CN109063912A - 一种采空区自然发火定量化预报方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采空区自然发火定量化预报方法及应用，其中，采空区自然发火定量化预报方法，包括以下步骤：1)建立多场耦合下采空区一氧化碳浓度场数学模型；2)离散采空区一氧化碳浓度场模型；3)编制采空区一氧化碳浓度场求解程序；4)数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数；5)根据预报函数确定合理的一氧化碳预报阈值，与现场观测到的工作面上隅角一氧化碳涌出量进行比对，判断是否有发火风险。本发明所述的采空区自然发火定量化预报方法，以工作面上隅角一氧化碳涌出量来定量评估采空区自然发火风险，可提高采空区早期煤自燃预报的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿采空区自然发火预测技术领域，尤其是涉及一种采空区 自然发火定量化预报方法及应用。
背景技术
采空区自然发火是影响井下安全生产的重大灾害之一。目前，国内外学 者提出了许多先进的方法来评估采空区自然发火程度，包括温度观测法、数 值模拟法、气体分析法等。温度观测法比较直观，主要通过布置传感器测定， 其测温范围相对较小，传感器的布置受煤体温度场传导速度的限制，对测温 的要求也比较高，需要考虑传感器具有良好的抗湿性和抗氧化性，且传感器 布置数量较多，成本较大。数值模拟法由于受到气流和外界因素的干扰，且 模型是建立在一定的假设基础上，所以模拟结果与实际情况存在一定误差， 但该方法成本较低。气体分析法由于因煤质和实验条件不同而异，只有按照 一定的实验条件，通过实验才能优选出适合各矿和各煤层的指标气体，进而 进行及时准确的预报。
一氧化碳是评估采空区自然发火程度的主要指标气体。尽管现阶段在实 验室对煤自热的一氧化碳释放量进行了大量研究，但涉及采空区一氧化碳生 成及运移规律的研究还较少，基于一氧化碳预报采空区煤自燃的早期预警阈 值也还没有确定,并且，实验室获得的数据往往不能应用于煤矿现场。首先， 实验条件下获得的一氧化碳随煤温变化生成规律乃至Graham系数、Trickett 系数等不能直接应用于现场，这是因为实验室实验忽略了井下实际通风、地 质变化和工作面推进等因素对一氧化碳生成的影响。其次，现场人员在选择 一氧化碳作为主要指标气体后，往往存在一个认识误区，很多现场工作人员 将上隅角一氧化碳超限理解为采空区遗煤自燃已经到了很严重的程度，错误 地认为一氧化碳浓度达到24ppm就是采空区自然发火的预警阈值。实际上， 0.0024％仅仅是从人体健康的角度做出的规定，一个成年人在八小时内可以 承受的一氧化碳最大浓度为0.005％，限定在0.0024％是保留一定的安全系数。 那么上隅角一氧化碳浓度多大意味着采空区已经自燃，是一个值得深入探讨 的问题。唐山沟矿8201工作面因验收而停采9个月，复采后上隅角一氧化 碳一直超限，最高浓度达到500ppm，但整个推进过程并没有发生自燃火灾， 研究认为超限是上覆煤层老窑一氧化碳泄露所致，而河东矿41001工作面上 隅角一氧化碳达到500ppm，就已经出现了明火。因此，采空区自燃程度与上 隅角一氧化碳浓度的关联性是一直困扰学术界的黑箱，也是定量化预警的主 要难点。因此，本研究的主要目的是建立一个基于上隅角一氧化碳浓度的采 空区自然发火定量化预报函数，并确定合适的预警临界值。
通过分析可知，目前的预测、预报技术虽然对采空区自然发火的防治起 到很大作用，但仍不能满足生产高度集中的综采放顶煤开采技术的需要，且 采空区自燃程度与上隅角一氧化碳的浓度关系仍不明确。所以，发明一种新 型的、高准确率的预测预报技术迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种采空区自然发火定量化预报方法，以克 服现有技术的缺陷，以工作面上隅角一氧化碳涌出量来定量评估采空区自然 发火风险，可提高采空区早期煤自燃预报的准确性和可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种采空区自然发火定量化预报方法，包括以下步骤：
1)建立多场耦合下采空区一氧化碳浓度场数学模型；
2)离散采空区一氧化碳浓度场模型；
3)编制采空区一氧化碳浓度场求解程序；
4)数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数；
5)根据预报函数确定合理的一氧化碳预报阈值，与现场观测到的工作 面上隅角一氧化碳涌出量进行比对，判断是否有发火风险。
