CN113553537A - 一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统 - Google Patents

一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统 Download PDF

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CN113553537A CN202111089816.2A CN202111089816A CN113553537A CN 113553537 A CN113553537 A CN 113553537A CN 202111089816 A CN202111089816 A CN 202111089816A CN 113553537 A CN113553537 A CN 113553537A
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Abstract

本申请涉及采煤技术领域，具体提供了一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统。该方法中，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。

Description

一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统
技术领域
本申请涉及采煤技术领域，特别涉及一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统。
背景技术
采空区煤自燃是影响矿井安全生产的重大灾害之一，由于现有采煤技术的限制，采空区存在一定的遗煤，在采煤活动进行的时候工作面漏风也无法避免。新鲜空气给遗煤提供了氧化放热所需的氧气，与此同时，采空区环境相对封闭，在蓄、放热条件一定时，就会造成采空区温度逐渐升高，最终引发采空区煤自燃。这是压力场、氧浓度场和温度场多场耦合作用的结果，影响因素众多，存在一定的预测评估难度。
目前，国内外学者提出了许多可靠的方法来预测评估采空区自燃火灾发火程度，包括温度观测法、数值模拟法、气体分析法等。经过多年的发展，数值模拟技术已趋于成熟，可较准确的预测采空区自燃发火情况。但这些方法都需要对采空区众多物理量进行逐一分析，且这些物理量又相互关联，解算起来需要花费大量的时间。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，包括：步骤S101、根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则；步骤S102、根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；步骤S103、根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
优选的，在步骤S101中，按照公式：
Figure 155743DEST_PATH_IMAGE001
计算采空区的无因次漏风强度准数；
其中，
Figure 666359DEST_PATH_IMAGE002
表示无因次漏风强度准数，
Figure 180517DEST_PATH_IMAGE003
表示采空区初始氧气浓度，
Figure 310147DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系 数；
Figure 717994DEST_PATH_IMAGE005
表示标况下空气密度，
Figure 274877DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 135386DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 803128DEST_PATH_IMAGE008
表示静压和速压之和；
Figure 206427DEST_PATH_IMAGE009
表示 粒径及耗氧速度综合影响系数；
Figure 793266DEST_PATH_IMAGE010
表示采空区冒落煤岩导热系数；
按照公式：
Figure 282017DEST_PATH_IMAGE011
计算采空区的无因次推进速度；
其中，
Figure 612504DEST_PATH_IMAGE012
表示无因次推进速度，
Figure 870310DEST_PATH_IMAGE013
表示采空区遗煤密度，
Figure 768996DEST_PATH_IMAGE014
表示采空区遗煤比热，
Figure 869676DEST_PATH_IMAGE015
表示工作面长度，
Figure 613641DEST_PATH_IMAGE012
表示工作面平均推进速度；
按照公式：
Figure 991533DEST_PATH_IMAGE016
计算采空区的无因次放热强度准数；
其中，
Figure 185753DEST_PATH_IMAGE017
表示无因次放热强度准数；
Figure 383517DEST_PATH_IMAGE018
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 196752DEST_PATH_IMAGE019
表示放热 强度系数；
Figure 288205DEST_PATH_IMAGE020
为采空区遗煤厚度影响系数，
Figure 794272DEST_PATH_IMAGE021
为采空区遗煤粒径影响系数，
Figure 338386DEST_PATH_IMAGE022
表示采空区底 层原始温度。
优选的，在步骤S102中，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度，具体为：基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度，对无因次放热强度准数进行插值，得到采空区的最高无因次过余温度。
优选的，在步骤S103中，
按照公式：
Figure 955312DEST_PATH_IMAGE023
计算采煤条件下采空区的实际温度；
其中，
Figure 776638DEST_PATH_IMAGE024
表示采煤条件下采空区的实际温度，
Figure 578241DEST_PATH_IMAGE025
表示采空区最高无因次过余温 度，
Figure 485017DEST_PATH_IMAGE026
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 640054DEST_PATH_IMAGE027
表示采空区底层原始温度。
优选的，在步骤S103中，根据采煤条件下采空区的实际温度与煤的自燃临界温度，确定采空区是否存在自燃发火危险。
优选的，所述采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法还包括：步骤S201、建立采煤条件下采空区自燃发火流场、氧浓度场、温度场的多场耦合无因次数学模型；其中，温度场包括：气体温度场和固体温度场，多场耦合无因次模型包括：无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次固体温度场模型、无因次气体温度场模型；步骤S202、基于多场耦合无因次数学模型，根据预先确定的无因次参数，确定采空区发火的主要无因次判别准则；步骤S203、根据采空区发火的主要无因次判别准则，对采煤条件下采空区自燃发火多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图；步骤S204、根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，和主要无因次判别准则，生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图。
优选的，在步骤S201中，
采空区自燃发火的无因次流场模型为：
Figure 706099DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 553970DEST_PATH_IMAGE029
表示采空区模型网格划分后任一控制体的面积；
Figure 72676DEST_PATH_IMAGE030
表示采空区模型网格划 分后任一控制体的封闭曲面，
Figure 31404DEST_PATH_IMAGE031
为无因次坐标，
Figure 561743DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 705148DEST_PATH_IMAGE033
表示工作面长 度；
Figure 586517DEST_PATH_IMAGE034
表示垂直于工作面向采空区延伸的方向；
Figure 348936DEST_PATH_IMAGE035
表示工作面上与
Figure 123994DEST_PATH_IMAGE034
方向垂直的水平方向；
Figure 48088DEST_PATH_IMAGE036
表示工作面上与
Figure 682332DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 841918DEST_PATH_IMAGE035
方向垂直的方向；
Figure 878007DEST_PATH_IMAGE037
为无因次压力，
Figure 832056DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 953596DEST_PATH_IMAGE039
表示静压和速压之和；
Figure 792239DEST_PATH_IMAGE040
为 无因次密度，
