煤層露頭自燃火災(zāi)演化規(guī)律數(shù)值模擬研究*

邸　帥，王繼仁，郝朝瑜，張　英，李冬輝

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4. 大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

煤層露頭火災(zāi)在良好通風(fēng)條件下，易形成嚴(yán)重的煤田火災(zāi)，從而造成大量資源浪費(fèi)，且破壞生態(tài)環(huán)境，危害人類健康安全[1～2]。因此，許多專家學(xué)者對(duì)煤層露頭火災(zāi)進(jìn)行研究：鄧軍等針對(duì)海寶箐片區(qū)4號(hào)煤層露頭火災(zāi)，應(yīng)用膠體防滅火技術(shù)取得良好效果[3]；金永飛等研究煤層露頭火區(qū)上覆巖層在溫度作用下變化特性[4]；李軍利用同位素測(cè)氡法確定某礦一號(hào)井A8煤層露頭火區(qū)的高溫區(qū)域，并采用綜合技術(shù)治理火區(qū)[5]；林俊森采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析煤層露頭火區(qū)在自然通風(fēng)影響下燃燒特性的一些參數(shù)及規(guī)律[6]；王海燕等在老二井火區(qū)，應(yīng)用同位素測(cè)氡法確定火區(qū)面積和火源位置及火區(qū)發(fā)展趨勢(shì)[7]，且應(yīng)用能位測(cè)定法和示蹤檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)了火區(qū)地下漏風(fēng)狀態(tài)[8]；趙耀江通過實(shí)驗(yàn)表明氡是一種新的且可靠的標(biāo)志氣體[9]；曾強(qiáng)等提出煤田火區(qū)火風(fēng)壓的計(jì)算模型和估算火區(qū)溫室效應(yīng)氣體排放量的計(jì)算模型[10]，同時(shí)，對(duì)新疆煤田火災(zāi)進(jìn)行煙氣流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行深入研究[11]；孫寶亮采用數(shù)值模擬方法研究大寶鼎4號(hào)煤層露頭自然發(fā)火規(guī)律[12]；徐佳以汝箕溝煤田某火區(qū)為對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬對(duì)火區(qū)滲流規(guī)律進(jìn)行研究[13]；崔中平等通過工程實(shí)踐說明煤層自燃火源位置精確探測(cè)技術(shù)是解決煤層自燃火災(zāi)治理的關(guān)鍵技術(shù)[14]。以上多數(shù)學(xué)者主要考慮火災(zāi)治理，且在數(shù)值模擬時(shí)未考慮自燃引起的煤層塌陷。本文采用Fluent軟件，以新疆臺(tái)勒維丘克煤層露頭為對(duì)象，既清晰洞察火區(qū)中難以探測(cè)的現(xiàn)象，又在模擬中考慮煤層露頭自燃使地表出現(xiàn)的塌陷，分析火風(fēng)壓、火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓聯(lián)合作用下溫度場(chǎng)等分布規(guī)律，研究煤層露頭火災(zāi)演化規(guī)律，對(duì)快速有效治理火區(qū)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1　煤層露頭火災(zāi)數(shù)學(xué)模型建立

1)漏風(fēng)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)煤層露頭為質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)，以微小流束和全流束連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，將煤層露頭氣體流動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，視煤層露頭內(nèi)氣體密度近似為常數(shù)，結(jié)合達(dá)西定律，推出漏風(fēng)流場(chǎng)微分方程：

(1)

2)氣體組分運(yùn)輸數(shù)學(xué)模型

煤層露頭火區(qū)的塌陷區(qū)、漏風(fēng)通道和破碎煤體是多孔介質(zhì)組成的，在多孔介質(zhì)中氣體運(yùn)移為傳質(zhì)過程，露頭煤火災(zāi)時(shí)因其與漏風(fēng)流的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，單元體內(nèi)存在某個(gè)耗氧匯，rj是負(fù)值，根據(jù)氣體組分質(zhì)量守恒方程、菲克定律和質(zhì)量組分方程推導(dǎo)出露頭煤的濃度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型：

(2)

式中：Dj為組分摩爾濃度，mol/m3；We為露頭煤的氧氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；V(T)為露頭煤的耗氧速度，mol/(m3·s)；τ為時(shí)間，s。

式中：D0為露頭煤的初始氧濃度，mol/m3；Dt為露頭煤漏風(fēng)源處空氣中的氧濃度，mol/m3。

3)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，以單位時(shí)間和單元體為基本單元，則煤層露頭松散煤體溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型：

(3)

初始條件：T|τ=0=T0，T0為巖層原始溫度，K；

由上述得煤層露頭火災(zāi)演化數(shù)學(xué)模型為：

(4)

