不同風(fēng)速下采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律數(shù)值模擬

沈亞楠，張嘉勇,2，武建國，馮培云，沈逸飛

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210；3. 開灤(集團)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063210)

引言

采空區(qū)火災(zāi)是煤礦生產(chǎn)中普遍存在的風(fēng)險[1-2]，不僅影響周圍的環(huán)境質(zhì)量，甚至?xí)：ψ鳂I(yè)人員的健康和生命[3]，因此，精確定位采空區(qū)火源對于礦井火災(zāi)防治具有極為重要的作用。

目前采空區(qū)火源探測研究中溫度變化是自然火災(zāi)的最直觀體現(xiàn)，國內(nèi)外專家學(xué)者采用理論分析、有限元軟件數(shù)值模擬以及相似試驗等手段[4]，對采空區(qū)溫度場的分布規(guī)律進行了相對全面的研究[5-10]。在理論分析方面，建立基于傅里葉定律的采空區(qū)遺煤氧化放熱能量方程[11]，利用FLUENT模擬非穩(wěn)態(tài)采空區(qū)的溫度分布，通過設(shè)置不同開采工藝參數(shù)，研究采動影響下采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)量與溫度場和氣體濃度場分布的關(guān)聯(lián)性[12-16]。根據(jù)煤體氧化升溫的三維流場分布，得到了煤體的熱量傳遞規(guī)律[17]，擬合得到耗氧速率等影響參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式[18]，奠定了采空區(qū)溫度場分布規(guī)律研究的理論基礎(chǔ)。在實驗應(yīng)用方面，基于幾何相似原則及煤自燃原理，設(shè)計研發(fā)了采空區(qū)自然發(fā)火模擬試驗和采空區(qū)溫度場分布規(guī)律模擬試驗裝置[19,20]，通過試驗驗證了采空區(qū)自燃火源溫度對于煤體熱量傳遞規(guī)律和采空區(qū)溫度場時空分布規(guī)律的合理性[21]，并將其研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場監(jiān)測，確定了實際條件下采空區(qū)各參數(shù)變化對于采空區(qū)火災(zāi)嚴(yán)重程度的影響[22]。

目前，針對工作面不同進風(fēng)風(fēng)速，優(yōu)化采空區(qū)火源監(jiān)測點布置方案研究較少，導(dǎo)致采空區(qū)火災(zāi)治理效果不理想。因此，該項研究采用數(shù)值模擬的方法，分析不同風(fēng)速下采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律，確定火源監(jiān)測點的最佳布置方案，為采空區(qū)自燃火災(zāi)的監(jiān)測與防治提供了重要的設(shè)計思路。

1數(shù)值模擬理論模型

1.1 瓦斯?jié)舛确匠?/h3>

采空區(qū)瓦斯的質(zhì)量守恒方程：

(1)

D——瓦斯在多孔介質(zhì)中的擴散系數(shù)，m2/s；C——瓦斯?jié)舛龋籚(T)——T溫度時瓦斯的產(chǎn)生速率。不同氧氣濃度下松散煤體瓦斯的產(chǎn)生或消耗速率可用下式表示：

(2)

Ψ(d50)——粒徑為50 mm的影響函數(shù)。

1.2 采空區(qū)溫度傳導(dǎo)方程

根據(jù)傅立葉定律，將物體內(nèi)部的熱場與流場通過數(shù)學(xué)表達式聯(lián)系起來：

(3)

其中，λ——熱導(dǎo)率，W/(m·℃)。

當(dāng)介質(zhì)體內(nèi)部有熱源生熱時，其強度為Q，單位為W/m3：

(4)

空間介質(zhì)中的對流熱傳遞方程可以表示：

(5)

式中，ρf——流體的密度，kg/m3；Cf——流體的比熱，J/(kg·℃)；t——時間，s；Vx，Vy，Vz——流體在x、y、z方向的速度分量，m/s。

1.3 多孔介質(zhì)滲流方程

設(shè)定采空區(qū)煤體中氣體密度不變，則有：

(6)

式中，H——總壓，Pa，計算時動能項可以忽略。

2采空區(qū)火災(zāi)數(shù)值模擬

2.1 物理模型的建立

根據(jù)覆巖煤層垮落帶經(jīng)驗公式：

(7)