Figure 276310DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 807785DEST_PATH_IMAGE005
表示标况下的空气密度，
Figure 10097DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 918010DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 397533DEST_PATH_IMAGE042
为无因 次单位向量，
Figure 224543DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 789517DEST_PATH_IMAGE044
表示外法线向量；
Figure 235542DEST_PATH_IMAGE045
为无因次标准高度，
Figure 694205DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 567483DEST_PATH_IMAGE047
表示以采空区底板 为基准面的标高；
Figure 744386DEST_PATH_IMAGE048
为对流换热边界上的风压函数；
Figure 728523DEST_PATH_IMAGE049
分别为无因次风流速 度在
Figure 182638DEST_PATH_IMAGE050
方向的分量，
Figure 351451DEST_PATH_IMAGE051
表示气体密度，
Figure 891017DEST_PATH_IMAGE052
表示各方向上的风流速度；
Figure 678844DEST_PATH_IMAGE053
为对流换热边界；
Figure 112100DEST_PATH_IMAGE054
为上下两行煤柱；
Figure 327180DEST_PATH_IMAGE055
为采空区深部边界，
Figure 354042DEST_PATH_IMAGE056
为采空区的顶 板边界，
Figure 804615DEST_PATH_IMAGE057
为采空区底板边界；
按照公式：
Figure 967743DEST_PATH_IMAGE058
计算无因次速度
Figure 478359DEST_PATH_IMAGE049
，
式中，
Figure 992517DEST_PATH_IMAGE059
表示煤层的倾角；
采空区自燃发火的无因次氧浓度场模型为：
Figure 122147DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 264415DEST_PATH_IMAGE061
表示采空区模型网格划分后任一控制体的体积，
Figure 86878DEST_PATH_IMAGE062
无因次风流速度，
Figure 947386DEST_PATH_IMAGE063
；
Figure 880707DEST_PATH_IMAGE064
为无因次氧气扩散准数，
Figure 752848DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 870846DEST_PATH_IMAGE066
表示氧气的扩散系数；
Figure 359596DEST_PATH_IMAGE067
为无 因次氧浓度，
Figure 565449DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 682310DEST_PATH_IMAGE067
表示单位体积氧气的浓度；
Figure 846575DEST_PATH_IMAGE069
为气体流动速度；
Figure 416097DEST_PATH_IMAGE070
为无因次气体 密度，
Figure 691220DEST_PATH_IMAGE071
；
Figure 803533DEST_PATH_IMAGE072
为无因次耗氧速度准数，
Figure 732175DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 195517DEST_PATH_IMAGE074
表示粒径及耗氧速度综合影 响系数，
Figure 867807DEST_PATH_IMAGE075
为遗煤厚度影响系数，
Figure 834626DEST_PATH_IMAGE076
为遗煤粒径影响系数，
Figure 75114DEST_PATH_IMAGE026
表示耗氧速度指数系数，
Figure 884807DEST_PATH_IMAGE022
表示 底层原始温度，
Figure 501733DEST_PATH_IMAGE003
表示初始氧气浓度，
Figure 447693DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系数；
Figure 859082DEST_PATH_IMAGE077
为氧气场的浓度函数；
Figure 890492DEST_PATH_IMAGE078
表示对流换热边界
Figure 45530DEST_PATH_IMAGE053
中从工作面吸入空气量流入采空区的部分；
Figure 986941DEST_PATH_IMAGE079
表示对 流换热边界
Figure 693866DEST_PATH_IMAGE053
中空气量从采空区流出的部分；
采空区自燃发火的无因次固体温度场模型为：
Figure 87938DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 905722DEST_PATH_IMAGE081
为孔隙率；
Figure 701639DEST_PATH_IMAGE082
为无因次对流换热准数，
Figure 313886DEST_PATH_IMAGE083
，
Figure 195255DEST_PATH_IMAGE084
表示对流换热系数，
Figure 613467DEST_PATH_IMAGE085
表示单位体积内固体煤岩与气体的对流换热面积；
Figure 529470DEST_PATH_IMAGE086
为沿工作面的固体无因次过余温度；
Figure 578197DEST_PATH_IMAGE087
为无因次气体过余温度，
Figure 946862DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 106448DEST_PATH_IMAGE089
表示气体实际温度，
Figure 611378DEST_PATH_IMAGE022
表示地层原始温 度；
Figure 971953DEST_PATH_IMAGE090
为无因次放热强度准数，
Figure 952547DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 525611DEST_PATH_IMAGE092
表示冒落煤岩导热系数；
Figure 275261DEST_PATH_IMAGE093
为无因次推 进速度，
Figure 806736DEST_PATH_IMAGE094
，
Figure 9048DEST_PATH_IMAGE095
表示遗煤密度，
Figure 651381DEST_PATH_IMAGE014
表示遗煤比热，
Figure 255538DEST_PATH_IMAGE093
表示工作面推进速度，
Figure 692336DEST_PATH_IMAGE096
表 示热扩散率，
Figure 522888DEST_PATH_IMAGE097
；
Figure 562389DEST_PATH_IMAGE098
为无因次固体热流密度；
Figure 427576DEST_PATH_IMAGE099
分别 表示采空区中热通量为零的边界；
采空区自燃发火的无因次气体温度场模型为：
Figure 183347DEST_PATH_IMAGE100
其中，
Figure 235616DEST_PATH_IMAGE101
为无因次气体扩散准数，
Figure 219753DEST_PATH_IMAGE102
，
Figure 64081DEST_PATH_IMAGE103
表示气体扩散系数，
Figure 842681DEST_PATH_IMAGE104
表示气体比 热；
Figure 647826DEST_PATH_IMAGE105
为无因次换热准数，
Figure 294708DEST_PATH_IMAGE106
。
优选的，在步骤S203中，根据采空区发火的主要无因次判别准则，对采煤条件下采空区自燃发火多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，具体为：基于有限体积法，分别对无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次固体温度场模型和无因次气体温度场模型进行离散求解，得到无因次流场、无因次氧浓度场、无因次固体温度场、无因次气体温度场的分布云图。
优选的，在步骤S204中，根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云 图，和主要无因次判别准则，生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺 谟关系图，包括：通过单一变量法，根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云 图，分别确定无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则对应的 采空区自燃发火的最高无因次过余温度；根据无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、 以及无因次放热强度准则对应的采空区自燃发火的最高无因次过余温度，分别以无因次漏 风强度
Figure 868909DEST_PATH_IMAGE002