2　物理模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

2.1　工程概況

2.2　物理模型建立

以新疆臺(tái)勒維丘克煤層露頭為例建立物理模型如圖1，共29 245個(gè)三角形網(wǎng)格、15 089個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格間距0.8～1 m；為便于分析做出以下假設(shè)：

1)將煤層露頭火區(qū)中通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成外界環(huán)境、漏風(fēng)口、排煙口組成的閉合通道。

2)漏風(fēng)通道、塌陷區(qū)、排煙通道、自燃區(qū)及煤層各區(qū)域視為均勻多孔介質(zhì)。

3)在漏風(fēng)通道、塌陷區(qū)和排煙通道中，視氣體為不可壓縮的理想氣體，其流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)定流動(dòng)，滲流符合達(dá)西定律。

4)各區(qū)域初始溫度為300 K。

2.3　參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合傳熱傳質(zhì)學(xué)理論、多孔介質(zhì)流體力學(xué)理論和FLUENT計(jì)算理論，設(shè)定模擬參數(shù)值見表1與表2。

圖2　火風(fēng)壓作用下的速度矢量分布Fig. 2　Velocity vector distribution under ventilating pressure caused by mine fire

類型參數(shù)名稱單位參數(shù)值氧氣氧氣濃度%21空氣空氣密度kg·m-31 225空氣比熱J·kg-1·K-11006 43空氣傳導(dǎo)率W·m-1·K-10 0242土層土層密度kg·m-31847土層比熱J·kg-1·K-11200土層傳導(dǎo)率W·m-1·K-11 3焦煤煤層密度kg·m-31300煤層比熱J·kg-1·K-11003煤層傳導(dǎo)率W·m-1·K-10 2粉砂巖頂?shù)装迕芏萲g·m-32650頂?shù)装灞葻酛·kg-1·K-12093頂?shù)装鍌鲗?dǎo)率W·m-1·K-12 8

上述控制參數(shù)求解采用有限體積法進(jìn)行離散，采用三對(duì)角矩陣算法計(jì)算離散方程；速度與壓力之間的耦合采用SIMPLE算法，氧氣、能量的松弛因子為0.9、0.95，收斂指標(biāo)為默認(rèn)設(shè)置。

圖1　煤層露頭模型Fig. 1　Coal seam outcrop fire model

初始條件溫度范圍不同位置孔隙率參數(shù)值火風(fēng)壓作用下火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓作用下303～343K343～578K煤層0 05漏風(fēng)、排煙通道0 25自燃區(qū)0 2塌陷區(qū)0 25煤層0 05漏風(fēng)、排煙通道0 25自燃區(qū)0 25塌陷區(qū)0 25

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)煤自燃指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)，選擇煤體特征點(diǎn)溫度303 K(初始溫度)，313 K(CO出現(xiàn)溫度)，343 K(自熱臨界點(diǎn))，426 K(失水溫度)，433 K(C2H4出現(xiàn)溫度)，578 K(著火溫度)進(jìn)行分析。

3.1　火風(fēng)壓作用結(jié)果分析

圖2、圖3列舉火風(fēng)壓作用下T=303，343，578 K時(shí)速度矢量、溫度場(chǎng)變化規(guī)律。

圖3　火風(fēng)壓作用下的溫度場(chǎng)分布Fig. 3　Temperature field distribution under ventilating pressure caused bymine fire

由圖2可知，在煤層露頭自燃過程中，煙氣由高溫點(diǎn)向頂部方向流動(dòng)，風(fēng)流在地表與大氣交界面發(fā)生明顯變化，主要是因煙氣與空氣發(fā)生對(duì)流換熱；氣體流速因浮力和氣體膨脹作用明顯增加，自燃點(diǎn)上方速度大于其左、右側(cè)塌陷區(qū)內(nèi)速度，因火風(fēng)壓造成風(fēng)流的最大速度0.729 m/s。

由圖3可知，在303～343 K范圍，溫度緩慢擴(kuò)散；在343～578 K范圍，溫度加劇升高；漏風(fēng)口處煙氣與空氣對(duì)流換熱有限，因此煙氣在漏風(fēng)通道時(shí)易積累熱量，造成煙氣與大氣間溫差增加，使兩者密度差變大，進(jìn)而增大火風(fēng)壓，578 K時(shí)火風(fēng)壓為170.2 Pa，火風(fēng)壓增大將加速氣體在煤巖介質(zhì)內(nèi)滲流速度，更易于自燃發(fā)展，工程實(shí)踐說明煤層露頭自燃引起的煤田火災(zāi)發(fā)展迅速。

3.2　火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓作用結(jié)果分析

當(dāng)火區(qū)在火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓作用下，在漏風(fēng)口速度v=0.2 m/s下，不同煤體特征點(diǎn)溫度時(shí)溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)、速度流場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化規(guī)律。

