CN104794317B - 一种确定边坡残煤自燃温场及燃深的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定边坡残煤自燃温场及燃深的方法，其特征在于，基于PFC3D作为模拟平台借助其热力耦合模型，以及前期对自燃造成边坡破坏形成裂隙的情况，模拟了氧在裂隙中运动并与煤层反应且相互促进发展的过程，从而得到了边坡内温场及燃空区发展深度；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：边坡模型构建，氧流通道的形成，残煤自燃的细观模型构建，热力模拟温场结果；本发明可用于有一定规模的煤堆进行自燃过程分析。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭工程，特别是涉及确定露天矿边坡内残煤发生自燃时内部温度分布及燃空区深度。
背景技术
露天煤矿边坡内往往存在残煤，由于储量小，开采条件复杂，造成残留。据资料统计，全国统配煤矿与重点煤矿中的自燃发火的火灾次数占矿井火灾总次数的94％，其中采空区内遗煤自燃火灾次数又占总火灾次数的60％，是井下发火最严重的部位。而海州露天矿矿坑已经测得有200余处发火点，主要发火点约有50处。从1953-2008年之间共发生了80次滑坡，其中，由残煤自燃诱发达29次，占34％。可见对残煤自燃的研究是相当必要的。
目前对露天矿边坡的残煤自燃研究较少。但实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；自燃造成岩体碎裂后形成裂隙，使氧气随之进入岩体深部，有助于自燃的发展。考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。
尝试使用非连续的颗粒流理论(PFC3D)对残煤自燃进行模拟，模拟自燃过程中岩体破碎形成裂隙后，氧流经过裂隙与煤层接触促进自燃的过程，从而得到边坡内温度分布及燃空区发展情况。研究能为有边坡残煤自燃隐患的露天矿提供可能的燃空区范围，进而判断边坡的稳定性。
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 in3Dimensions)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图4所示公式(1)所示。
根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系如图5所示公式(2)所示。
温度的改变量ΔT与颗粒半径R的关系如图6所示公式(3)所示。
颗粒连接的键(bond force vector)力矢量如图7所示公式(4)所示。
发明内容
由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8～1.2m的正态分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5～1m的正态分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。
氧流通道的形成与煤层自燃是相互促进的。煤层在边坡自由面露头处与大气接触产生自燃，由于温度的传递及氧气的充足使自燃向煤层深处发展。如果认为燃空区发展到边坡内一定深度因缺氧而停止是不对的。在上述工程实例中燃空区根据物探发展深度为150m～200m，远大于氧气供应深度。这是由于在煤层自燃过程中，煤燃烧体积减小造成上覆岩层失去支撑产生裂隙或断裂。这些裂隙向上发展到边坡自由面，使煤层与外界大气环境形成联通的氧流通道，使煤能继续燃烧，进而又促进了氧流通道的形成。但是随着燃空区的深入，岩体完整性和强度逐渐提高，形成的裂隙逐渐减少封闭了氧流通道，所以燃空区的发展应该有一个最大深度。
为模拟煤层自燃的过程，要解决三个问题：1)将空气中的氧按比例等效为颗粒；2)模拟氧气在边坡内岩体裂隙中流动情况；3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。
由于岩体裂隙渗入气体是空气，而与煤反应的氧气应按空气的体积按比例设置。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颗粒浓度为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1.407×10-4kg。为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径RO2＝0.0001m，则球的密度为4.48kg/m3。