、无因次推进速度的导数
Figure 677465DEST_PATH_IMAGE107
、以及无因次放热强度的对数
Figure 704327DEST_PATH_IMAGE108
为坐标变量，分别生 成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图。
本申请实施例还提供一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统，包括：第一计算单元，配置为，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则；第二计算单元，配置为，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；判断单元，配置为，根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：
本申请提供的实施例中，首先，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度以及无因次放热强度准数；籍此，通过将采空区复杂多变且相互影响的物理量整合成对采空区自燃起主要作用的通用无因次判别准则，根据采空区的自燃火灾参数，对采空区进行无因次分析，使得采空区温度预测更加的间接明确。
然后，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，根据因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，通过插值法计算采空区的最高无因次过余温度；籍此，使得不需要再进行复杂仿真计算，即可通过诺谟关系图快速得到采空区温度数据，有效提高了采空区发火危险预测的效率；
最后，由采空区的最高无因次过余温度，计算采煤条件下采空区的实际温度，以通过采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险；籍此，有效的提升了对采空区自燃发火危险的响应速度，及时了解采空区温度，防止采空区遗煤自燃。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的一种生成诺谟关系图的流程示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的采空区的边界条件分布示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的采空区压力场的四面体单元的示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的采空区的内部节点P相邻的四面体单元的示意图；
图6为根据本申请的一些实施例提供的不同无因次漏风强度准则下无因次过余温度分布图；
图7为根据本申请的一些实施例提供的无因次漏风强度准则与无因次过余温度的关系图；
图8为根据本申请的一些实施例提供的不同无因次推进速度下无因次过余温度分布图；
图9为根据本申请的一些实施例提供的无因次推进速度与无因次过余温度的关系图；
图10为根据本申请的一些实施例提供的不同无因次放热强度准则下无因次过余温度分布图；
图11为根据本申请的一些实施例提供的无因次放热强度准则与无因次过余温度的关系图；
图12为根据本申请的一些实施例提供的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图；
图13为根据本申请的一些实施例提供的一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统的结构示意图。
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申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法的流程示意图；如图1所示，该采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法包括：
步骤S101、根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则；
在本申请实施例中，采空区的自燃火灾参数主要包括：工作面长度、采空区深度、采空区计算高度、工作面平均推进速度、空气流入温度、空气流出温度、原始岩石温度、新鲜风流中的氧气浓度、冒落煤岩比热容、冒落煤岩密度、导热系数、粒径影响系数、煤厚影响系数、工作面通风阻力、标况下空气密度、渗透系数、指数系数、煤耗氧速度、煤放热强度。
在本申请实施例中，按照公式（1）计算采空区的无因次漏风强度准数，公式（1）如下：
Figure 154900DEST_PATH_IMAGE109
………………（1）
其中，
Figure 318028DEST_PATH_IMAGE002
表示无因次漏风强度准数，
Figure 704010DEST_PATH_IMAGE003
表示采空区初始氧气浓度，
Figure 342801DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系 数；
Figure 206852DEST_PATH_IMAGE005
表示标况下空气密度，
Figure 614700DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 437162DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 173037DEST_PATH_IMAGE008
表示静压和速压之和；
Figure 965413DEST_PATH_IMAGE009
表示 粒径及耗氧速度综合影响系数；
Figure 103133DEST_PATH_IMAGE010
表示采空区冒落煤岩导热系数；
按照公式（2）计算采空区的无因次推进速度，公式（2）如下：
Figure 96497DEST_PATH_IMAGE110
………………………………（2）
其中，
Figure 178722DEST_PATH_IMAGE012
表示无因次推进速度，
Figure 915734DEST_PATH_IMAGE013
表示采空区遗煤密度，
Figure 32595DEST_PATH_IMAGE014
表示采空区遗煤比热，
Figure 931280DEST_PATH_IMAGE015
表示工作面长度，
Figure 641748DEST_PATH_IMAGE012
表示工作面平均推进速度；
按照公式（3）计算采空区的无因次放热强度准数，公式（3）如下：
Figure 41505DEST_PATH_IMAGE111
………………………………（3）
其中，
Figure 888238DEST_PATH_IMAGE017
表示无因次放热强度准数；
Figure 82459DEST_PATH_IMAGE018
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 280222DEST_PATH_IMAGE019
表示放热 强度系数；
Figure 359037DEST_PATH_IMAGE020
为采空区遗煤厚度影响系数，
Figure 450489DEST_PATH_IMAGE021
为采空区遗煤粒径影响系数，
Figure 690978DEST_PATH_IMAGE022
表示采空区底 层原始温度。
在一具体的例子中，采空区的自燃火灾参数与煤质特性如表1所示，表1如下：
Figure 376037DEST_PATH_IMAGE112
将表1中的数据代入无因次准则中，由公式（1）、公式（2、公式（3）可得到该具体实施例中：
Figure 117597DEST_PATH_IMAGE113
在本申请实施例中，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度以及无因次放热强度准数；籍此，通过将采空区复杂多变且相互影响的物理量整合成对采空区自燃起主要作用的通用无因次判别准则，根据采空区的自燃火灾参数，对采空区进行无因次分析，使得采空区温度预测更加的间接明确。
步骤S102、根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；
具体的，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度，对无因次放热强度准数进行插值，得到采空区的最高无因次过余温度。
在一具体的例子中，利用插值取平均法得到采空区的最高无因次过余温度，具体步骤如下：
第一步，计算
Figure 938923DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 350312DEST_PATH_IMAGE115
，即
Figure 381722DEST_PATH_IMAGE116
、
Figure 802339DEST_PATH_IMAGE117
的插值 平均数
Figure 602805DEST_PATH_IMAGE118
；
通过查询预先建立的无因次漏风强度准则与采空区最高无因次过余温度之间的 诺谟关系图（如图11所示），可知，当
Figure 450675DEST_PATH_IMAGE119
时的无因次过余温度为0.7；
Figure 844748DEST_PATH_IMAGE120
时的无因次过余温度为1.4，根据插值平均法求得：
Figure 928110DEST_PATH_IMAGE121
第二步，计算
Figure 724028DEST_PATH_IMAGE122
、
Figure 742799DEST_PATH_IMAGE123
，即
Figure 483222DEST_PATH_IMAGE124
、
Figure 245642DEST_PATH_IMAGE125
的插值平 均数；
通过查询预先建立的无因次漏风强度准则与采空区最高无因次过余温度之间的 诺谟关系图（如图11所示），可知，当
