CN103675227B

CN103675227B - 一种u型通风下采空区发火过程模拟方法

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Publication number: CN103675227B
Application number: CN201310641434.5A
Authority: CN
Inventors: 陈善乐; 汪华君; 崔铁军; 陈亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103675227A

Abstract

本发明公开了一种U型通风下采空区发火过程模拟方法，该方法是在考虑遗煤层由于采动造成的松散多孔结构有利于氧气与煤的接触反应的前提下，使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤层的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；其包括如下步骤：遗煤层模型构建，遗煤层中氧进行模拟，温场模拟结果及分析；本发明非常适合用于研究在U型通风下正常推进时遗煤层发火过程的确定。

Description

一种U型通风下采空区发火过程模拟方法

技术领域

本发明涉及矿业工程，特别是涉及在U型通风下正常推进时遗煤层发火特点及过程的确定。

背景技术

矿井自燃灾害长期以来是严重威胁煤矿安全生产的主要因素之一。许多专家学者针对模拟遗煤自燃的发生方面进行了许多研究，但自燃事故依然时常发生。近几年来，随着放顶煤技术得到普及，端头支架处的顶煤放出率偏低，导致采空区内遗煤较多，采空区自然发火危险程度逐步增大。国内大约有56%的矿井有自燃隐患，远远多于其他国家。而我国煤矿所发生的火灾中有94%都是自燃造成的。统计表明，在所有矿井火灾中有60%是采空区自燃火灾。近期国内、外研究得出采空区是发生自燃灾害最频繁的区域。

针对采空区遗煤自燃问题，目前做法存在问题，采空区顶遗煤受采动影响，已形成了裂隙，其比表面积要大于初始状态下的煤层。在通风条件下，氧气通过裂隙渗入煤层，煤与氧气反应，氧化、放热及自燃。对于这些问题，解析计算及连续理论模拟都不能对其细观自燃发展过程进行较好的反应。

发明内容

本发明的目的是就上述问题，提供一种模拟方法，该方法使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟工具，将氧气等效成为颗粒渗入煤层颗粒，模拟煤与氧气反应并发出热量，从而得到自然发火过程中的采空区遗煤层内温场分布及其特点。

本发明的技术方案：一种U型通风下采空区发火过程模拟方法，该方法使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟工具，将氧气等效成为颗粒渗入煤层颗粒，模拟煤与氧气反应并发出热量，从而得到自然发火过程中的采空区遗煤层内温场分布及其特点。

上述方法中，所述使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤层的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；包括如下步骤：遗煤层模型构建，遗煤层中氧进行模拟，温场模拟结果及分析。

所述遗煤层模型构建具体参数为：回采工作面长200 m、采高4.8 m；以该工作面为例进行U型通风下的采空区自然发火数值模拟；采空区深度取300m，工作面正常推进速度约为3.6 m/d、通风阻力58 Pa、倾角5°，工作面最大风量700~810m³/min，进风温度为19℃，原始岩温为21.7℃，正常推进时遗煤均厚为0.4 m。

所述遗煤层中氧进行模拟的具体参数：1）将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在遗煤层内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

在所述温场模拟结果及分析中，采空区遗煤自然发火过程分为三个阶段，第一阶段是22天以前的时期，这个时期升温区发展比较缓慢，升温过程稳定，形状规则，氧气供应充足；第二阶段是22天到35天期间，这个期间升温区的发展比较剧烈，由于氧气供应问题，各方向的升温区发展速度不同，一般是先纵向再横向再纵向的发展方式；第三阶段是35天后，升温区周围氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展，系统平衡。

所述将空气中的氧按比例等效为颗粒，其过程为：标准状态下，1mol气体=22.4L，所以1m³=44.64mol；O₂浓度=44.64×21%×32=0.3kg/m³，设1m²气体模型内100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度=0.3×0.5/100=0.0015kg/m²=0.0469mol/m²；氧气相对空气的密度（去掉空气对氧气的浮力）为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469×3/1000=1.407×10^-4kg；为了氧在遗煤层里充分扩散，设氧颗粒半径 =0.0001m，则球的密度=1.407×10^-4/( )=4.48kg/m3。