优选的，步骤1)中，一氧化碳浓度场数学模型包括一氧化碳浓度场积 分方程与边界条件：
式中：n为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；v为风流速度，单位为m/s；CCO为一氧化碳的浓度，单位为mol/m3；kCO为一氧化碳的扩散系数，为常数；v0为工作面平均推进速度，单位为m/s；α为煤层倾角，单位为°； Γ1下、Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为采空区边界，其中Γ1下为靠近采煤工作面边界的下 半段(漏风流入段)，属于第一类边界条件，Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为第二类边 界条件，其中Γ1上为靠近采煤工作面边界的上半段(漏风流出段)，Γ2、Γ3为 采空区上、下两行煤柱，Γ5为采空区顶板边界，Γ6为采空区底板边界；D为 采空区一氧化碳浓度场中任一控制体的面积，单位为m2；S为采空区一氧化 碳浓度场中任一控制体微元的面积，单位为m2；V为采空区一氧化碳浓度场 中任一控制体的体积，单位为m3；为环境中氧气浓度，单位为mol/m3； 为控制体边界面上面积微元ΔS的单位法线向量且指向朝外；w(t)为单位时 间内单位体积的一氧化碳生成量，单位为mol/(s·m3)，w(t)可由公式(2)计算获得：
式中：为新鲜风流中的氧浓度，单位为mol/m3；为环境中氧气的浓 度，单位为mol/m3；为标准CO生成速率，单位为mol/(m3·s)，其可通 过煤的低温氧化实验测得，见公式(3)：
式中：为煤样罐出口的一氧化碳浓度，单位为mol/m3；分别 是煤样罐进、出口的氧浓度，单位为mol/m3；为标准耗氧速率，单 位为mol/(m3·s)。
优选的，步骤1)中，多场耦合是指采空区流场、氧气浓度场、固体温 度场以及气体温度场相互影响、相互作用；采空区自然发火的流场、氧气浓 度场、固体温度场和气体温度场等各场的积分方程可由质量守恒定律、能量 守恒定律以及菲克扩散定律获得，联立这四个场的模型可获得采空区自然发 火的多场耦合三维模型如下：
边界条件为：
式中：ρg为控制体内的气体密度，单位为kg/m3；K为采空区渗透系数，单 位为m/s；p(x,y,z)为已知边界Γ1上的风压函数，依据封闭曲面外法线方向 的规定，流出为正、流入为负；为氧浓度的质量浓度，单位为kg/m3；为氧气的扩散系数常数；为氧气物质的量的浓度，单位为mol/m3；u(t)为 单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m3)；c(x,y,z)|为边界上的氧气浓 度函数，单位为mol/m3；λs为冒落煤岩固体的导热系数，单位为W/(m·℃)； Ts为固体颗粒的温度，单位为K；Ke为对流换热系数，单位为J/(m2·s·K)；Se为控制体内固体颗粒与气体对流换热的表面积，单位为m2；Tg为气体温度， 单位为K；q(t)为位时间内控制体内遗煤的放热量，单位为kJ/(mol·s)；ρs为 固体颗粒的密度，单位为kg/m3；Cs为固体颗粒的比热容，单位为KJ/(kg·K)； λg为气体的导热系数，单位为W/(m·℃)；ρg为气体的密度，单位为kg/m3； Cg为气体的比热容，单位为KJ/(kg·K)；t(x,y,z)为边界的温度函数，单位为 mol/m3；流场边界条件中，Γ1为靠近工作面的边界，属于第一类边界条件， Γ2、Γ3、Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为 采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区 底板边界；氧气浓度场边界条件中，边界Γ1与工作面相连接，根据漏风的流 入分为上下两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，若工作面 推进过程中沿进、回风巷布置有束管监测氧气浓度变化，则Γ1上上半段(漏 风流出段)、Γ2、Γ3为第一类边界条件，若无束管监测，则Γ1上上半段(漏风流出段)、Γ2、Γ3为第二类边界条件，Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，则属 于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部 边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；固体温度场边界条件中，边界 