3.2.1溫度場(chǎng)及氧濃度場(chǎng)規(guī)律

圖4、圖5列舉T=303 K，T=343 K，T=578 K時(shí)溫度場(chǎng)及氧濃度場(chǎng)變化規(guī)律，提取5處典型位置的數(shù)據(jù)，繪制成圖6，得如下結(jié)論：

圖4　溫度場(chǎng)分布Fig. 4　Temperature field distribution

圖5　氧濃度場(chǎng)分布Fig. 5　Oxygen concentration distribution

圖6　不同位置溫度與氧濃度的變化趨勢(shì)Fig. 6　Changing trend of temperature and oxygen concentration in different position

1)排煙口處，在303～343 K范圍，溫度增加14.96℃，煤氧復(fù)合反應(yīng)以物理吸附為主，耗氧量較少，氧氣濃度基本不變；在343～578 K范圍，溫度增加89.28℃，煤氧復(fù)合反應(yīng)以化學(xué)吸附為主，耗氧量增加，氧濃度降低到10.4%。

2)塌陷地表處，在303～343 K范圍，溫度增加27.04℃，耗氧量有所增加，氧濃度降低到16.5%；在343～578 K范圍，溫度急劇升高，增加197.14℃，耗氧量急劇增加，氧濃度最低處為7%。

4)自燃中心處，由圖(a)知，其溫度為特征點(diǎn)溫度；由圖(b)知，在303～343 K范圍，耗氧量有所增加，氧濃度降低到19.4%，在343～578 K范圍，耗氧量迅速增加，氧濃度最低9.3%。

5)漏風(fēng)口處，在303～578 K范圍，溫度始終為300 K；氧濃度始終為20.7%。

基于上述分析，當(dāng)漏風(fēng)口速度v=0.2 m/s，溫度從303 K增加到578 K時(shí)，除自燃中心外，增溫速度：回風(fēng)中心>塌陷地表>排煙口>漏風(fēng)口；耗氧量大小：塌陷地表處>回風(fēng)中心>自燃中心>排煙口，漏風(fēng)口無耗氧。

3.2.2速度流場(chǎng)及壓力場(chǎng)規(guī)律

圖7、圖8列舉T=303 K，T=343 K，T=578 K時(shí)速度流場(chǎng)及壓力場(chǎng)變化規(guī)律。

由圖7、圖8可知，露頭處漏風(fēng)風(fēng)流速度增加是因升高溫度造成總風(fēng)壓增大；露頭火區(qū)深度的加深，引起風(fēng)流速度減小，在漏風(fēng)通道35 m處速度約為0.02 m/s；排煙口風(fēng)速高于漏風(fēng)口，并因溫度升高而增加，則排煙口、漏風(fēng)口間的壓差逐漸提高。綜上，煤層露頭動(dòng)力系統(tǒng)是火風(fēng)壓及外部風(fēng)壓聯(lián)合作用形成的，是負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。

同上，提取5處典型位置的數(shù)據(jù)，繪制成圖9。

得如下結(jié)論：

由于每一縷燈光都是從一點(diǎn)發(fā)出來，在周圍空間呈現(xiàn)輻射狀。飛蛾根據(jù)進(jìn)化的習(xí)慣，依然保持跟每一縷光線相同的夾角飛行。最后的結(jié)果，就是旋轉(zhuǎn)地一圈一圈墜入燈光的中心。飛蛾的飛行曲線被稱為斐波拉契螺旋線。它描述的就是一個(gè)在輻射狀的網(wǎng)格圖里，按照和每條輻射線保持固定夾角的曲線模型。

1)排煙口處，在303～343 K范圍，速度增加0.002 m/s，壓力減少7.22 kPa；在343～578 K范圍，速度增加0.013 m/s，壓力減少10.20 kPa。

2)塌陷地表處，在303～343 K范圍，速度增加0.000 3 m/s，壓力減少2.00 kPa；在343～578 K范圍，速度增加0.0012 m/s；壓力減少7.55 kPa。

3)回風(fēng)中心處，在303～343 K范圍，速度增加0.000 5 m/s，壓力增加2.69 Pa；在343～578 K范圍，速度增加0.0018 m/s，壓力減少26.30 kPa。

4)自燃中心處，其溫度為特征點(diǎn)溫度，由圖(a)知，速度基本維持在0.02 m/s；由圖(b)在303～343 K范圍，壓力減小0.95 kPa，在343～578 K范圍，壓力減小3.56 kPa。

5)漏風(fēng)口處，由圖(a)知，即使煤體溫度升高，但速度始終保持在0.2 m/s；由圖(b)在303～343 K范圍，壓力減小0.49 kPa，在343～578 K范圍，壓力減小1.79 kPa。

