CN104614502A

CN104614502A - 一种u型通风条件下采空区发火过程模拟方法

Info

Publication number: CN104614502A
Application number: CN201510043014.6A
Authority: CN
Inventors: 荣德生; 贺莹; 崔铁军; 赫飞; 马恒
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明公开了一种U型通风条件下采空区发火过程模拟方法，其特征在于，考虑到遗煤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，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：建立基本几何模型，初始状态设定，将空气中的氧按比例等效为颗粒，模拟氧气在遗煤内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程；本发明可用于预测U型通风条件下采空区发火过程。

Description

一种U型通风条件下采空区发火过程模拟方法

技术领域

本发明涉及巷道通风工程，特别是涉及U型通风条件下采空区发火过程预测。

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，远远多余其他国家。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，目前已有一定的研究。但是这些研究基本都是根据实际数据得到的解析解，或是基于连续介质理论的模拟。认为这些做法存在问题，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。

就上述问题，尝试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遗煤的颗粒，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内温场分布及其特点。

发明内容

1 PFC3D及其热力耦合模型

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：

连续介质热导方程为：-?q_i/?x_i+q_v=ρC_v?T/?t

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

连续介质热通量与温度梯度的关系为：q_i=-k_ij?T/?x_j

式中： k_ij是热导张量，W/m·°C。

温度的改变量?T与颗粒半径R的关系为：?R=αR?T 式中：α是颗粒线性热膨胀系数。

颗粒连接的键（bond force vector）力矢量为：?Fⁿ=-kⁿA?Uⁿ=-kⁿA(αL?T)

式中：kⁿ是键的法向刚度；A键的横截面；α成键部分材料的膨胀系数；L是键的长度；?T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，由于篇幅所限不予以介绍，详见PFC3D用户手册。

2遗煤发火的细观模型构建

矿井回采工作面长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0.5 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，300m)，Y轴方向从下到上(纵向,200m)。对于煤颗粒的设置：颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m³，弹性模量和剪切模量为3.5×10⁸Pa，颗粒半径范围[0.05m,0.075m]，孔隙率0.3。

使用PFC3D对遗煤中氧进行模拟，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。为了氧在遗煤里充分扩散，设氧颗粒半径为0.0001m，则球的密度为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。

氧在遗煤内的运输是通过对流和扩散使实现的，氧的运输方程为：ε?c/?t+?(uc)/?x+?(uc)/?y=D(?²u/?x²+?²u/?y²)-(1-ε)R

式中：t是计算时间，s；ε为遗煤孔隙率，%；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氧气模拟半径时，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。反应遵循碳与氧反应的化学方程式。

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λ_s/(J·mol^-1·K^-1)=0.2；放热量?Q /( J·mol^-1)= 4.2×10⁴；遗煤渗透系数k /m²=8×10^-7；煤的线性热膨胀系数α/(K^-1)= 3.0×10^-6；煤的定容比热C_v/(J·kg^-1·K^-1)=1100。模型处于标准状态。

放热量这个数值是较大的，在低温下煤氧反应放出的热量相对是很小的。这样做是因为设置了100个氧颗粒与煤反应放热，这100个氧颗粒中的每一个，代表了一定范围内的氧与煤的反应，而不是单单就一个颗粒的反应，设置了较高的反应热是为了宏观上的效果与实际情况一致。这里一个氧颗粒与煤颗粒反应实际代表了很多氧与煤的反应，反应热设置的较高可以从一个煤颗粒向周围扩散温度，达到宏观上一定范围的氧与煤反应的效果。

附图说明

图1 U型通风下采空区模型。

图2 采空区遗煤不同时刻温度分布。

具体实施方式

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内温度分布及能量迁移如图2所示。

遗煤温度分布区域的灰度代表温度为295K以至307K，灰度从外到内逐次随温度改变，每次改变梯度为2K；图中的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，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。

模拟了遗煤发火自燃过程。第一阶段是22天以前的时期，温度从294K升高到301.9K，升温区发展至X∈(200m,235m)，Y∈(50m,125m)；第二阶段是22天到35天期间，温度升高到308K，升温区发展至X∈(200m,300m)，Y∈(50m,150m)；第三阶段是35天后，温度和升温区范围停止发展，系统平衡。

遗煤发火自燃过程中升温区的变化与氧气流动有很大关系。第一阶段氧气供应充足，升温过程稳定，形状规则；第二阶段由于氧气供应问题，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；第三阶段氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展。

Claims

1.一种U型通风条件下采空区发火过程模拟方法，其特征在于，考虑到遗煤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，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：建立基本几何模型，初始状态设定，将空气中的氧按比例等效为颗粒，模拟氧气在遗煤内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程；本发明可用于预测U型通风条件下采空区发火过程。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，使用PFC3D及其热力耦合模型进行U型通风条件下采空区发火过程模拟，包括连续介质热导方程、根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系、温度的改变量ΔT与颗粒半径R的关系。

3.根据权利要求1所述的基本几何模型，其特征在于，回采工作面长200 m、采高4.8 m，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0.5 m。

4.根据权利要求1所述的基本初始状态，其特征在于，模型原点为左下角采空区(O点)，X轴方向从左到右(横向，300m)，Y轴方向从下到上(纵向,200m)；对于煤颗粒的设置：颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m³，弹性模量和剪切模量为3.5×108Pa，颗粒半径范围[0.05m,0.075m]，孔隙率0.3。

5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，使用PFC3D对遗煤中氧进行模拟，包括1）将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在遗煤内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

6.根据权利要求5所述的将空气中的氧按比例等效为颗粒，其特征在于，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，每个氧气颗粒的相对质量为0.0469×3/1000=1.407×10^-4kg；为了氧在遗煤里充分扩散，设氧颗粒半径为0.0001m，则球的密度为=4.48kg/m³。

7.根据权利要求5所述的模拟氧气在遗煤内的流动情况，其特征在于，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，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。