所述模拟氧气在遗煤层内的流动情况是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量；同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域煤颗粒的温度值，实现上述模拟。

所述的煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，在这个过程中由于反应，假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于时，发生反应并放出热量；删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动。

发明人指出：本发明涉及的颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布，可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算，采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。

颗粒流理论基于以下假设：

1)颗粒单元为刚性体；

2)接触发生在很小的范围内，即点接触；

3)接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量；

4)“重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小；

5)接触处有特殊的连接强度；

6)颗粒单元为圆盘形。

颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力，并行连接模型可以承受作用力和力矩。

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。

PFC3D的热模型可以模拟瞬态热传导，由PFC3D颗粒组成的储热材料，以及由于热变引起的热位移和热应力。热材料由储热器和热导管组成，前者由PFC3D的颗粒组成，后者由颗粒之间的连接组成。热传导通过连接储热器的激活管道作为导体传播。目前PFC3D的热模型还不能模拟热辐射和热对流。热拉力的产生是通过修改材料颗粒的半径实现的。

热力耦合涉及的热导参数是温度和热通量。这些变量与连续方程和Fourier热导法则有关。FPC3D中使用由Fourier法则演化的差分热导方程代替了Fourier法则，以使PFC3D可以在给定具体边界条件和初始条件下，解算特殊几何形状和属性的模型。

PFC3D热力模型中主要给定的方程如下：

连续介质热导方程如式（1）所示。

(1)

式中：是热通量，W/m²，i表示第i次计算的量；是体积热源强度或能量密度，W/m³；是材料密度，kg/m³；定容比热，J/kg·C；T是温度，°C。

根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系如式（2）所示。

（2）

式中：是热导张量，W/m·°C。

温度的改变量与颗粒半径R的关系如式（3）所示。

（3）

式中：是颗粒线性热膨胀系数。

颗粒连接的键（bond force vector）力矢量如式（4）所示。

（4）

式中：是键的法向刚度；A键的横截面；成键部分材料的膨胀系数；是键的长度；是温度的增加量。

除此之外，还有数值离散化、热导与热阻关系等，PFC3D用户手册中有详细记载。

本发明是在综合考虑遗煤层由于采动造成的松散多孔结构有利于氧气与煤的接触反应的情况下，使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤层的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；为研究在U型通风下正常推进时遗煤层发火过程的确定提供了非常有效的途径；极具实用价值，能够带来很大的经济效益。

附图说明

图1 U型通风下采空区模型；

图2 采空区遗煤层不同时刻温度分布。

具体实施方式

某矿矿井其18305回采工作面长200 m、采高4.8 m。现以该工作面为例进行U型通风下的采空区自然发火数值模拟。采空区深度取300m，工作面正常推进速度约为3.6 m/d、通风阻力58 Pa、倾角5°，工作面最大风量700~810m³/min，进风温度为19℃，原始岩温为21.7℃，正常推进时遗煤均厚为0.4 m。模型如图1所示。模型原点为左下角采空区(O点)，X轴方向从左到右(横向)，Y轴方向从下到上(纵向)。

使用PFC3D对遗煤层中氧进行模拟，要解决三个问题：1）将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在遗煤层内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程：标准状态下，1mol气体=22.4L，所以1m³=44.64mol。O₂浓度=44.64×21%×32=0.3kg/m³，设1m²气体模型内100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度=0.3×0.5/100=0.0015kg/m²=0.0469mol/m²。氧气相对空气的密度（去掉空气对氧气的浮力）为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469×3/1000=1.407×10^-4kg。为了氧在遗煤层里充分扩散，设氧颗粒半径=0.0001m，则球的密度=1.407×10^-4/( )=4.48kg/m³。

模拟氧气在采空区内的流动是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，如图1所示抛物线，模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量。同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域(如图1中多条抛物线包罗区域)煤颗粒的温度值，实现上述模拟。