Figure 20700DEST_PATH_IMAGE119
时的无因次过余温度为0.55；
Figure 210373DEST_PATH_IMAGE120
时的无因次过余温度为1.05，根据插值平均法求得：
Figure 579037DEST_PATH_IMAGE126
第三步，根据第一步和第二步得到的无因次过余温度
Figure 4202DEST_PATH_IMAGE127
、
Figure 509133DEST_PATH_IMAGE128
，在
Figure 869707DEST_PATH_IMAGE129
与
Figure 584722DEST_PATH_IMAGE130
的插值平均数
Figure 688945DEST_PATH_IMAGE131
：
Figure 438595DEST_PATH_IMAGE132
可知，采空区的最高无因次过余温度
Figure 970070DEST_PATH_IMAGE133
。
在本申请实施例中，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，根据因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，通过插值法计算采空区的最高无因次过余温度；籍此，使得不需要再进行复杂仿真计算，即可通过诺谟关系图快速得到采空区温度数据，有效提高了采空区发火危险预测的效率。
步骤S103、根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
具体的，按照公式（4）计算采煤条件下采空区的实际温度，公式（4）如下：
Figure 47748DEST_PATH_IMAGE134
………………………………（4）
其中，
Figure 814715DEST_PATH_IMAGE024
表示采煤条件下采空区的实际温度，
Figure 294238DEST_PATH_IMAGE025
表示采空区最高无因次过余温 度，
Figure 996615DEST_PATH_IMAGE026
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 686222DEST_PATH_IMAGE027
表示采空区底层原始温度。
在一具体的例子中，根据采煤条件下采空区的实际温度与煤的自燃临界温度，确定采空区是否存在自燃发火危险。若采煤条件下采空区的实际温度大于等于煤的自燃临界温度，则采空区存在自燃发火危险，反之则没有自燃发火危险。
在此，煤的自燃临界温度为
Figure 866668DEST_PATH_IMAGE135
，若采煤条件下，推进期间的实际温 度超过煤的自燃临界温度，则存在自燃发火危险，若推进期间的实际温度未超过煤的自燃 临界温度，则不存在自燃发火危险。同时，还可以根据采空区的实际温度实时调整通风方案 或者推进速度等工作面采煤参数，以更好地控制采空区温度，防止采空区煤自燃。
比如，将步骤S102的具体例子中的采空区的最高无因次过余温度
Figure 590910DEST_PATH_IMAGE133
代入 公式（4）可知，在该具体例子中，采空区的实际温度为：
Figure 464188DEST_PATH_IMAGE136
可知，
Figure 375513DEST_PATH_IMAGE137
，即在采煤条件下，推进期间的实际温度未超过煤的自燃临界温 度，则不存在自燃发火危险。
在本申请实施例中，由采空区的最高无因次过余温度，计算采煤条件下采空区的实际温度，以通过采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险；籍此，有效的提升了对采空区自燃发火危险的响应速度，及时了解采空区温度，防止采空区遗煤自燃。
如图2、图3所示，该采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法还包括：
步骤S201、建立采煤条件下采空区自燃发火流程、氧浓度场、温度场的多场耦合无因次数学模型；其中，温度场包括：气体温度场和固体温度场，多场耦合无因次模型包括：无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次固体温度场模型以及无因次气体温度场模型；
在本申请实施例中，采空区自燃发火的无因次流场模型如公式（4）所示，公式（4）如下：
Figure 625228DEST_PATH_IMAGE138
……………………（4）
其中，
Figure 79343DEST_PATH_IMAGE029
表示采空区模型网格划分后任一控制体的面积；
Figure 248157DEST_PATH_IMAGE030
表示采空区模型网格划 分后任一控制体的封闭曲面，
Figure 522143DEST_PATH_IMAGE031
为无因次坐标，
Figure 169025DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 743226DEST_PATH_IMAGE033
表示工作面长 度；
Figure 692727DEST_PATH_IMAGE034
表示垂直于工作面向采空区延伸的方向；
Figure 109802DEST_PATH_IMAGE035
表示工作面上与
Figure 170162DEST_PATH_IMAGE034
方向垂直的水平方向；
Figure 864449DEST_PATH_IMAGE036
表示工作面上与
Figure 109485DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 623643DEST_PATH_IMAGE035
方向垂直的方向；
Figure 612328DEST_PATH_IMAGE037
为无因次压力，
Figure 161121DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 452425DEST_PATH_IMAGE039
表示静压和速压之和；
Figure 578513DEST_PATH_IMAGE040
为 无因次密度，
Figure 246254DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 649554DEST_PATH_IMAGE005
表示标况下的空气密度，
Figure 236393DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 459564DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 321210DEST_PATH_IMAGE042
为无因 次单位向量，
Figure 313436DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 212122DEST_PATH_IMAGE044
表示外法线向量；
Figure 47223DEST_PATH_IMAGE045
为无因次标准高度，
Figure 322347DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 293714DEST_PATH_IMAGE047
表示以采空区底板 为基准面的标高；
Figure 628880DEST_PATH_IMAGE048
为对流换热边界上的风压函数；
Figure 561064DEST_PATH_IMAGE049
分别为无因次风流速 度在
Figure 764512DEST_PATH_IMAGE050
方向的分量，
Figure 465752DEST_PATH_IMAGE051
表示气体密度，
Figure 971820DEST_PATH_IMAGE052
表示各方向上的风流速度；
Figure 515934DEST_PATH_IMAGE053
为对流 换热边界；
Figure 132860DEST_PATH_IMAGE054
为上下两行煤柱；
Figure 78819DEST_PATH_IMAGE055
为采空区深部边界，
Figure 755788DEST_PATH_IMAGE056
为采空区的顶板边界，
Figure 662564DEST_PATH_IMAGE057
为采空 区底板边界；
Figure 207815DEST_PATH_IMAGE049
如公式（5）所示，公式（5）如下：
Figure 883647DEST_PATH_IMAGE139
………………（5）
式中，
Figure 731517DEST_PATH_IMAGE059
表示煤层的倾角；
在本申请实施例中，采空区自燃发火的无因次氧浓度场模型如公式（6）所示，公式（6）如下：
Figure 250223DEST_PATH_IMAGE140
……（6）
其中，
Figure 208952DEST_PATH_IMAGE061
表示采空区模型网格划分后任一控制体的体积，
Figure 129503DEST_PATH_IMAGE062
无因次风流速度，
Figure 882696DEST_PATH_IMAGE063
；
Figure 764064DEST_PATH_IMAGE064
为无因次氧气扩散准数，
Figure 651118DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 567121DEST_PATH_IMAGE066
表示氧气的扩散系数；
Figure 491215DEST_PATH_IMAGE067
为无 因次氧浓度，
Figure 718934DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 19465DEST_PATH_IMAGE067
表示单位体积氧气的浓度；
Figure 55554DEST_PATH_IMAGE069
为气体流动速度；
Figure 275183DEST_PATH_IMAGE070