Γ1与工作面相连接，其温度等于冒落煤岩的原始岩温，属于第一类边界条件， 边界Γ4到Γ6属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱， Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；气体温度场边 界条件中，边界Γ1与工作面相连接，其温度根据漏风的流入和流出分为上下 两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，上半段Γ1上(漏风流出 段)、Γ2、Γ3、Γ4、Γ5以及Γ6为绝热边界，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两 行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界。
优选的，步骤1)中，对一氧化碳浓度场、流场、氧气浓度场、固体温 度场以及气体温度场进行数学建模采用移动坐标系或静坐标系。
优选的，步骤2)中，采用四面体划分解算区域网格，利用四面体有限 体积法离散采空区一氧化碳浓度场模型，四面体中节点对控制体中节点的一 氧化碳方程可以离散为：
可以简写为：
控制体单元对节点i,j,k,m一氧化碳浓度场方程贡献的矩阵表达式为
式中：α'、β'、γ'为的方向角，所谓方向角即指向量与三个坐标轴(x， y，z)的夹角；vx、vy、vz为沿三个坐标轴(x，y，z)的风流速度分量； l为节点序号下标；Jl(l＝i,j,k,m)为控制体单元对节点i,j,k,m的贡献；
优选的，步骤3)中，编制一氧化碳浓度场求解程序，并将编制好的一 氧化碳浓度场求解程序融入采空区自然发火三维仿真系统(COMBUSS-3D) 或Matlab，进行一氧化碳浓度场与流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温 度场的耦合求解。
优选的，步骤4)中，数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数的 方法为：借用采空区自然发火三维仿真系统，选取30～100℃的计算数据， 利用对数函数进行拟合，得预报函数：
Tmax＝14.60ln(C0)+3.27 (8)
式中，Tmax是采空区中的最高温度，单位为℃；C0是工作面上隅角一氧化 碳浓度，单位为ppm。
优选的，步骤5)中，在已知某煤层自燃临界温度的情况下，根据式(8) 计算出该临界温度对应的上隅角一氧化碳浓度，其值可用作采空区自然发火 的预警阈值；当观察到工作面上隅角一氧化碳浓度超过该预警值，那就说明 煤自热进入自加速阶段，需要采取有效的防治措施；否则不需采取有效措施。
优选的，所述的采空区自然发火定量化预报方法，还包括现场观测修 正预报函数的步骤，该步骤位于步骤5)的后面；优选的，现场观测修正 预报函数的方法为：对于不同的煤层或矿井来说，可根据不同时段工作面 风流中的氧浓度和上隅角涌出氧浓度的比值的平均值R对预报函数进行修 正，修正后的预报函数为：
Tmax＝14.60Rln(C0)+3.27 (9)。
本发明所述的采空区自然发火定量化预报方法在采煤工作面推进情况 下自然发火定量化预报中的应用，以及其在下采煤工作面停采条件下自然发 火定量化预报中的应用。
相对于现有技术，本发明所述的一种采空区自然发火定量化预报方法具 有以下优势：
本发明所述的一种采空区自然发火定量化预报方法，以工作面上隅角一 氧化碳涌出量来定量评估采空区自然发火风险，可提高采空区早期煤自燃预 报的准确性和可靠性，对防治采空区自燃火灾具有重要意义。
本发明所述的一种采空区自然发火定量化预报方法，既可以在采煤工作 面推进情况下使用，也可以下采煤工作面停采条件下使用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
图1为采空区一氧化碳浓度场与其他各场之间的耦合作用关系；
图2为“U”型综采工作面采空区移动坐标系(图中，Γ1、Γ2、Γ3、Γ4、 Γ5、Γ6为采空区边界条件)；
图3为采空区氧气浓度、固体温度、及一氧化碳分布(也即在正常开采 条件下，通过采空区自然发火系统模拟的结果(其中长壁工作面推进速率v0＝3.6m/d，碎煤厚度h0＝0.4m，通风量Qf＝650m3/min))；
图4为进风巷模拟一氧化碳浓度和实测数据的比较图；
图5采空区最高温度与上隅角一氧化碳浓度之间的函数关系之30℃至100℃数据拟合曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明一种采空区自然发火定量化预报方法，其包括以下步骤：