模拟氧气在裂隙中流动是通过FISH实现的，首先要确定可以容纳氧气流动的裂隙范围。对于岩土模型而言，在初始地应力场计算完成后，最大不平衡力达到设定值(10-5)，将单元速度和位移设为0，认为岩土模型达到稳定平衡，作为进一步模拟的基础。研究岩层裂隙范围，首先明确破裂是由于位移产生的空隙造成的，所以应根据模型中颗粒的位移情况判断裂隙范围，进而确定形成氧流通道范围，才能模拟氧的流动。基于上述考虑，设煤层自燃过程中模型相邻颗粒位移差大于0.05m时认为形成裂隙，这些空隙范围组成了氧流通道，即在这些范围内设置氧气颗粒。自燃接近结束时的边坡内颗粒位移(对于位移的模拟另文阐述)如图2所示，图中大面积的黑色箭头代表符合条件位移矢量，这个区域就是氧颗粒设置的区域。
设氧在裂隙中的流动服从达西定律。将氧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。氧在裂隙中运动是通过对流和扩散使实现的。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，按照一定条件删除氧颗粒。假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于RO2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。
使用上述模型在PFC3D中模拟热力耦合情况下的残煤自燃后边坡内温场分布。首先将煤层在坡脚露头处附近设置煤的温度为200℃，模拟煤在自燃情况下的自燃开始温度，这个温度产生的热量使煤快速燃烧，自燃得以维持。在模拟过程中自燃使煤体积减少，促使上覆岩层产生裂隙，裂隙发展至边坡自由面形成氧流通道，氧气通过氧流通道深入煤层，维持煤的自燃，这个过程是相互促进的。但是随着煤自燃产生的燃空区深入，岩体的强度和完整性得到加强，自燃导致煤体积的缺失难以使上覆岩层中形成的裂隙发展到边坡自由面(由于深部颗粒相对位移较小)构成氧流通道，燃空区到达某深度后煤层自燃最终停止。
模拟自燃煤层燃空区发展过程中的温场图如图3所示。与图3-8对应的位移矢量图如图2所示。温度分布区域的颜色代表的温度为300K以下为白色，根据温度的不同每隔30K灰度改变一次，480K以上灰度不改变；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。
附图说明
图1模型示意图。
图2对应于图3-8的位移矢量图。
图3燃空区发展过程中的温场图，图3-1～图3-8分别代表燃空深度大致为20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m。注：由于燃空区深度的发展，导致上述子图的比例是不相同的。
图4公式(1)。
图5公式(2)。
图6公式(3)。
图7公式(4)。
图8部分相关参数表。
图9公式(5)。
图10公式(6)。
图11公式(7)。
图12部分相关参数设置。
具体实施方式
海州露天煤矿，位于阜新车站东南3km处，在阜新市区南部太平区境内。全矿占地26.82km2，其中，采场6km2，排土场及排矸厂14.8km2，工业广场3.84km2，住宅及生活设施2.18km2。露天煤田最大范围为西端最大边界为W9+50m，东端最大边界为E29+50，东西长3.9km；南端最大边界为S5+00m，北端最大边界为N13+00m，南北宽1.8km。地表海拔标高为+165～+200m，平均+175m。地势东南高，西北低。露天矿设计开采深度为350m。
某边坡水平(x方向)长271m，高(z方向)157m，地质条件复杂，从上到下斜向分布着砂岩、砂质泥岩、砂岩、煤层、泥岩和砂质页岩，倾角约为-15°。由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8～1.2m的正态分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5～1m的正态分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。相关参数如图8所示。
模型的边界条件：给定煤层温度边界，参考海州露天矿实际情况，环境温度为25℃。模型下部和右部为固定边界。整个模型长(x方向)337m、高(z方向)207m，考虑到主要研究的是边坡剖面，且只在竖直(z方向)受重力作用及颗粒直径等因素，确定模型宽(y方向)为2.5m。模型示意如图1所示。
设氧在裂隙中的流动服从达西定律。将氧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。分别如图9所示公式(5)和图10所示公式(6)所示。
