1為沿工作面切頂線側,Γ2為采空區(qū)上部邊界,Γ3為采空區(qū)下部邊界,Γ4為采空區(qū)深部邊界;p(x,y)為沿Γ1邊界上的風壓函數(shù),Pa。

氧濃度場模型及邊界條件[4]:

式中,c為氧氣濃度,mol/m3;do2為氧氣在空氣中的擴散系數(shù),m2/s;u(t)為松散煤體內的氧氣消耗速度,mol/(s·m3);c(x,y)為Γ1邊界下部的氧氣濃度函數(shù),由于采空區(qū)Γ1邊界上一部分上向采空區(qū)內漏風,一部分是從采空區(qū)向外漏風,所以將Γ1邊界分成上下兩部分,通過流場解算結果來判定上下部的分界。

溫度場模型及邊界條件[5]:

1.2 采空區(qū)自然發(fā)火模型的數(shù)值求解

首先將求解區(qū)域劃分網(wǎng)格,應用有限差分法分別對三個方程和相應的邊界條件進行離散化處理分別得到數(shù)目為區(qū)域節(jié)點數(shù)的三個線性方程組,通過對方程組系數(shù)矩陣特點的分析,將它們分別壓縮存貯,線性方程組的求解方法采用高斯消元法。在進行數(shù)值計算時,把所計算的區(qū)域劃分成許多互不重迭的子區(qū)域,確定節(jié)點在子區(qū)域中的位置及其所代表控制容積。節(jié)點表示求解的未知物理量的幾何位置,控制容積是應用控制方程或守恒定律的最小幾何單位,界面規(guī)定與各節(jié)點相對應的控制容積的分界面位置,沿坐標軸方向聯(lián)結相鄰兩節(jié)點而形成的曲線簇組成網(wǎng)格線。

1.3 數(shù)值模擬結果分析

1.3.1 解算參數(shù)的獲取

按照上述數(shù)學模型,以 5112工作面生產(chǎn)條件為例進行了注入和不注入阻化劑兩種情況下的采空區(qū)自然發(fā)火模擬。5112綜放工作面所采為太原組 10#、11#煤層,工作面布置圖見圖 1.煤層平均厚度7.18m,埋藏深 170m。工作面長度 160m,工作面平均傾角 6°,工作面通風阻力為 100Pa,采空區(qū)的遺煤平均厚度為按 1.5m計算。工作面的進風溫度為25℃,臨界溫度為 149℃,煤的密度為 1400kg/m3,在臨界溫度以下時煤的平均比熱為 1200J/(kg·℃),采空區(qū)的計算深度取 180m。按回采工作面的正常推進速度 3.6m/d進行計算。

圖 1 工作面布置圖

在進行煤的氧化升溫實驗時,把煤樣分為兩組,一組加入阻化液的,一組不加阻化液。通過實驗得到不同溫度下的耗氧速度和放熱強度,并將它們分別按照與溫度的對應關系進行回歸,得到它們與溫度的函數(shù)關系式,在解算時采用。

1.3.2 解算結果分析

以工作面進風側采空區(qū)的頂點為坐標原點,以工作面方向為 x軸方向,為采空區(qū)深度方向為y軸方向,繪制采空區(qū)內浮煤溫度分布的曲面圖,見圖 2至圖 5所示。圖 2顯示:在工作面推進速度為 3.6m/d和不注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況;圖 3顯示:在工作面推進速度為3.6m/d和注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況。圖 4顯示:在工作面推進速度為 0.6m/d和不注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況;圖 5顯示:在工作面推進速度為 0.6m/d和注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況。

對比圖 2和圖 3、圖 4和圖 5,在注入與不注入阻化液時在不同的推進速度下都可以使采空區(qū)的溫度降低。在正常推進速度下 (3.6m/d)注入阻化液可以使采空區(qū)最高溫度降低將近 4℃,在推進速度為 0.6m/d時注入阻化液可以使采空區(qū)最高溫度降低 17℃。數(shù)值模擬結果證實了注入阻化液對防止采空區(qū)自燃有較強的作用。

圖 2 工作面正常推進情況下(3.6m/d)不注入阻化液時采空區(qū)溫度分布圖

圖 3 正常推進速度下(3.6m/d)注入阻化液時采空區(qū)溫度分布圖

圖 4 推進速度為 0.6m/d時不注入阻化液時采空區(qū)溫度分布圖

圖 5 推進速度為 0.6m/d時注入阻化液時采空區(qū)溫度分布圖

3 結論

1)在進風側氧氣濃度較高,所以煤的發(fā)熱量也較大,引起煤的溫升也較高,在回風側氧氣濃度低,煤的放熱量也相應減少,所以溫升也較小,這與采空區(qū)自燃經(jīng)常發(fā)生在進風側的事實是相符合的。

2)計算表明采空區(qū)內的熱量傳遞方式以對流換熱為主,采空區(qū)內的漏風量大小對采空區(qū)內的熱量傳遞起著關鍵作用。由于采空區(qū)淺部漏風風流較大,進風側浮煤氧化產(chǎn)生的熱量使風流溫度升高,這些經(jīng)過加熱后的風流到回風側后使回風側溫度升高。而采空區(qū)深部漏風風流很小,而進風側氧氣濃度比回風側高,所以進風側浮煤氧化放出的熱量比回風側多,進風側溫度比回風側溫度要高。

3)對比不同推進速度下其它條件相同的采空區(qū)溫度分布圖可以看出,隨著推進速度的降低,采空區(qū)內溫度越來越高,當每天割一刀煤 (即0.6m/d)時如果不注阻化劑采空區(qū)的最高溫度可以達到 110℃以上,如果工作面正常推進 (即3.6m/d)則即使不注入阻化劑采空區(qū)的最高溫度也不超過 37℃,這證實了推進速度是影響采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因,所以加快回采工作面推進速度是防止采空區(qū)自燃的最好措施之一。

[1]文虎 .煤自燃過程的實驗及數(shù)值模擬研究[D].西安科技大學,2003

[2]游浩,趙長春 .綜采放頂煤工作面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出治理技術[A].瓦斯地質與瓦斯防治進展[C],2007

[3]文虎 .煤自燃過程的實驗及數(shù)值模擬研究[D].西安科技大學,2003

[4]仲曉星 .煤自燃傾向性的氧化動力學測試方法研究[D].中國礦業(yè)大學,2008

[5]蔡康旭,岑代全,袁強,劉愛華 .煤炭自燃預報模型校正的理論與方法[J].礦業(yè)工程研究,2009,(1)

Numerical Simulation of Spontaneous Combustion Process of Top coal caving in Goaf

L I Yunfu1,KANG Huaiyu2,HE N ing2

(1.Xinyu Coal-mine of FenxiMine group,Jiexiu Shanxi 235000;2.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Through XinYun Mine 5112 fully mechanized working face anti-inhibitor pretreatment top coal caving Spontaneous Combustion Simulation;Mined areas under themass conservation of gas and floating coal and gas energy conservation usingmathematicalmethods to establish the flow field equations mined areas,oxygen concentration and temperature field equations field equations,numerical analysis by solving the temperature distribution ofmined areas;predictmined areas under different conditions spontaneous combustion conditions;value S imulation results shown that top coal caving GOB risk of spontaneous combustion were significantly reduced.

inhibitor;spontaneous combustion;numerical simulation;numerical analysis

TD75+2.1

A

1672-7169(2011)02-0012-04

2011-03-01

李云福(1964-),男,山西介休人,北京煤礦學校畢業(yè)參加工作,現(xiàn)任山西汾西新峪煤業(yè)總工程師。