氧在遗煤层中的流动服从达西定律。将氧在遗煤层中的流动分解成竖直方向和水平方向，水平方向只考虑风的作用，竖直方向考虑温度变化产生的浮力和颗粒的重力。分别如式（5）和式（6）所示。

（5）

式中：P为压力，Pa；是空气动力黏性系数，kg/(m·s)；k是遗煤层渗透系数，m²。

（6）

式中：v为遗煤层内部竖直方向风速，m/s; 是氧对空气的相对密度，kg/m³；g 为重力加速度，m/s²；T_a、T分别为遗煤层外部和自身的温度，K。

氧在遗煤层内的运输是通过对流和扩散使实现的，氧的运输方程如式（7）所示。

（7）

式中：t是计算时间，s；为遗煤层孔隙率，%；D是空气扩散系数，m²/s；R是氧气消耗速率，mol/(m³·s)。

煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，在这个过程中由于反应，假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于时，发生反应并放出热量。删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动。

本例用到的相关参数取值如下：

气体常数R_s /(J·mol^-1·K^-1)=8.314；空气动力黏性系数/ kg/(m·s)=1.8×10^-5；空气扩散系数D/ m²/s=1.5×10^-5；活化能E_a /( J·mol^-1)= 5×10⁴；煤导热系数 /(J·mol^-1·K^-1)=0.2；放热量 /( J·mol^-1)= 4.2×10⁴；遗煤层渗透系数k /m²=8×10^-7；煤的线性热膨胀系数/(K^-1)= 3.0×10^-6；煤的定容比热/(J·kg^-1·K^-1)=1100。模型处于标准状态。

使用上述模型及工况构建了采空区遗煤自然发火过程模型，根据该模型计算的在不同时刻遗煤层内温度分布及能量迁移如图2所示。

遗煤层温度分布区域的颜色代表的温度为295K以下为白色，307K以上为红色，中间每隔2K用一个颜色表示从小到大分别是棕色、青色、绿色、蓝色、品红、橙色；图中的黄色箭头线段表示能量的流动，是矢量，长度表示能量的大小，方向表示能量传递的方向。

如图2所示，子图A是遗煤层最开始明显升温的时刻。这个时刻大约为模拟时间的第7天，区域温度约为296.5K，位置为X∈(200m,220m)，Y∈(50m,95m)，不规则椭圆形。升温区在采空区横断面偏下，这个位置和形状与通风量、遗煤厚度等有关。子图B是继续保持了遗煤层升温的状态，升温区纵向扩展(Y方向)。这个时刻大约为模拟时间的第15天，区域温度约为298.1K，位置为X∈(200m,225m)，Y∈(50m,110m)，较规则椭圆形。升温区向采空区横断面上方移动，经过前阶段热量的积累，促进了氧化反应的发生，升温区沿气流运动方向扩散。该时刻升温区内两闭合等温线间距基本相同，说明这时的氧化升温是比较稳定的，升温在各方向线性增长。子图C的升温区形状开始突变。这个时刻大约为模拟时间的第22天，区域温度约为301.9K，位置为X∈(200m,235m)，Y∈(50m,125m)，形状很不规则。升温区的范围较子图B变化不大，但温度上升很快，升温区上段区域收紧成尖端状，下端则继续扩大。上述现象是由于遗煤层与氧气加速反应，升温区下端在风流的上游氧气较浓，升温区得以发展；升温区上段在风流的下游氧气浓度降低，升温区发展较慢。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化较多，等温线间距不定，说明这时的氧化升温是比较剧烈的，升温区在个方向增长速度不同。子图D的升温区形状开始横向扩展(X方向)，温度上升很快。这个时刻大约为模拟时间的第27天，区域温度约为304K，位置为X∈(200m,250m)，Y∈(50m,125m)，形状保持了子图C的发展态势，很不规则。这个期间升温区范围在纵向上发展比较缓慢，主要是在横向发展。原因是沿气流运动方向的氧气供应不足，在前阶段蓄积的热量向四周扩散(如图中黄色箭头)，与风流垂直方向区域可以获得较充分的氧气，从而产生氧化反应，使升温区横向扩展。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化较多，等温线间距不定，但走向变化及等温线间距要比子图C规则，说明这时的氧化升温仍然剧烈，但是逐渐趋于平稳。子图E的升温区形状又开始大范围纵向扩展，横向扩展较小，温度上升很快。这个时刻大约为模拟时间的第31天，区域温度约为306.1K，位置为X∈(200m,270m)，Y∈(50m,150m)，形状在子图D上进一步发展，形状趋于规则。该时刻升温区在纵向和横向发展速度都快，纵向发展大于横向发展，其原因与子图B的形成相似。由于升温区横向的发展，与氧气流的垂直接触范围增大，形成了新的纵向氧气供应通道，从而使处于氧气流下游的区域得氧升温，升温区上段纵向得以发展。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化减少，等温线间距比较一致，比子图D规则，说明这时在氧化升温的同时其个方向的氧化升温速度区域稳定。子图F的升温区形状横向扩展较大，纵向扩展停止，升温区现梯形。这个时刻大约为模拟时间的第35天，区域温度约为308K，位置为X∈(200m,300m)(300m后超出研究区域且升温区停止发展)，Y∈(50m,150m)，再一次出现突变，与子图C相仿。升温区纵向扩展停止由于风流假设为抛物线(如图1所示)，经过采空区上边界和下边界的氧气较少，不足以供应氧化升温反应。升温区在300m后的采空区发展也较小，这是由于300m的距离离通风口较远，氧气浓度同样是不足的。