氧在裂隙中运动是通过对流和扩散使实现的，氧的运动方程如图11所示公式(7)所示。
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，按照一定条件删除氧颗粒。假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于RO2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。
其他相关参数如图12所示：
使用上述模型在PFC3D中模拟热力耦合情况下的残煤自燃后边坡内温场分布。首先将煤层在坡脚露头处附近设置煤的温度为200℃，模拟煤在自燃情况下的自燃开始温度，这个温度产生的热量使煤快速燃烧，自燃得以维持。在模拟过程中自燃使煤体积减少，促使上覆岩层产生裂隙，裂隙发展至边坡自由面形成氧流通道，氧气通过氧流通道深入煤层，维持煤的自燃，这个过程是相互促进的。但是随着煤自燃产生的燃空区深入，岩体的强度和完整性得到加强，自燃导致煤体积的缺失难以使上覆岩层中形成的裂隙发展到边坡自由面(由于深部颗粒相对位移较小)构成氧流通道，燃空区到达某深度后煤层自燃最终停止。
如图3所示，子图3-1～图3-8分别代表燃空深度大致为20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m。从模拟结果看，可将上述燃空区发展过程的边坡内温场分布的变化划分为三个阶段。
第一阶段为图3-1～图3-3，这阶段的特点是温度分布的等温线是扇形分布的，燃空区范围在60～70m。该阶段由于距离边坡自由面较近，煤层自燃形成了较多裂隙，氧流通道丰富，氧气充足。图3-1的扇形均匀，而图3-3煤层下边缘的等温跨度大于自由面的等温跨度，这是由于煤自燃，使燃空区深度增加造成的。这个阶段温度最高的区域在坡脚，最高温度从300K到420K，变化较快。
第二阶段为图3-4～图3-6，这阶段的特点是温度分布的等温线由扇形分布向长方扇形分布过度，燃空区范围在70～120m。该阶段由于距离边坡自由面距离增加，煤层自燃虽形成了较多裂隙，但由于岩层渐趋完整且应力较大，使裂隙向上覆岩层发展开始出现困难，竖直方向的氧流通道逐渐被封堵，氧气的供应转而借助于已燃烧区域形成的氧流通道，氧气供应量逐渐减少。从图3-4～图3-6边坡自由面的等温线跨度区域稳定不变，等温线的分布开始以煤层燃空区前端某一区域为中心长方扇形分布。这个区域就是处于快速燃烧阶段的煤层区(下文用“O”区表示，即图中480℃以上区域)，O区的前方和上方的等温线跨度基本相同，后方的等温线跨度增加了几倍。这是由于处于深部的热量难以以热对流形式传递出去在O区积聚，同时O区煤燃烧释放热量，使O区的温度在480K以上，这个阶段最高温度从420K到480K。
第三阶段为图3-7～图3-8，继承了上一阶段的温度分布特点，即以O区为中心的长方扇形等温线分布。最后阶段的图3-8与图3-7相比各等温线的范围在缩小，燃烧在逐渐停止。由于燃空区深度的增加，竖直方向的氧流通道以无法形成，氧气流动完全靠已燃烧区域形成的氧流通道。氧气通道的距离过长导致流动过程中氧与通道前端未烧尽煤反应，使O区氧气浓度降低，抑制该区煤的自燃，O区不断减小，最终停止。这个阶段的燃空区在120～170m，最终O区消失的位置深度约为165m。O区消失后，煤停止快速燃烧，主要热源消失，热量会通过热交换和热对流散失，最终达到平衡恢复原状态。
Claims (1)
1.一种确定边坡残煤自燃温场及燃深的方法，其特征在于，基于PFC3D作为模拟平台借助其热力耦合模型，以及前期自燃造成边坡破坏形成裂隙的情况，模拟了氧在裂隙中运动并与煤层反应且相互促进发展的过程，从而得到了边坡内温场及燃空区发展深度；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：边坡模型构建，氧流通道的形成，残煤自燃的细观模型构建，热力模拟温场结果；氧流通道的形成机理，氧流通道的形成与煤层自燃是相互促进的；煤层在边坡自由面露头处与大气接触产生自燃，由于温度的传递及氧气的充足使自燃向煤层深处发展；由于在煤层自燃过程中，煤燃烧体积减小造成上覆岩层失去支撑产生裂隙或断裂；这些裂隙向上发展到边坡自由面，使煤层与外界大气环境形成联通的氧流通道，使煤能继续燃烧，进而又促进了氧流通道的形成；但是随着燃空区的深入，岩体完整性和强度逐渐提高，形成的裂隙逐渐减少封闭了氧流通道。
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