为无因次气体 密度，
Figure 131143DEST_PATH_IMAGE071
；
Figure 94420DEST_PATH_IMAGE072
为无因次耗氧速度准数，
Figure 985016DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 250912DEST_PATH_IMAGE074
表示粒径及耗氧速度综合影 响系数，
Figure 718803DEST_PATH_IMAGE075
为遗煤厚度影响系数，
Figure 95557DEST_PATH_IMAGE076
为遗煤粒径影响系数，
Figure 840659DEST_PATH_IMAGE026
表示耗氧速度指数系数，
Figure 402091DEST_PATH_IMAGE022
表示 底层原始温度，
Figure 232643DEST_PATH_IMAGE003
表示初始氧气浓度，
Figure 537723DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系数；
Figure 137331DEST_PATH_IMAGE077
为氧气场的浓度函数；
Figure 745030DEST_PATH_IMAGE078
表示对流换热边界
Figure 187513DEST_PATH_IMAGE053
中从工作面吸入空气量流入采空区的部分；
Figure 171649DEST_PATH_IMAGE079
表示对流换热边界
Figure 625765DEST_PATH_IMAGE053
中空气量从采空区流出的部分。
在本申请实施例中，采空区自燃发火的无因次固体温度场模型如公式（7）所示，公式（7）如下：
Figure 528998DEST_PATH_IMAGE141
…（7）
其中，
Figure 68564DEST_PATH_IMAGE081
为孔隙率；
Figure 981025DEST_PATH_IMAGE082
为无因次对流换热准数，
Figure 289647DEST_PATH_IMAGE083
，
Figure 363782DEST_PATH_IMAGE084
表示对流换热系数，
Figure 656223DEST_PATH_IMAGE085
表示单位体积内固体煤岩与气体的对流换热面积；
Figure 716583DEST_PATH_IMAGE086
为沿工作面的固体无因次过余温度；
Figure 269924DEST_PATH_IMAGE087
为无因次气体过余温度，
Figure 655906DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 170064DEST_PATH_IMAGE089
表示气体实际温度，
Figure 158749DEST_PATH_IMAGE022
表示地层原始温 度；
Figure 707542DEST_PATH_IMAGE090
为无因次放热强度准数，
Figure 123480DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 859355DEST_PATH_IMAGE092
表示冒落煤岩导热系数；
Figure 792675DEST_PATH_IMAGE093
为无因次推 进速度，
Figure 55030DEST_PATH_IMAGE094
，
Figure 517235DEST_PATH_IMAGE095
表示遗煤密度，
Figure 865040DEST_PATH_IMAGE014
表示遗煤比热，
Figure 336472DEST_PATH_IMAGE093
表示工作面推进速度，
Figure 453333DEST_PATH_IMAGE096
表 示热扩散率，
Figure 617598DEST_PATH_IMAGE097
；
Figure 593644DEST_PATH_IMAGE098
为无因次固体热流密度；
Figure 462243DEST_PATH_IMAGE099
分别 表示采空区中热通量为零的边界。
在本申请实施例中，采空区自燃发火的无因次气体温度场模型如公式（8）所示，公式（8）如下：
Figure 574556DEST_PATH_IMAGE142
…………（8）
其中，
Figure 644143DEST_PATH_IMAGE101
为无因次气体扩散准数，
Figure 232119DEST_PATH_IMAGE102
，
Figure 779775DEST_PATH_IMAGE103
表示气体扩散系数，
Figure 12173DEST_PATH_IMAGE104
表示气体比 热；
Figure 377295DEST_PATH_IMAGE105
为无因次换热准数，
Figure 796775DEST_PATH_IMAGE106
。
步骤S202、基于多场耦合无因次数学模型，根据预先确定的无因次参数，确定采空区发火的主要无因次判别准则；
在本申请实施例中，由公式（4）可知，影响采空区内流场分布的主要无因次参数由 无因次孔隙率分布函数
Figure 538335DEST_PATH_IMAGE143
、无因次密度
Figure 359661DEST_PATH_IMAGE040
。其中，无因次孔隙率分布函数只与采空区的 骨架结构（采空区内部的固体结构）有关，在确定采空区解算区域之后，孔隙率分布基本不 变。无因次密度准数属于采空区内部影响因素，其大小主要受温度变化的影响，基于以上分 析，无因次流场模型中的无因次准数对自燃发火的影响较小。
在本申请实施例中，由公式（6）可知，影响氧浓度分布的主要无因次准数有无因次 风流速度
Figure 997201DEST_PATH_IMAGE062
、无因次氧气扩散准数
Figure 28611DEST_PATH_IMAGE064
和无因次耗氧速度准数
Figure 183649DEST_PATH_IMAGE072
。其中，无因次风流速度
Figure 390639DEST_PATH_IMAGE062
与气体密度、动力粘性系数有关，均属于采空区内部影响因素。无因次氧气扩散准数
Figure 97564DEST_PATH_IMAGE064
主 要受工作面长度影响，在确定采空区解算范围后，其骨架结构不会改变，故无因次氧扩散准 数
Figure 757216DEST_PATH_IMAGE064
为常数。其中，无因次耗氧速度准数
Figure 574999DEST_PATH_IMAGE072
和无因次放热强度准数
Figure 105337DEST_PATH_IMAGE090
之间存在比例关系， 并且对于某一个采空区来说，该比值为定值，故将无因次放热强度准数
Figure 124109DEST_PATH_IMAGE090
和无因次耗氧速 度准数
Figure 395690DEST_PATH_IMAGE072
的无因次比例值设定为无因次漏风强度准则
Figure 892531DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure 808534DEST_PATH_IMAGE144
。
在本申请实施例中，由公式（7）可知，影响固体温度场的无因次准数主要有无因次 对流换热准数
Figure 591682DEST_PATH_IMAGE082
，无因次放热强度准数
Figure 960347DEST_PATH_IMAGE090
以及无因次推进速度
Figure 385512DEST_PATH_IMAGE145
。由于对流换热引起的热 量变化远小于氧化放热，因此，在这三个主要无因次准数中起主要作用的是无因次放热强 度准数
Figure 421601DEST_PATH_IMAGE090
和无因次推进速度
Figure 251017DEST_PATH_IMAGE145
。
在本申请实施例中，由公式（8）可知，影响气体温度场的无因次准数主要有无因次 气体扩散准数
Figure 497190DEST_PATH_IMAGE101
、无因次风流速度
Figure 335833DEST_PATH_IMAGE062
、无因次对流换热准数
Figure 960850DEST_PATH_IMAGE082
、无因次换热准数
Figure 351380DEST_PATH_IMAGE105
。通过对 无因次流场、无因次氧浓度场、无因次固体温度场分析可知，无因次风流速度
Figure 694636DEST_PATH_IMAGE062
及无因次对 流换热准数
Figure 461604DEST_PATH_IMAGE082
对采空区发火影响不大。无因次气体扩散准数受工作面长度、气体密度和气 体比热的影响，其中，工作面长度为确定值，气体密度与气体比热属于采空区内部因素，而 且热容比的变化不大。无因次换热准数中的各项参数均在氧浓度场及固体温度场中的无因 次准数有所反映，因此，气体温度场的变化主要是受氧浓度场和固体温度场的影响，可把影 响因素归结于无因次推进速度、无因次放热强度准数和无因次漏风强度准数。
步骤S203、根据采空区发火的主要无因次判别准则，对采煤条件下采空区自燃发火多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的流程、氧浓度场、温度场的分布云图；
具体的，基于有限体积法，分别对无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次温度场模型和无因次气体温度场模型进行离散求解，得到无因次流场、无因次氧浓度场、无因次固体温度场、无因次气体温度场的分布云图。
在本申请实施例中，利用有限体积法离散无因次流场、无因次氧浓度场、无因次固体温度场以及无因次气体温度场，并将离散后的线性方程组写入采空区发火三维仿真系统（COMBUSS-3D）中，并输入采空区的自燃火灾参数，就可以得到三个主要无因次判别准则所预测的采空区自燃发火动态演化结果。在此，对多场耦合无因次数学模型进行离散求解，还可以借助于采空区自燃发火的三维仿真软件（比如， Fluent、Matlab、Comsol等），对多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的无因次流场、无因次氧浓度场和无因次温度场的动态无因次演化结果（即分布云图）。