式中：h——工作面采高，m。

已知東歡坨礦3095工作面實際采高2.5 m，計算得到垮落帶高度為5.93～10.33 m。根據(jù)3095冒落帶參數(shù)，建立東歡坨采空區(qū)“三帶”物理模型，x、y、z軸方向如圖1所示。采空區(qū)長、寬、高為200 m×153 m×30 m，進風(fēng)巷和回風(fēng)巷長、寬、高為26 m×3 m×4 m，工作面長、寬、高為6 m×153 m×4 m，煤層傾角約為17°。采空區(qū)的瓦斯比空氣輕，其自然流動的方向和下行風(fēng)的方向相反，容易造成工作面瓦斯滯留，因此采用上行通風(fēng)方式，巷道與工作面設(shè)置為自由流動空間，內(nèi)部視為多孔介質(zhì)空間，采用Darcy方程進行計算。模擬中用到的關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

“三帶”分布是采空區(qū)火災(zāi)預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)，該項目按照氧濃度劃分采空區(qū)“三帶”。3095工作面回采初期瓦斯涌出量較小，進風(fēng)風(fēng)速為1.34 m/s，后期由于構(gòu)造因素導(dǎo)致瓦斯異常涌出，進風(fēng)風(fēng)速調(diào)整為3.27 m/s。為了分析不同進風(fēng)風(fēng)速對采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律的影響，確定測點最優(yōu)布置方案，模擬分析了風(fēng)速為1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s時采空區(qū)氧氣濃度與自燃帶分布情況，如圖2所示為不同風(fēng)速下采空區(qū)“三帶”分布圖。

圖2 不同風(fēng)速下采空區(qū)“三帶”分布圖

由圖2可得，采空區(qū)進風(fēng)速與自燃帶的分布范圍呈正相關(guān)，即隨著進風(fēng)速度的增大，自燃帶范圍擴大，同時自燃帶的位置向采空區(qū)深處移動。采空區(qū)的進風(fēng)速度與自燃帶寬度關(guān)系見圖3所示，a、b為風(fēng)速增加，進風(fēng)側(cè)自燃帶起始點和終止點移動趨勢的擬合直線。通過擬合的斜率和截距，計算得到自燃帶寬度與進風(fēng)速的線性增長關(guān)系，即隨著進風(fēng)速增加，自燃帶的區(qū)域面積也隨之增加，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的危險性升高。

圖3 自燃帶寬度和進風(fēng)速關(guān)系圖

2.3 采空區(qū)溫度隨風(fēng)速演化規(guī)律

采空區(qū)存在的漏風(fēng)源使自燃帶內(nèi)積聚充足的氧氣，氧化反應(yīng)釋放熱量，多孔介質(zhì)的空間特性又提供了良好的蓄熱條件，熱量積聚會引發(fā)采空區(qū)內(nèi)的煤炭自燃。漏風(fēng)量可直接影響采空區(qū)自燃帶的分布范圍，從而影響高溫區(qū)域的分布規(guī)律。進風(fēng)速增大，相同時間內(nèi)采空區(qū)氧氣濃度升高，遺煤氧化放熱的速率加快，同時影響采空區(qū)內(nèi)供氧和蓄熱的平衡點范圍，從而改變高溫點的位置。

通過3185工作面流進采空區(qū)的低溫氣流，促進了靠近工作面處火源熱量的消散，對熱源起到冷卻作用，降低了火源點周圍區(qū)域的溫度；在自燃帶中心區(qū)域，具有漏風(fēng)量少、氧氣濃度低、氧化放熱周期長的特點，熱量積聚到一定程度也會產(chǎn)生著火點，結(jié)合工作面漏風(fēng)量和蓄熱條件等多種因素綜合分析，采空區(qū)自燃帶進風(fēng)側(cè)高溫區(qū)域大，且不斷向回風(fēng)側(cè)擴散，風(fēng)速越大，擴散越明顯。因此，假定火源中心位置位于進風(fēng)側(cè)，研究進風(fēng)速為1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s的采空區(qū)溫度分布情況，如圖4所示為不同風(fēng)速下采空區(qū)火源溫度分布。

從圖4可知，進風(fēng)風(fēng)速影響采空區(qū)氧濃度的分布，進而改變自燃帶的位置，不同風(fēng)速下熱量積聚的溫度場發(fā)生變化，與自燃帶變化趨勢相同，但仍滿足采空區(qū)溫度場分布規(guī)律，高溫位置隨進風(fēng)速度的增大，向采空區(qū)深處移動，且溫度的傳播范圍也隨之?dāng)U大，高溫區(qū)域擴散明顯。