1)构建多场耦合下采空区一氧化碳生成及运移理论：本发明采用一氧 化碳作为煤自燃预报指标气体，多场耦合下采空区一氧化碳生成及其运移与 采空区自然发火密切相关，从宏观上看，采空区一氧化碳浓度场的分布受到 流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温度场等多场耦合作用的影响，另一 方面采空区自然发火也是由于空气渗流、氧气输运、热量传递及煤氧放热反 应等多物理因素相互耦合所引起的。这表明采空区一氧化碳浓度场应纳入到 采空区自然发火多场耦合模型内，并在多场耦合条件下进行求解，一氧化碳浓度场与其它各场间的相互耦合关系参见图1。
2)建立多场耦合下采空区一氧化碳浓度场数学模型：多场耦合下一氧 化碳浓度场模型包括一氧化碳浓度场积分方程与边界条件，所述一氧化碳浓 度场积分方程由质量守恒定律可得，即单位时间内，流入控制体的一氧化碳 气体净质量、扩散作用下进入控制体的一氧化碳气体净质量以及控制体内的 生成的一氧化碳质量之和等于移动坐标下控制体内一氧化碳气的质量变化， 为了与菲克定律保持一致，最后将质量浓度转换为摩尔浓度，则有一氧化碳 浓度场积分方程和边界条件如下：
式中：n为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；v为风流速度，单位为m/s；CCO为一氧化碳的浓度，单位为mol/m3；kCO为一氧化碳的扩散系数，为常数；v0为工作面平均推进速度，单位为m/s；α为煤层倾角，单位为°； Γ1下、Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为采空区边界，其中Γ1下为靠近采煤工作面边界的下 半段(漏风流入段)，属于第一类边界条件，Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为第二类边 界条件，其中Γ1上为靠近采煤工作面边界的上半段(漏风流出段)，Γ2、Γ3为 采空区上、下两行煤柱，Γ5为采空区顶板边界，Γ6为采空区底板边界；D为 采空区一氧化碳浓度场中任一控制体的面积，单位为m2；S为采空区一氧化 碳浓度场中任一控制体微元的面积，单位为m2；V为采空区一氧化碳浓度场 中任一控制体的体积，单位为m3；为环境中氧气浓度，单位为mol/m3； 为控制体边界面上面积微元ΔS的单位法线向量且指向朝外。
2.1)所述一氧化碳浓度场积分方程中单位时间内单位体积的一氧化碳生 成量w(t)可由公式(2)计算获得：
式中：为新鲜风流中的氧浓度，单位为mol/m3；为环境中氧气的浓 度，单位为mol/m3；为标准CO生成速率，单位为mol/(m3·s)，其可通 过煤的低温氧化实验测得，见公式(3)：
式中：为煤样罐出口的一氧化碳浓度，单位为mol/m3；分别 是煤样罐进、出口的氧浓度，单位为mol/m3；为标准耗氧速率，单 位为mol/(m3·s)。
2.2)所述采空区自然发火多场耦合作用是指采空区流场、氧气浓度场、 固体温度场以及气体温度场相互影响、相互作用；采空区自然发火的流场、 氧气浓度场、固体温度场和气体温度场等各场的积分方程可由质量守恒定 律、能量守恒定律以及菲克扩散定律获得，联立这四个场的模型可获得采空 区自然发火的多场耦合三维模型如下：
边界条件为：
式中：ρg为控制体内的气体密度，单位为kg/m3；K为采空区渗透系数，单 位为m/s；p(x,y,z)为已知边界Γ1上的风压函数，依据封闭曲面外法线方向 的规定，流出为正、流入为负；为氧浓度的质量浓度，单位为kg/m3；为氧气的扩散系数常数；为氧气物质的量的浓度，单位为mol/m3；u(t)为 单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m3)；c(x,y,z)|为边界上的氧气浓 度函数，单位为mol/m3；λs为冒落煤岩固体的导热系数，单位为W/(m·℃)； Ts为固体颗粒的温度，单位为K；Ke为对流换热系数，单位为J/(m2·s·K)；Se为控制体内固体颗粒与气体对流换热的表面积，单位为m2；Tg为气体温度， 单位为K；q(t)为位时间内控制体内遗煤的放热量，单位为kJ/(mol·s)；ρs为 固体颗粒的密度，单位为kg/m3；Cs为固体颗粒的比热容，单位为KJ/(kg·K)； λg为气体的导热系数，单位为W/(m·℃)；ρg为气体的密度，单位为kg/m3； Cg为气体的比热容，单位为KJ/(kg·K)；t(x,y,z)为边界的温度函数，单位为 