在本申请实施例中，在对多场耦合无因次数学模型进行离散求解时，首先对采空区模型进行网格划分，每一个控制体均是一个四面体。在对无因次流场模型进行离散时，任取采空区的一个四面体单元，设该四面体单元的四个顶点坐标分别为：i(x i，y i，z i)，j(x j，y j，z j)，k(x k，y k，z k)和m(x m，y m，z m)。如图4所示。
该四面体单元的无因次压力
Figure 206706DEST_PATH_IMAGE037
，用四面体单元顶点的压力值
Figure 643504DEST_PATH_IMAGE146
来表示， 故四面体单元内的无因次压力如公式（9）所示，公式（9）如下：
Figure 598690DEST_PATH_IMAGE147
………………（9）
对采空区内任意四面体节点P进行分析，如图5所示，节点P由24个相邻的四面体单元构成的封闭区域包围。
在四面体单元区域内的任意节点都满足能力守恒，与之相关联的24个四面体单元都会对其产生影响，因此，可以将每个节点看做是相邻单元控制体对该节点的贡献之和，该节点的方程也可以因此分解成各个四面体单元方程之和，因而，无因次流场模型可离散为公式（10），公式（10）如下：
Figure 779136DEST_PATH_IMAGE148
…………（10）
其中，
Figure 378745DEST_PATH_IMAGE149
为煤层倾角；
Figure 111077DEST_PATH_IMAGE150
分别表示
Figure 428926DEST_PATH_IMAGE151
的法向量与
Figure 272117DEST_PATH_IMAGE050
轴的夹角。令：
Figure 991811DEST_PATH_IMAGE152
则公式（10）可简化为：
Figure 770412DEST_PATH_IMAGE153
如图4所述，四面体
Figure 700190DEST_PATH_IMAGE154
为四面体单元，
Figure 222439DEST_PATH_IMAGE155
与底面
Figure 655694DEST_PATH_IMAGE156
相平行，有：
Figure 870775DEST_PATH_IMAGE157
，根据三角形相似原理，得到面积比和体积比分别如公式 （11）、公式（12）所示。公式（11）、公式（12）如下：
Figure 897636DEST_PATH_IMAGE158
……………………（11）
Figure 348209DEST_PATH_IMAGE159
……………………（12）
对于四面体单元封闭曲面，其法线方向朝外，则
Figure 776917DEST_PATH_IMAGE156
的法向量指向朝下。为保持法 向量指向相同，
Figure 897319DEST_PATH_IMAGE156
的法线向量
Figure 801690DEST_PATH_IMAGE081
可用向量积表示，如公式（13）所示，公式（13）如下：
Figure 665741DEST_PATH_IMAGE160
…………（13）
Figure 948955DEST_PATH_IMAGE156
的法向量
Figure 630472DEST_PATH_IMAGE081
的模为：
Figure 631926DEST_PATH_IMAGE161
Figure 424302DEST_PATH_IMAGE156
的面积为：
Figure 562022DEST_PATH_IMAGE162
所以
Figure 289806DEST_PATH_IMAGE156
的法向量
Figure 903190DEST_PATH_IMAGE081
的模与
Figure 109044DEST_PATH_IMAGE156
的面积之间的关系如公式（14）所示，公式（14）如 下：
Figure 366850DEST_PATH_IMAGE163
………………………………（14）
面
Figure 390170DEST_PATH_IMAGE155
与面
Figure 100637DEST_PATH_IMAGE156
相平行，因而它们的法向量指向一致，可得：
Figure 234815DEST_PATH_IMAGE164
有：
Figure 612706DEST_PATH_IMAGE165
进而，可得到单元
Figure 416714DEST_PATH_IMAGE154
对节点
Figure 4690DEST_PATH_IMAGE166
流场模型的贡献
Figure 552346DEST_PATH_IMAGE167
为：
Figure 784745DEST_PATH_IMAGE168
同理，可得到四面体单元对节点
Figure 884288DEST_PATH_IMAGE169
流场模型的贡献，并将四面体单元对节点
Figure 834926DEST_PATH_IMAGE170
流场模型的贡献用矩阵形式表示如下：
Figure 310907DEST_PATH_IMAGE171
其中，
Figure 132232DEST_PATH_IMAGE172
根据采空区的无因次压力，计算采空区的无因次风流速度在
Figure 809201DEST_PATH_IMAGE050
方向的分量
Figure 106191DEST_PATH_IMAGE049
，有：
Figure 995649DEST_PATH_IMAGE173
在流场边界中，边界
Figure 202640DEST_PATH_IMAGE053
沿线的压力值可测定，因而，按照内部边界节点进行离散。 边界
Figure 643985DEST_PATH_IMAGE174
也作为内部边界节点进行离散，在这些边界面上不存在漏风，即与边界 相垂直的风速等于0。
基于相同的原理，即可实现对采空区无因次固体温度场模型、采空区无因次氧浓度场模型、无因次气体温度场模型进行离散求解。
步骤S204、根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图和主要无因次判别准则，生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图。
具体的，首先，通过单一变量法，根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，分别确定无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则对应的采空区自燃发火的最高无因次过余温度。
在本申请实施例中，通过单一变量法，对采空区无因次过余温度与三个主要无因次判别准则之间的定量关系分析，采空区自燃发火情况主要体现于温度变化，而采空区最高温度通常为固体温度，因此，选择固体无因次过余温度作为分析研究对象。
设定无因次工作面推进速度为4×103，无因次放热准则为300，无因次漏风强度准则分别为2.5、5、10、20、40情况下的自然发火情况进行了数值模拟，得到不同无因次漏风强度准则下的温度分布，如图6所示。并能得到采空区最高固体无因次过余温度与无因次漏风强度准则之间的关系曲线图如图7所示。
设定无因次放热准则为150，无因次漏风强度准则为2.5，无因次推进速度分别为2×103、4×103、8×103、16×103情况下的自然发火情况进行了数值模拟，得到不同无因次推进速度下的固体温度场分布，如图8所示。并能得到采空区最高固体无因次过余温度与无因次推进速度之间的关系曲线图如图9所示。
设定无因次推进速度为2×103，无因次漏风强度准则为40，无因次放热准则分别为50、100、150、200、300情况下的自然发火情况进行了数值模拟，得到不同无因次放热准则下的固体温度场分布，如图10所示。并能得到采空区最高固体无因次过余温度与无因次放热准则之间的关系曲线图如图11所示。
然后，根据无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则对应的采空区自燃发火的最高无因次过余温度，分别以无因次漏风强度、无因次推进速度的导数、以及无因次放热强度的对数坐标变量，分别生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图。
在本申请实施例中，通过对一系列的主要无因次判别准则进行数值模拟，可以得 到以无因次漏风强度
Figure 303637DEST_PATH_IMAGE002
、无因次推进速度的倒数
Figure 121420DEST_PATH_IMAGE107
和无因次放热强度的对数
Figure 182917DEST_PATH_IMAGE108
为坐标的 诺模图，如图12所示。
在本申请实施例中，在采空区自然发火多场耦合无因次数学模型的基础上，引入过余温度，并利用相似理论对数学模型进行无因次分析，得到了起主要作用的通用无因次自燃准则。与有因次的模型相比，本模型将众多影响采空区自燃的物理因素综合考虑，使复杂多变且相互影响的物理量整合成三个对采空区自燃起主要作用的通用无因次判别准则，使得采空区温度预测更加的简洁明确。同时以本模型减少了计算量，能够更加快速的得出模拟结果。更为重要的是，由此得到的诺模图实现了快速得到采空区温度数据的改进，在减少工作量的同时，提高了预测的效率，对及时了解采空区温度防止遗煤自燃有着重要的意义。
图13为根据本申请的一些实施例提供的一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统的结构示意图；如图13所示，该采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统包括：第一计算单元1201、第二计算单元1202和判断单元1203。
第一计算单元1201，配置为，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则。
