王文才 王鑫宙 張根源 張 培

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

煤田露頭火區(qū)空氣運動規(guī)律的模擬試驗*

王文才 王鑫宙 張根源 張 培

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

利用自制的煤田露頭火區(qū)模擬裝置，對火區(qū)燃燒過程中的空氣運動規(guī)律進(jìn)行了研究。通過對模型中各點的溫度、風(fēng)速、壓力進(jìn)行監(jiān)測，認(rèn)為火區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)通道的氣體流動符合達(dá)西定律，回風(fēng)通道氣體流動符合窄縫流定律。通過改變進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，分析了進(jìn)口風(fēng)速變化對漏風(fēng)通道內(nèi)氣體流動速度的影響。上述分析結(jié)果可為煤田露頭火區(qū)治理提供參考。

煤田露頭火區(qū) 模擬裝置 漏風(fēng)通道 風(fēng)速 壓力損失

煤田露頭火區(qū)不僅威脅了礦井生產(chǎn)安全，而且對礦區(qū)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[1]。對于煤田火區(qū)的形成和發(fā)展規(guī)律，已有大量理論研究成果問世[2]。煤田火區(qū)的孔隙和裂隙形成的漏風(fēng)通道提供了煤自燃所需的氧氣[3]。本研究利用實驗室模擬裝置對煤田露頭火區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究并對火區(qū)的空氣運動規(guī)律進(jìn)行分析。

1 煤田露頭火區(qū)相似模擬試驗裝置

試驗裝置由主試驗箱、變頻風(fēng)機、加熱棒、燃燒監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。主試驗箱由主箱體和模擬塌陷區(qū)滑塊組成，滑塊下方空間鋪裝煤樣和破碎巖樣模擬煤層和頂板破碎帶(圖1(a))，在主箱體的正面布置測孔用于監(jiān)測火區(qū)和測量數(shù)據(jù)(圖1(b))。燃燒監(jiān)測系統(tǒng)由鎧裝熱電偶和智能無紙記錄儀組成，用于監(jiān)測煤層自燃過程中的溫度變化和燃燒位置。利用通風(fēng)多參數(shù)檢測儀(JYF-4型)對火區(qū)燃燒過程中形成的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗分析

2.1 試驗方法

在試驗箱底部平鋪8 cm厚的煤樣，上覆12 cm厚的破碎石子，2層樣品均平鋪至1#，2#孔位置。在樣品層上放置模擬塌陷區(qū)滑塊，用石膏將其間縫隙密封。安裝變頻風(fēng)機對主裝置供風(fēng)，通過改變風(fēng)機功率和供風(fēng)角度使主試驗箱進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到0.5 m/s，并檢測裝置的氣密性。使用加熱棒對煤層加熱點燃，在煤層點燃后撤去加熱棒，使煤層自燃向內(nèi)燃燒。利用燃燒監(jiān)測系統(tǒng)對1#～14#孔的溫度進(jìn)行監(jiān)測和記錄，通過溫度變化監(jiān)測煤層燃燒的位置，一般來說，煤的自燃溫度為200～500 ℃。在煤層燃燒至13#，14#孔時撤去熱電偶，對1#，2#，3#滑塊間的裂縫重新密封后，使用通風(fēng)多參數(shù)檢測儀分別檢測1#，2#孔與后排測孔之間的壓差及19#孔與21#孔間的壓差。利用通風(fēng)多參數(shù)檢測儀和探頭測量1#～21#孔內(nèi)的風(fēng)速。調(diào)整進(jìn)口風(fēng)速分別達(dá)到1，1.5，2，2.5，3 m/s，按上述方法對各參數(shù)分別進(jìn)行測量。在測量測孔間壓差時應(yīng)對暫不需要的測孔進(jìn)行密封。

圖1 主試驗箱裝置

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 風(fēng)速和壓力變化

主試驗裝置進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為0.5 m/s，當(dāng)煤層燃燒至13#，14#孔時，進(jìn)風(fēng)路線上各測孔內(nèi)的風(fēng)速見表1。由表1可知：在煤田露頭火區(qū)的進(jìn)風(fēng)路線上，越靠近著火點風(fēng)速越低。

表1 進(jìn)風(fēng)路線各測孔風(fēng)速 m/s

測孔風(fēng)速均值測孔風(fēng)速均值測孔風(fēng)速均值1#0.7512#0.7283#0.5044#0.4935#0.3200.7400.4990.3136#0.3067#0.3128#0.3109#0.19310#0.1930.3130.3110.19311#0.25412#0.20413#0.13914#0.1350.2290.137

若將進(jìn)風(fēng)路線上不同距離兩端的4個測孔的風(fēng)速平均值作為該長度進(jìn)風(fēng)路線的風(fēng)速，將兩端對應(yīng)測孔的壓力差的平均值作為該長度進(jìn)風(fēng)路線的壓力損失，得出進(jìn)風(fēng)路線上不同距離時的風(fēng)速和壓力損失見表2。