mol/m3；流场边界条件中，Γ1为靠近工作面的边界，属于第一类边界条件， Γ2、Γ3、Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为 采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区 底板边界；氧气浓度场边界条件中，边界Γ1与工作面相连接，根据漏风的流 入分为上下两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，若工作面 推进过程中沿进、回风巷布置有束管监测氧气浓度变化，则Γ1上上半段(漏 风流出段)、Γ2、Γ3为第一类边界条件，若无束管监测，则Γ1上上半段(漏风流出段)、Γ2、Γ3为第二类边界条件，Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，则属 于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部 边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；固体温度场边界条件中，边界 Γ1与工作面相连接，其温度等于冒落煤岩的原始岩温，属于第一类边界条件， 边界Γ4到Γ6属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱， Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；气体温度场边 界条件中，边界Γ1与工作面相连接，其温度根据漏风的流入和流出分为上下 两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，上半段Γ1上(漏风流出 段)、Γ2、Γ3、Γ4、Γ5以及Γ6为绝热边界，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两 行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界。
2.3)本发明引入移动坐标系对所述一氧化碳浓度场、流场、氧气浓度场、 固体温度场以及气体温度场进行数学建模，该移动坐标系设置在液压支架 处，并随着工作面的推进而向前移动，且采空区的深部边界设置在窒息带， 以工作面同样的速率向前推进，故采空区计算区域能被固定在距工作面一定 距离的范围内，从而回避时间效应的影响，但需要清楚的是，引入移动坐标 而建立的稳态物理场模型只是避免了时间效应，但并没有消除时间效应，此 外，对采空区各场进行数学建模的坐标系不仅限于移动坐标系一种，如静止 坐标系等亦可。
3)离散采空区一氧化碳浓度场模型：采用四面体划分解算区域网格， 利用四面体有限体积法离散采空区一氧化碳浓度场模型，离散方法不仅限于 有限体积法，其他类似方法如有限差分法、有限单元法、有限体积法等亦可， 四面体中节点对控制体中节点的一氧化碳方程可以离散为：
可以简写为：
控制体单元对节点i,j,k,m一氧化碳浓度场方程贡献的矩阵表达式为
式中：α'、β'、γ'为的方向角，所谓方向角即指向量与三个坐标轴(x， y，z)的夹角；vx、vy、vz为沿三个坐标轴(x，y，z)的风流速度分量； l为节点序号下标；Jl(l＝i,j,k,m)为控制体单元对节点i,j,k,m的贡献；
4)编制采空区一氧化碳浓度场求解程序：编制一氧化碳浓度场求解程 序并将其融入采空区自然发火三维仿真系统(COMBUSS-3D)，该系统可 实现一氧化碳浓度场与流场、氧气浓度场、固体温度场以及气体温度场的耦 合求解，所述COMBUSS-3D软件利用逐次超松弛法求解由有限体积法离散 后的一氧化碳浓度场线性方程，一氧化碳浓度场求解结果将与流场、氧气浓 度场、固体温度及气体温度等解算结果同时输出，通过处理软件Tecplot读取这些计算数据文件后，可以同时输出压力、风速、氧气浓度、固体和气体 温度及一氧化碳浓度的等值线图，求解一氧化碳浓度场的软件不仅限于 COMBUSS-3D软件一种，其他具有类似功能的软件如Matlab等软件亦可用 于求解。
5)数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数：