圖4 不同風(fēng)速下采空區(qū)火源溫度分布

3模擬結(jié)果分析

根據(jù)3185工作面所需最低風(fēng)速1.34 m/s擬合的自燃帶起始點位置確定監(jiān)測工作面后48 m處和進風(fēng)側(cè)距工作面48～168 m的溫度情況，分析隨著進風(fēng)速的增大，采空區(qū)傾斜長度和走向長度方向上的溫度分布規(guī)律，見圖5和圖6所示。

圖5 不同風(fēng)速條件下工作面后48 m處溫度分布圖

圖6 不同風(fēng)速條件下進風(fēng)側(cè)溫度分布圖

由圖5可得，3185工作面方向的整體溫度變化與進風(fēng)速度呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)進風(fēng)速為1.34 m/s時，測得工作面后48 m處溫度峰值121 ℃，當(dāng)進風(fēng)速逐漸增大至2.08 m/s、2.63 m/s、3.27 m/s時，峰值也隨之降低為97.5 ℃、90 ℃、87 ℃。可見，工作面處的峰值大小與進風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)變化，測點在與進風(fēng)側(cè)距離40 m范圍內(nèi)，溫度差異明顯，風(fēng)速越大，溫降趨勢越緩；當(dāng)距離在50 m處時，到達溫度平衡點，此后溫度變化規(guī)律與之前相反。這是因為當(dāng)風(fēng)速較小時，火源溫度距離工作面近，工作面處低溫風(fēng)流的冷卻作用使火源溫度下降速度加快，傳播范圍小。隨著風(fēng)速增大，火源位置逐漸向采空區(qū)深部移動，冷卻效果不再明顯，溫降速度減緩。由于風(fēng)量增加，高溫區(qū)域擴散范圍隨之增大，因此在50 m處溫度呈非線性中心對稱分布。

由圖6可知，風(fēng)速為1.34m/s時進風(fēng)側(cè)溫度先迅速升高再緩慢降低，且溫度下降到距峰值50 m后，趨勢漸緩至基本保持不變，不同風(fēng)速條件下的采空區(qū)火源溫度在進風(fēng)側(cè)的分布規(guī)律基本相同，但隨著進風(fēng)速增加，測定溫度的峰值位置向采空區(qū)深處移動，與自燃帶移動趨勢相同，峰值溫度呈正相關(guān)增長，峰值位于火源中心范圍。

根據(jù)采空區(qū)自燃帶火源溫度分布規(guī)律，可以進一步對溫度監(jiān)測點布置進行優(yōu)化設(shè)計，以每降8～15 ℃為標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)分析，風(fēng)速為1.34 m/s，距進風(fēng)側(cè)40 m前每隔10 m布置溫度傳感器，之后可設(shè)間距20 m；風(fēng)速為2.08 m/s，60 m前每隔20 m布置，之后可設(shè)30 m；風(fēng)速為2.63 m/s和3.27 m/s，可在70 m前每隔30 m布置傳感器。綜合分析得到，在采空區(qū)1/2傾斜長度內(nèi)，每隔10 m布置傳感器，之后將傳感器間距控制在20 m。由于火源高溫區(qū)域隨風(fēng)速變化，進風(fēng)側(cè)的監(jiān)測點按間距10 m均勻布置，可全面監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)的溫度情況。

4結(jié)論

(1)研究發(fā)現(xiàn)采空區(qū)自燃帶內(nèi)進風(fēng)側(cè)高溫區(qū)域明顯，且不斷向回風(fēng)側(cè)擴散，風(fēng)速越大，擴散越廣。原因是采空區(qū)進風(fēng)量對自燃帶位置產(chǎn)生影響，進而影響高溫點的空間分布。

(2)分析不同風(fēng)速下采空區(qū)內(nèi)火源溫度分布規(guī)律：工作面處溫度峰值與進風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，在3185工作面1/3處溫度規(guī)律呈非線性中心對稱分布；進風(fēng)側(cè)溫度先升高再降低，且溫度峰值位置隨進風(fēng)速的增加，向采空區(qū)深處移動，峰值溫度呈正相關(guān)增長。

(3)通過對3185工作面采空區(qū)內(nèi)火源溫度分布規(guī)律的研究，分析設(shè)計該采空區(qū)火源溫度監(jiān)測點的布置方案，在采空區(qū)距進風(fēng)側(cè)1/2傾斜長度內(nèi)，每10 m預(yù)埋溫度傳感器，之后將間距設(shè)置為20 m，在進風(fēng)側(cè)間隔10 m均勻布置。此研究方法可推廣至其他礦井，對于采空區(qū)火源的精確定位提供了一定的理論指導(dǎo)。