基于上述分析，漏風(fēng)口速度v=0.2 m/s，溫度從303 K增加到578 K時(shí)，增速速度：排煙口>回風(fēng)中心>塌陷地表>自燃中心，漏風(fēng)口處增速為零；壓力變化速度：排煙口>回風(fēng)中心>塌陷地表>自燃中心，漏風(fēng)口處壓力下降最小。

3.3　不同影響因素結(jié)果分析

3.3.1孔隙率因素

1)火風(fēng)壓作用

在火風(fēng)壓作用下，模擬在煤層露頭自燃條件下，不同孔隙率下溫度場(chǎng)等變化規(guī)律，結(jié)果見表3。

表3　火區(qū)中各參數(shù)隨孔隙率變化的情況

從表3可知，火風(fēng)壓影響煤層露頭自燃風(fēng)流狀態(tài)；在T=578 K時(shí)，孔隙率增加導(dǎo)致火風(fēng)壓增大，速度增加，溫度升高，其它特征溫度規(guī)律與此類似。

2)火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓聯(lián)合作用

在火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓聯(lián)合作用下，模擬在煤層露頭自燃條件下，漏風(fēng)口速度v=0.2 m/s，不同孔隙率下溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)等變化規(guī)律，其結(jié)果見表4。

從表4可知，當(dāng)特征溫度為578 K時(shí)，孔隙率增加導(dǎo)致總體溫度升高，耗氧量增大；排煙口處風(fēng)流速度增加；因孔隙率增加導(dǎo)致氣體流動(dòng)時(shí)阻力減小，則漏風(fēng)口、排煙口處壓差減小；其它特征溫度規(guī)律與此類似。

3.3.2漏風(fēng)口速度因素

模擬分析漏風(fēng)口速度v=0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s不同煤體特征點(diǎn)溫度時(shí)溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)、速度流場(chǎng)和壓力場(chǎng)規(guī)律變化規(guī)律，以578 K特征溫度為例，選擇5處典型位置進(jìn)行對(duì)比分析見表5。

由表5可知，風(fēng)速為0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s 與0.2 m/s的變化規(guī)律基本一致；在T=578 K時(shí)，進(jìn)風(fēng)速度增加，導(dǎo)致其總體溫度增加；耗氧量減少；排煙口處風(fēng)流速度增加；漏風(fēng)口、排煙口處壓力差增大；其他溫度下規(guī)律與上述相類似。

表4　火區(qū)中各參數(shù)隨孔隙率變化的情況

表5　火區(qū)中各參數(shù)隨風(fēng)速變化的情況

由上述可知，孔隙率、漏風(fēng)口風(fēng)速影響火區(qū)溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布，因此孔隙率與漏風(fēng)強(qiáng)度在煤層露頭自燃火災(zāi)大規(guī)模發(fā)展提供有利條件。

3.4　煤層露頭火災(zāi)演化規(guī)律

由模擬結(jié)果，得煤層露頭自燃演化規(guī)律為：

1)在火風(fēng)壓作用下，孔隙率增加導(dǎo)致火風(fēng)壓增大，速度增加，溫度升高。

2)在火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓作用下，得以下結(jié)論：

(1)煤層露頭動(dòng)力系統(tǒng)是由火風(fēng)壓及外部風(fēng)壓作用形成的負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。

(2)漏風(fēng)口速度不變時(shí)，孔隙率增加將增大煤層露頭自燃火區(qū)總體溫度、耗氧量及排煙口速度，但漏風(fēng)口、排煙口處壓差會(huì)減小。

(3)孔隙率不變時(shí)，漏風(fēng)口速度增加將增大煤層露頭自燃火區(qū)總體溫度、排煙口速度及漏風(fēng)、排煙口處壓差，但耗氧量減小。

3)大孔隙率和持續(xù)漏風(fēng)供氧為煤層露頭自燃火災(zāi)大規(guī)模發(fā)展提供有利條件。

4　結(jié)論

1)以新疆臺(tái)勒維丘克煤層露頭火區(qū)為對(duì)象，選取其中漏風(fēng)通道、排煙通道距離最近、長(zhǎng)度最短、煙氣流動(dòng)暢通的漏風(fēng)系統(tǒng)，建立物理模型。

2)在火風(fēng)壓作用下，孔隙率增加導(dǎo)致其火風(fēng)壓增大，速度增加，溫度整體升高。

3)在火風(fēng)壓與外部風(fēng)壓作用下，分析漏風(fēng)速度為0.2 m/s時(shí)5個(gè)典型位置溫度、氧濃度、速度及壓力變化規(guī)律；分析孔隙率、漏風(fēng)速度對(duì)煤層露頭自燃的影響；確定大孔隙率與漏風(fēng)強(qiáng)度為煤層露頭自燃火災(zāi)大規(guī)模發(fā)展提供有利條件。

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