5.1)使用COMBUSS-3D软件对采空区自然发火情况进行数值仿真，以 研究上隅角一氧化碳浓度与采空区自然发火之间的定量关系。以图2所示的 “U”型通风综采工作面采空区为例，具体模拟参数及煤样性质见表1，模 拟中不考虑采空区甲烷解吸带来的影响。多场耦合模型中包含的参数(如表 1所示)可以分为两类：煤的性质与开采工艺参数。对于模型验证，一旦确 定了要研究的煤样，其性质参数就是明确的，而开采参数(如工作面推进速度和通风量)是宏观变量，模拟结果对这些参数值的变化非常敏感，因而这 些值应与现场实际情况一致。模拟得到正常开采条件下的采空区氧浓度、固 体骨架温度以及一氧化碳浓度的分布云图。从图3中可以看出：(1)受空 气渗流和氧气弥散的综合影响，采空区进风侧出现了高氧浓度区域，在采空 区中部很容易以氧浓度10％到18％为指标划分出氧化自热带，这与大多数的 现场观测结果相一致；(2)沿着采空区新鲜风流的供应路径，当具备充足的氧气和良好的蓄热条件时，采空区高温区便会形成，其发生自燃的风险非 常高，前人的研究也指出这样的自热高温区应位于采空区迎风侧，另外，一 旦采空区固体温度升高起来，由于煤与空气间的热传导性能很差，高温区的 温度下降会非常慢，即便它已经进入了窒息带；(3)高浓度的一氧化碳积 聚在氧化自热带与高温区的重叠区域内，这与多场耦合模型的理论预期是一 致的。高浓度的一氧化碳沿着风流路径逐渐降低，最后流出采空区。为进一 步验证该耦合模型的正确性，在靠近某矿W1714工作面进风巷附近布置了 一趟束管气体收集系统对不同深度的一氧化碳浓度进行现场检测，其数据结 果与对应的模拟结果进行了对比，见图4。结果表明，所计算的一氧化碳浓 度与相同位置的监测数据基本一致，虽然有一些差异，但两者的总体变化趋 势一致。因此，本发明所建立多场耦合下的采空区一氧化碳生成及运移模型 具有较高的精度。
表1数值模拟参数
5.2)采空区自然发火定量预报函数由COMBUSS-3D软件获得。模拟的 开采参数见表2，这里只计算位于液压支架尾梁处的上隅角一氧化碳浓度， 因而可以忽略工作面风流对上隅角一氧化碳浓度的干扰。高温会使煤氧反应 进入深度氧化阶段，在短时间内产生大量的一氧化碳，从而造成了计算数据 剧烈波动。例如，当采空区最高温度为133℃时，工作面上隅角的一氧化碳 浓度竟达到1274ppm。因此，为了提高预测的准确性和适用性，考虑到煤自 燃临界温度通常在50℃～80℃之间，只选取30℃到100℃之间的计算数据利 用对数函数进行拟合，结果见图5所示。对数拟合方程如下见式(8)。该 式(8)表明，在低温阶段(30℃至100℃)，采空区最高温度与上隅角 一氧化碳浓度的对数呈线性关系，这是定量化采空区自然发火的理论依据。 另一方面，一般认为，只要采空区内的最高温度低于该种煤的自燃临界温度， 就不会发生采空区自燃火灾事故。
Tmax＝14.60ln(C0)+3.27 (8)
式中，Tmax是采空区中的最高温度，℃；C0是工作面上隅角一氧化碳浓度， ppm。
表2具体模拟参数
6)确定合理的一氧化碳预报阀值：根据所述步骤5)的方法可以获得不 同矿井实际的采空区最高温度和上隅角一氧化碳浓度的对数关系式。例如， 在已知某煤层临界温度的情况下，根据式(8)，可以计算出该临界温度对 应的上隅角一氧化碳浓度，其值可用作采空区自然发火的预警阈值，它意味 着如果观察到工作面上隅角一氧化碳浓度超过该临界温度对应的上隅角一 氧化碳浓度，那么煤自热很可能进入自加速阶段，从而需要采取有效的防治 措施；否则不需采取有效措施。例如，选取潞宁煤矿的煤样，该煤样的自燃 临界温度约为60℃，根据式(8)所获得的预警阈值为49ppm，它意味着如 果观察到工作面上隅角一氧化碳浓度超过49ppm，那么煤自热很可能进入自 加速阶段，从而需要采取有效的防治措施。虽然预警阈值远超过井下一氧化 碳的规定值(即24ppm)，但这两者之间没有必然的联系。对于不同的煤层 或矿井来说，其预警阈值很可能不一样，但是这种定量预报的方法却可推广 用于大多数有自燃危险的矿井。
7)现场观测修正预报函数：对于不同的煤层或矿井来说，由于矿井开 采条件及煤层地质条件等因素的影响，其预警阀值可能不一样，当某些条 件的改变时，会影响预测结果的准确性，这时可根据不同时段工作面风流 中的氧浓度和上隅角涌出氧浓度的比值的平均值R对预报函数进行修正， 修正后的预报函数见式(9)。现场应用的具体实施方法为，测量不同时间 段工作面风流中的氧浓度与上隅角涌出的氧浓度，并取其平均值的比值作为修正系数R，例如，当测出的氧浓度和上隅角涌出氧浓度的比值分别为0.8、1.0、1.1、0.8时，则取R＝0.925。
Tmax＝14.60Rln(C0)+3.27 (9)
该方法既可以在采煤工作面推进情况下使用，也可以下采煤工作面停采 条件下使用。
需要说明的是，该方法既可以在采煤工作面推进情况下使用，也可以下 采煤工作面停采条件下使用。此外，步骤7)，也即现场观测修正预报函数 的步骤，如果预报函数可以准确的预报矿井发生自燃火灾的情况，则不需修 正，也即步骤7)可以省略；如果因煤层或矿井发生改变时，才需根据具体 情况具体分析，可能需要对预报函数进行修正。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)建立多场耦合下采空区一氧化碳浓度场数学模型；