综上所述，采空区遗煤自然发火过程可以分为三个阶段，第一阶段是22天以前的时期，这个时期升温区发展比较缓慢，升温过程稳定，形状规则，氧气供应充足；第二阶段是22天到35天期间，这个期间升温区的发展比较剧烈，由于氧气供应问题，各方向的升温区发展速度不同，一般是先纵向再横向再纵向的发展方式；第三阶段是35天后，升温区周围氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展，系统平衡。

Claims

1.一种U型通风下采空区发火过程模拟方法，其特征在于，该方法使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟工具，将氧气等效成为颗粒渗入煤层颗粒，模拟煤与氧气反应并发出热量，从而得到自然发火过程中的采空区遗煤层内温场分布及其特点。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤层的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；包括如下步骤：遗煤层模型构建，遗煤层中氧进行模拟，温场模拟结果及分析。

3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述遗煤层模型构建具体参数为：回采工作面长200 m、采高4.8 m；以该工作面为例进行U型通风下的采空区自然发火数值模拟；采空区深度取300m，工作面正常推进速度约为3.6 m/d、通风阻力58 Pa、倾角5°，工作面最大风量700~810m³/min，进风温度为19℃，原始岩温为21.7℃，正常推进时遗煤均厚为0.4 m。

4.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述遗煤层中氧进行模拟的具体参数：1）将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在遗煤层内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

5.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在所述温场模拟结果及分析中，采空区遗煤自然发火过程分为三个阶段，第一阶段是22天以前的时期，这个时期升温区发展比较缓慢，升温过程稳定，形状规则，氧气供应充足；第二阶段是22天到35天期间，这个期间升温区的发展比较剧烈，由于氧气供应问题，各方向的升温区发展速度不同，一般是先纵向再横向再纵向的发展方式；第三阶段是35天后，升温区周围氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展，系统平衡。

6.根据权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述将空气中的氧按比例等效为颗粒，其过程为：标准状态下，1mol气体=22.4L，所以1m³=44.64mol；O₂浓度=44.64×21%×32=0.3kg/m³，设1m²气体模型内100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度=0.3×0.5/100=0.0015kg/m²=0.0469mol/m²；去掉空气对氧气的浮力后，氧气相对空气的密度为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469×3/1000=1.407×10^-4kg；为了氧在遗煤层里充分扩散，设氧颗粒半径 =0.0001m，则球的密度=1.407×10^-4/( )=4.48kg/m³。

7.根据权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述模拟氧气在遗煤层内的流动情况是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量；同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域煤颗粒的温度值，实现上述模拟。

8.根据权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述的煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，在这个过程中由于反应，假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于时，发生反应并放出热量；删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动。