第二计算单元1202，配置为，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度。
判断单元1203，配置为，根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
本申请实施例提供的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统能够实现上述任一采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法实施例的步骤、流程，并达到相同的有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，包括：
步骤S101、根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则；
步骤S102、根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；
步骤S103、根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
2.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S101中，
按照公式：
Figure 21131DEST_PATH_IMAGE001
计算采空区的无因次漏风强度准数；
其中，
Figure 964816DEST_PATH_IMAGE002
表示无因次漏风强度准数，
Figure 383028DEST_PATH_IMAGE003
表示采空区初始氧气浓度，
Figure 95769DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系数；
Figure 957546DEST_PATH_IMAGE005
表 示标况下空气密度，
Figure 122948DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 220217DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 912099DEST_PATH_IMAGE008
表示静压和速压之和；
Figure 69410DEST_PATH_IMAGE009
表示粒径及 耗氧速度综合影响系数；
Figure 863054DEST_PATH_IMAGE010
表示采空区冒落煤岩导热系数；
按照公式：
Figure 498435DEST_PATH_IMAGE011
计算采空区的无因次推进速度；
其中，
Figure 44823DEST_PATH_IMAGE012
表示无因次推进速度，
Figure 373036DEST_PATH_IMAGE013
表示采空区遗煤密度，
Figure 388396DEST_PATH_IMAGE014
表示采空区遗煤比热，
Figure 827468DEST_PATH_IMAGE015
表 示工作面长度，
Figure 369308DEST_PATH_IMAGE012
表示工作面平均推进速度；
按照公式：
Figure 993056DEST_PATH_IMAGE016
计算采空区的无因次放热强度准数；
其中，
Figure 354767DEST_PATH_IMAGE017
表示无因次放热强度准数；
Figure 207317DEST_PATH_IMAGE018
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 869242DEST_PATH_IMAGE019
表示放热强度系 数；
Figure 273679DEST_PATH_IMAGE020
为采空区遗煤厚度影响系数，
Figure 512899DEST_PATH_IMAGE021
为采空区遗煤粒径影响系数，
Figure 28194DEST_PATH_IMAGE022
表示采空区底层原始 温度。
3.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S102中，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度，具体为：
基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度，对无因次放热强度准数进行插值，得到采空区的最高无因次过余温度。
4.根据权利要求1所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S103中，
按照公式：
Figure 419992DEST_PATH_IMAGE023
计算采煤条件下采空区的实际温度；
其中，
Figure 260909DEST_PATH_IMAGE024
表示采煤条件下采空区的实际温度，
Figure 987426DEST_PATH_IMAGE025
表示采空区最高无因次过余温度，
Figure 306412DEST_PATH_IMAGE026
表示采空区耗氧速度指数系数，
Figure 677350DEST_PATH_IMAGE027
表示采空区底层原始温度。
5.根据权利要求4所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在，在步骤S103中，
根据采煤条件下采空区的实际温度与煤的自燃临界温度，确定采空区是否存在自燃发火危险。
6.根据权利要求1-5任一所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，所述采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法还包括：
步骤S201、建立采煤条件下采空区自燃发火流场、氧浓度场、温度场的多场耦合无因次数学模型；其中，温度场包括：气体温度场和固体温度场，多场耦合无因次模型包括：无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次固体温度场模型、无因次气体温度场模型；
步骤S202、基于多场耦合无因次数学模型，根据预先确定的无因次参数，确定采空区发火的主要无因次判别准则；
步骤S203、根据采空区发火的主要无因次判别准则，对采煤条件下采空区自燃发火多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图；
步骤S204、根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，和主要无因次判别准则，生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图。
7.根据权利要求6所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S201中，
采空区自燃发火的无因次流场模型为：
Figure 298955DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 122555DEST_PATH_IMAGE029
表示采空区模型网格划分后任一控制体的面积；
Figure 635445DEST_PATH_IMAGE030
表示采空区模型网格划分后 任一控制体的封闭曲面，
Figure 595310DEST_PATH_IMAGE031
为无因次坐标，
Figure 778030DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 229871DEST_PATH_IMAGE033
表示工作面长度；
Figure 890660DEST_PATH_IMAGE034
表 示垂直于工作面向采空区延伸的方向；
Figure 95245DEST_PATH_IMAGE035
表示工作面上与
Figure 714445DEST_PATH_IMAGE034
方向垂直的水平方向；
Figure 247057DEST_PATH_IMAGE036
表示工 作面上与
Figure 586903DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 521361DEST_PATH_IMAGE035
方向垂直的方向；
Figure 436096DEST_PATH_IMAGE037
为无因次压力，
Figure 456005DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 865121DEST_PATH_IMAGE039
表示静压和速压之和；
Figure 919664DEST_PATH_IMAGE040
为无因次 密度，
Figure 349509DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 246926DEST_PATH_IMAGE005
表示标况下的空气密度，
Figure 318788DEST_PATH_IMAGE006
表示重力加速度，
Figure 837625DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 969529DEST_PATH_IMAGE042
为无因次单位 向量，
Figure 88663DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 698636DEST_PATH_IMAGE044
表示外法线向量；
Figure 727772DEST_PATH_IMAGE045
为无因次标准高度，
Figure 640365DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 122161DEST_PATH_IMAGE047
表示以采空区底板为基准 面的标高；
Figure 660459DEST_PATH_IMAGE048