2)离散采空区一氧化碳浓度场模型；
3)编制采空区一氧化碳浓度场求解程序；
4)数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数；
5)根据预报函数确定合理的一氧化碳预报阈值，与现场观测到的工作面上隅角一氧化碳涌出量进行比对，判断是否有发火风险。
2.根据权利要求1所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤1)中，一氧化碳浓度场数学模型包括一氧化碳浓度场积分方程与边界条件：
式中：n为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；v为风流速度，单位为m/s；CCO为一氧化碳的浓度，单位为mol/m3；kCO为一氧化碳的扩散系数，为常数；v0为工作面平均推进速度，单位为m/s；α为煤层倾角，单位为°；Γ1下、Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为采空区边界，其中Γ1下为靠近采煤工作面边界的下半段(漏风流入段)，属于第一类边界条件，Γ1上、Γ2、Γ3、Γ5、Γ6为第二类边界条件，其中Γ1上为靠近采煤工作面边界的上半段(漏风流出段)，Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ5为采空区顶板边界，Γ6为采空区底板边界；D为采空区一氧化碳浓度场中任一控制体的面积，单位为m2；S为采空区一氧化碳浓度场中任一控制体微元的面积，单位为m2；V为采空区一氧化碳浓度场中任一控制体的体积，单位为m3；为环境中氧气浓度，单位为mol/m3；为控制体边界面上面积微元ΔS的单位法线向量且指向朝外；w(t)为单位时间内单位体积的一氧化碳生成量，单位为mol/(s·m3)，w(t)可由公式(2)计算获得：
式中：为新鲜风流中的氧浓度，单位为mol/m3；为环境中氧气的浓度，单位为mol/m3；为标准CO生成速率，单位为mol/(m3·s)，其可通过煤的低温氧化实验测得，见公式(3)：
式中：为煤样罐出口的一氧化碳浓度，单位为mol/m3；分别是煤样罐进、出口的氧浓度，单位为mol/m3；为标准耗氧速率，单位为mol/(m3·s)。
3.根据权利要求2所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤1)中，多场耦合是指采空区流场、氧气浓度场、固体温度场以及气体温度场相互影响、相互作用；采空区自然发火的流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温度场等各场的积分方程可由质量守恒定律、能量守恒定律以及菲克扩散定律获得，联立这四个场的模型可获得采空区自然发火的多场耦合三维模型如下：
边界条件为：
式中：ρg为控制体内的气体密度，单位为kg/m3；K为采空区渗透系数，单位为m/s；p(x,y,z)为已知边界Γ1上的风压函数，依据封闭曲面外法线方向的规定，流出为正、流入为负；为氧浓度的质量浓度，单位为kg/m3；为氧气的扩散系数常数；为氧气物质的量的浓度，单位为mol/m3；u(t)为单位时间单位体积的耗氧量，单位为mol/(s·m3)；c(x,y,z)|为边界上的氧气浓度函数，单位为mol/m3；λs为冒落煤岩固体的导热系数，单位为W/(m·℃)；Ts为固体颗粒的温度，单位为K；Ke为对流换热系数，单位为J/(m2·s·K)；Se为控制体内固体颗粒与气体对流换热的表面积，单位为m2；Tg为气体温度，单位为K；q(t)为位时间内控制体内遗煤的放热量，单位为kJ/(mol·s)；ρs为固体颗粒的密度，单位为kg/m3；Cs为固体颗粒的比热容，单位为KJ/(kg·K)；λg为气体的导热系数，单位为W/(m·℃)；ρg为气体的密度，单位为kg/m3；Cg为气体的比热容，单位为KJ/(kg·K)；t(x,y,z)为边界的温度函数，单位为mol/m3；流场边界条件中，Γ1为靠近工作面的边界，属于第一类边界条件，Γ2、Γ3、Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；氧气浓度场边界条件中，边界Γ1与工作面相连接，根据漏风的流入分为上下两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，