表2 通風(fēng)路線上不同距離的風(fēng)速和壓力損失

距離/m測孔號壓力損失/Pa平均值/Pa風(fēng)速/(m/s)0.250.500.751.001.251.501#～3#2#～4#1#～5#2#～6#1#～7#2#～8#1#～9#2#～10#1#～11#2#～12#1#～13#2#～14#1201101851932242042492632732773012871151892142562752940.6200.4060.3120.2520.2110.183

由表可2知：隨著進(jìn)風(fēng)距離的增加，進(jìn)風(fēng)路線的風(fēng)速逐漸降低，壓力損失越來越大。據(jù)此可推斷隨著燃燒深度的增加，進(jìn)風(fēng)路線的長度不斷加大，風(fēng)力損失越來越大，風(fēng)速越來越??；當(dāng)風(fēng)速為0或風(fēng)流帶來的氧氣不足以支持煤自燃時，煤火便會熄滅。

通過調(diào)整風(fēng)機，改變進(jìn)口風(fēng)速，測得1#，2#孔與13#，14#孔之間和19#孔與21#孔之間的風(fēng)速和壓力差，進(jìn)風(fēng)路線長1.5 m時進(jìn)風(fēng)路線、回風(fēng)路線風(fēng)速及壓力損失的變化情況見表3。

表3 風(fēng)速和壓力損失隨進(jìn)口風(fēng)速的變化情況

由表3可知：隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，進(jìn)風(fēng)路線與回風(fēng)路線上的壓力損失逐漸增大，并且進(jìn)風(fēng)路線的壓力損失明顯大于回風(fēng)路線，說明進(jìn)風(fēng)路線的通風(fēng)阻力較大；通風(fēng)路線的風(fēng)速隨進(jìn)口風(fēng)速的增加而增加，但相對進(jìn)口風(fēng)速的增加幅度來說，通風(fēng)路線的風(fēng)速增加幅度并不明顯。

2.2.2 風(fēng)速與壓力的關(guān)系

通過對進(jìn)風(fēng)路線、回風(fēng)路線的風(fēng)速和壓力損失關(guān)系進(jìn)行擬合，可得：

式中，H1，H2分別為進(jìn)風(fēng)路線、回風(fēng)路線的壓力損失，Pa；V1，V2分別為進(jìn)風(fēng)路線、回風(fēng)路線的風(fēng)速，m/s。

進(jìn)風(fēng)通道為破碎巖塊形成的多孔介質(zhì)，回風(fēng)路線為狹窄裂縫，由擬合結(jié)果可知：進(jìn)風(fēng)路線的空氣流動符合達(dá)西定律，回風(fēng)路線的空氣流動符合布西涅斯基窄縫流體定律[4-5]。

3 結(jié) 論

(1)在煤田火區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)中，隨著進(jìn)風(fēng)路線長度的增加，通風(fēng)阻力不斷增加，風(fēng)流速度逐漸減小，當(dāng)進(jìn)風(fēng)距離達(dá)到某一較大值時，風(fēng)流的速度無法供給煤火燃燒所需的氧氣，煤火便會熄滅。

(2)進(jìn)風(fēng)路線壓力損失大于回風(fēng)路線壓力損失，進(jìn)風(fēng)路線通風(fēng)阻力大于回風(fēng)路線通風(fēng)阻力。通風(fēng)動力由進(jìn)口風(fēng)流動能和火風(fēng)壓組成，其中火風(fēng)壓是主要的通風(fēng)動力。

(3)進(jìn)風(fēng)路線(入風(fēng)口至火區(qū))、回風(fēng)路線(火區(qū)至出風(fēng)口)的空氣運動分別符合多孔介質(zhì)滲流理論的達(dá)西定律以及布西涅斯基窄縫流體運動定律。

[1] 曾 強，王德明，蔡忠勇.煤田火區(qū)裂隙場及其透氣率分布特征[J].煤炭學(xué)報，2010，35(10)：1670-1673.

[2] 曹代勇，樊新杰，吳查查，等.內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田火區(qū)相關(guān)裂隙研究[J].煤炭學(xué)報，2009，34(8)：1009-1014.

[3] 李唐山，周心權(quán)，谷紅軍.煤田露頭自燃火風(fēng)壓數(shù)值的理論分析[J].煤炭學(xué)報，2005，30(6)：737-740.

[4] 陳軍斌，王 冰，張國強.滲流力學(xué)與滲流物理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[5] 張電吉，白世偉，楊春和.裂隙巖體滲透性分析研究[J].勘查科學(xué)技術(shù)，2003(1)：24-27.

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：51364028,51064018)。

2015-09-23)

王文才(1964—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師,014010 內(nèi)蒙古包頭市昆都侖區(qū)阿爾丁大街7號。