为对流换热边界上的风压函数；
Figure 544101DEST_PATH_IMAGE049
分别为无因次风流速度在
Figure 486650DEST_PATH_IMAGE050
方向的分量，
Figure 331109DEST_PATH_IMAGE051
表示气体密度，
Figure 548464DEST_PATH_IMAGE052
表示各方向上的风流速度；
Figure 145667DEST_PATH_IMAGE053
为对流换热边界；
Figure 790275DEST_PATH_IMAGE054
为上下两行煤柱；
Figure 122030DEST_PATH_IMAGE055
为采空区深部边界，
Figure 611917DEST_PATH_IMAGE056
为采空区的顶板边 界，
Figure 470152DEST_PATH_IMAGE057
为采空区底板边界；
按照公式：
Figure 144716DEST_PATH_IMAGE058
计算无因次速度
Figure 822822DEST_PATH_IMAGE059
，
式中，
Figure 257345DEST_PATH_IMAGE060
表示煤层的倾角；
采空区自燃发火的无因次氧浓度场模型为：
Figure 704507DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure 690918DEST_PATH_IMAGE062
表示采空区模型网格划分后任一控制体的体积，
Figure 246533DEST_PATH_IMAGE063
无因次风流速度，
Figure 78223DEST_PATH_IMAGE064
；
Figure 520837DEST_PATH_IMAGE065
为无因次氧气扩散准数，
Figure 412569DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 65267DEST_PATH_IMAGE067
表示氧气的扩散系数；
Figure 114299DEST_PATH_IMAGE068
为无 因次氧浓度，
Figure 801632DEST_PATH_IMAGE069
，
Figure 739632DEST_PATH_IMAGE068
表示单位体积氧气的浓度；
Figure 879626DEST_PATH_IMAGE070
为气体流动速度；
Figure 53119DEST_PATH_IMAGE071
为无因次气体 密度，
Figure 719592DEST_PATH_IMAGE072
；
Figure 218707DEST_PATH_IMAGE073
为无因次耗氧速度准数，
Figure 455784DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 698547DEST_PATH_IMAGE075
表示粒径及耗氧速度综合影 响系数，
Figure 485106DEST_PATH_IMAGE076
为遗煤厚度影响系数，
Figure 889542DEST_PATH_IMAGE077
为遗煤粒径影响系数，
Figure 738550DEST_PATH_IMAGE026
表示耗氧速度指数系数，
Figure 394790DEST_PATH_IMAGE022
表示 底层原始温度，
Figure 911222DEST_PATH_IMAGE003
表示初始氧气浓度，
Figure 876773DEST_PATH_IMAGE004
表示渗透系数；
Figure 947497DEST_PATH_IMAGE078
为氧气场的浓度函数；
Figure 532062DEST_PATH_IMAGE079
表示对流换热边界
Figure 778367DEST_PATH_IMAGE053
中从工作面吸入空气量流入采空区的部分；
Figure 524606DEST_PATH_IMAGE080
表示对流换 热边界
Figure 738419DEST_PATH_IMAGE053
中空气量从采空区流出的部分；
采空区自燃发火的无因次固体温度场模型为：
Figure 861095DEST_PATH_IMAGE081
其中，
Figure 86540DEST_PATH_IMAGE082
为孔隙率；
Figure 144626DEST_PATH_IMAGE083
为无因次对流换热准数，
Figure 189943DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 240944DEST_PATH_IMAGE085
表示对流换热系数，
Figure 586475DEST_PATH_IMAGE086
表示 单位体积内固体煤岩与气体的对流换热面积；
Figure 815462DEST_PATH_IMAGE087
为沿工作面的固体无因次过余温度；
Figure 348074DEST_PATH_IMAGE088
为 无因次气体过余温度，
Figure 78133DEST_PATH_IMAGE089
，
Figure 137225DEST_PATH_IMAGE090
表示气体实际温度，
Figure 661747DEST_PATH_IMAGE022
表示地层原始温度；
Figure 822601DEST_PATH_IMAGE091
为无因次放热强度准数，
Figure 90771DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure 145315DEST_PATH_IMAGE093
表示冒落煤岩导热系数；
Figure 965372DEST_PATH_IMAGE094
为无因次推进速 度，
Figure 738156DEST_PATH_IMAGE095
，
Figure 419805DEST_PATH_IMAGE096
表示遗煤密度，
Figure 328855DEST_PATH_IMAGE014
表示遗煤比热，
Figure 195180DEST_PATH_IMAGE094
表示工作面推进速度，
Figure 314314DEST_PATH_IMAGE097
表示热 扩散率，
Figure 189866DEST_PATH_IMAGE098
；
Figure 828789DEST_PATH_IMAGE099
为无因次固体热流密度；
Figure 131595DEST_PATH_IMAGE100
分别表示 采空区中热通量为零的边界；
采空区自燃发火的无因次气体温度场模型为：
Figure 472446DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 886110DEST_PATH_IMAGE102
为无因次气体扩散准数，
Figure 645118DEST_PATH_IMAGE103
，
Figure 118825DEST_PATH_IMAGE104
表示气体扩散系数，
Figure 212552DEST_PATH_IMAGE105
表示气体比热；
Figure 429907DEST_PATH_IMAGE106
为无因次换热准数，
Figure 902476DEST_PATH_IMAGE107
。
8.根据权利要求6所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S203中，根据采空区发火的主要无因次判别准则，对采煤条件下采空区自燃发火多场耦合无因次数学模型进行离散求解，得到采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，具体为：
基于有限体积法，分别对无因次流场模型、无因次氧浓度场模型、无因次固体温度场模型和无因次气体温度场模型进行离散求解，得到无因次流场、无因次氧浓度场、无因次固体温度场、无因次气体温度场的分布云图。
9.根据权利要求6所述的采煤条件下采空区自燃发火无因次判别方法，其特征在于，在步骤S204中，根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，和主要无因次判别准则，生成主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度的诺谟关系图，包括：
通过单一变量法，根据采空区自燃发火的流场、氧浓度场、温度场的分布云图，分别确定无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则对应的采空区自燃发火的最高无因次过余温度；
根据无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则对应的采 空区自燃发火的最高无因次过余温度，分别以无因次漏风强度
Figure 422450DEST_PATH_IMAGE002
、无因次推进速度的导数
Figure 269053DEST_PATH_IMAGE108
、以及无因次放热强度的对数
Figure 758940DEST_PATH_IMAGE109
为坐标变量，分别生成主要无因次判别准则与采空区最 高无因次过余温度的诺谟关系图。
10.一种采煤条件下采空区自燃发火无因次判别系统，其特征在于，包括：
第一计算单元，配置为，根据采空区的自燃火灾参数，基于预先确定的采空区的主要无因次判别准则，计算采空区的无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数；其中，主要无因次判别准则包括：无因次漏风强度准则、无因次推进速度准则、以及无因次放热强度准则；
第二计算单元，配置为，根据无因次漏风强度准数、无因次推进速度、以及无因次放热强度准数，基于预先建立的主要无因次判别准则与采空区最高无因次过余温度之间的诺谟关系图，通过插值法，获取采空区的最高无因次过余温度；
判断单元，配置为，根据采空区的最高无因次过余温度，得到采煤条件下采空区的实际温度，以根据采空区的实际温度，判断采空区是否存在自燃发火危险。
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