若工作面推进过程中沿进、回风巷布置有束管监测氧气浓度变化，则Γ1上上半段(漏风流出段)、Γ2、Γ3为第一类边界条件，若无束管监测，则Γ1上上半段(漏风流出段)、Γ2、Γ3为第二类边界条件，Γ4、Γ5、Γ6为采空区边界，则属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；固体温度场边界条件中，边界Γ1与工作面相连接，其温度等于冒落煤岩的原始岩温，属于第一类边界条件，边界Γ4到Γ6属于第二类边界条件，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界；气体温度场边界条件中，边界Γ1与工作面相连接，其温度根据漏风的流入和流出分为上下两段，下半段Γ1下(漏风流入段)为第一类边界条件，上半段Γ1上(漏风流出段)、Γ2、Γ3、Γ4、Γ5以及Γ6为绝热边界，其中Γ2、Γ3为采空区上、下两行煤柱，Γ4为采空区深部边界，Γ5为顶板边界，Γ6为采空区底板边界。
4.根据权利要求3所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤1)中，对一氧化碳浓度场、流场、氧气浓度场、固体温度场以及气体温度场进行数学建模采用移动坐标系或静坐标系。
5.根据权利要求1所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤2)中，采用四面体划分解算区域网格，利用四面体有限体积法离散采空区一氧化碳浓度场模型，四面体中节点对控制体中节点的一氧化碳方程可以离散为：
可以简写为：
控制体单元对节点i,j,k,m一氧化碳浓度场方程贡献的矩阵表达式为
式中：α'、β'、γ'为的方向角，所谓方向角即指向量与三个坐标轴(x，y，z)的夹角；vx、vy、vz为沿三个坐标轴(x，y，z)的风流速度分量；l为节点序号下标；Jl(l＝i,j,k,m)为控制体单元对节点i,j,k,m的贡献；
6.根据权利要求1所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤3)中，编制一氧化碳浓度场求解程序，并将编制好的一氧化碳浓度场求解程序融入采空区自然发火三维仿真系统或Matlab，进行一氧化碳浓度场与流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温度场的耦合求解。
7.根据权利要求1所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤4)中，数值仿真获取采空区自然发火定量化预报函数的方法为：借用采空区自然发火三维仿真系统，选取30～100℃的计算数据，利用对数函数进行拟合，得预报函数：
Tmax＝14.60ln(C0)+3.27 (8)
式中，Tmax是采空区中的最高温度，单位为℃；C0是工作面上隅角一氧化碳浓度，单位为ppm。
8.根据权利要求7所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：步骤5)中，在已知某煤层自燃临界温度的情况下，根据式(8)计算出该临界温度对应的上隅角一氧化碳浓度，其值可用作采空区自然发火的预警阈值；当观察到工作面上隅角一氧化碳浓度超过该预警值，那就说明煤自热进入自加速阶段，需要采取有效的防治措施；否则不需采取有效措施。
9.根据权利要求1或5所述的采空区自然发火定量化预报方法，其特征在于：还包括现场观测修正预报函数的步骤，该步骤位于步骤5)的后面；优选的，现场观测修正预报函数的方法为：对于不同的煤层或矿井来说，可根据不同时段工作面风流中的氧浓度和上隅角涌出氧浓度的比值的平均值R对预报函数进行修正，修正后的预报函数为：
Tmax＝14.60Rln(C0)+3.27 (9)。
10.如权利要求1-9任意一项所述的采空区自然发火定量化预报方法在采煤工作面推进情况下以及在采煤工作面停采条件下自然发火定量化预报中的应用。
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| 李宗翔;吴志君;马友发;: "采空区场域自燃CO向工作面涌出的数值模拟", 燃烧科学与技术 * |
| 翟小伟;马腾;王凯;于志金;刘永山;周东;: "金凤矿011805工作面煤自燃早期预报指标的研究及应用", 煤矿安全 * |
| 耿晓伟;刘雨;郭晓阳;杨姗姗;: "基于"O"型冒落的Y型通风采空区气体分布特征", 中国安全生产科学技术 * |
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