放頂煤開(kāi)采采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬的應(yīng)用研究①

李云福 康懷宇 何 寧

(1.山西汾西新峪煤業(yè)公司,山西介休 235000;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

放頂煤開(kāi)采采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬的應(yīng)用研究①

李云福1②康懷宇2何 寧2

(1.山西汾西新峪煤業(yè)公司,山西介休 235000;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

本文針對(duì)新峪礦 5112工作面的特征,根據(jù)采空區(qū)內(nèi)的氣體質(zhì)量守恒和浮煤與氣體的能量守恒利用數(shù)學(xué)方法建立采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)方程、氧濃度場(chǎng)方程和溫度場(chǎng)方程,并根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際狀況設(shè)定相應(yīng)的邊界條件,得到采空區(qū)內(nèi)的溫度分布,從而預(yù)測(cè)在不同的條件下預(yù)測(cè)采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火狀況。結(jié)果表明,該煤層注入阻化劑后采空區(qū)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性均有大幅度降低。

阻化劑;自然發(fā)火;數(shù)值模擬;數(shù)值分析

0 引言

采空區(qū)自然發(fā)火是一個(gè)由回采工作面兩端壓力差提供漏風(fēng),采空區(qū)內(nèi)的浮煤吸附漏風(fēng)風(fēng)流中的氧氣,并與之發(fā)生氧化反應(yīng),放出熱量,使浮煤溫度升高自然發(fā)火的過(guò)程。隨著開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加,開(kāi)采條件日趨復(fù)雜,特別是放頂煤開(kāi)采技術(shù)的普遍應(yīng)用,使采空區(qū)遺煤量增加,自燃發(fā)火問(wèn)題更加突出,尤其對(duì)于高硫煤情況更加復(fù)雜[1]。預(yù)注阻化劑技術(shù)徹底解決了阻化液均勻覆蓋與包裹煤體的問(wèn)題,與向空區(qū)內(nèi)的遺煤噴灑阻化液方法相比較,阻化的效果大大提高了,阻化時(shí)間大大延長(zhǎng)了[2]。本文對(duì)新峪礦 5112工作面進(jìn)行了預(yù)注阻化劑防采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)值模擬,利用數(shù)學(xué)方法建立采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)方程、氧濃度場(chǎng)方程和溫度場(chǎng)方程,和采空區(qū)的實(shí)際狀況設(shè)定相應(yīng)的邊界條件,數(shù)值分析求解得到采空區(qū)內(nèi)的溫度分布,預(yù)測(cè)在不同條件下采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火狀況,數(shù)值模擬的結(jié)果說(shuō)明自然發(fā)火危險(xiǎn)性均有大幅度降低,預(yù)注阻化劑技術(shù)起到防止氧化、延長(zhǎng)自然發(fā)火期的效果,為煤礦安全生產(chǎn)提供了保證。

1 采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)值模擬

1.1 采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火的數(shù)學(xué)模型

采空區(qū)自然發(fā)火是一個(gè)由回采工作面兩端壓力差提供漏風(fēng),采空區(qū)內(nèi)的浮煤吸附漏風(fēng)風(fēng)流中的氧氣,并與之發(fā)生氧化反應(yīng),放出熱量,使浮煤溫度升高。假定空氣在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)符合達(dá)西定律,氧氣在采空區(qū)空氣中的擴(kuò)散符合菲克定律,并且由質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程,可以分別建立采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)的流場(chǎng)方程、氧濃度場(chǎng)方程和溫度場(chǎng)方程,這三個(gè)方程共同組成了采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)學(xué)模型[3]。

流場(chǎng)模型及邊界條件:

式中,p為空氣靜壓和速壓之和 (不包括位壓),Pa;Kx為采空區(qū)內(nèi)浮煤的滲透系數(shù),m/s;ρg為采空區(qū)內(nèi)空氣的密度,kg/m3;ρ0為采空區(qū)工作面空氣的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;α為煤層的傾角,度;n為采空區(qū)內(nèi)的空隙率;τ為時(shí)間,s;vx,vy分別為沿 x方向和 y方向的滲流速度 ,m/s;Γ1、Γ2、Γ3、Γ4為采空區(qū)邊界 ,其中Γ1為沿工作面切頂線側(cè),Γ2為采空區(qū)上部邊界,Γ3為采空區(qū)下部邊界,Γ4為采空區(qū)深部邊界;p(x,y)為沿Γ1邊界上的風(fēng)壓函數(shù),Pa。

氧濃度場(chǎng)模型及邊界條件[4]:

式中,c為氧氣濃度,mol/m3;do2為氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;u(t)為松散煤體內(nèi)的氧氣消耗速度,mol/(s·m3);c(x,y)為Γ1邊界下部的氧氣濃度函數(shù),由于采空區(qū)Γ1邊界上一部分上向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng),一部分是從采空區(qū)向外漏風(fēng),所以將Γ1邊界分成上下兩部分,通過(guò)流場(chǎng)解算結(jié)果來(lái)判定上下部的分界。

溫度場(chǎng)模型及邊界條件[5]:

1.2 采空區(qū)自然發(fā)火模型的數(shù)值求解

首先將求解區(qū)域劃分網(wǎng)格,應(yīng)用有限差分法分別對(duì)三個(gè)方程和相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行離散化處理分別得到數(shù)目為區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)的三個(gè)線性方程組,通過(guò)對(duì)方程組系數(shù)矩陣特點(diǎn)的分析,將它們分別壓縮存貯,線性方程組的求解方法采用高斯消元法。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),把所計(jì)算的區(qū)域劃分成許多互不重迭的子區(qū)域,確定節(jié)點(diǎn)在子區(qū)域中的位置及其所代表控制容積。節(jié)點(diǎn)表示求解的未知物理量的幾何位置,控制容積是應(yīng)用控制方程或守恒定律的最小幾何單位,界面規(guī)定與各節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的控制容積的分界面位置,沿坐標(biāo)軸方向聯(lián)結(jié)相鄰兩節(jié)點(diǎn)而形成的曲線簇組成網(wǎng)格線。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.3.1 解算參數(shù)的獲取

按照上述數(shù)學(xué)模型,以 5112工作面生產(chǎn)條件為例進(jìn)行了注入和不注入阻化劑兩種情況下的采空區(qū)自然發(fā)火模擬。5112綜放工作面所采為太原組 10#、11#煤層,工作面布置圖見(jiàn)圖 1.煤層平均厚度7.18m,埋藏深 170m。工作面長(zhǎng)度 160m,工作面平均傾角 6°,工作面通風(fēng)阻力為 100Pa,采空區(qū)的遺煤平均厚度為按 1.5m計(jì)算。工作面的進(jìn)風(fēng)溫度為25℃,臨界溫度為 149℃,煤的密度為 1400kg/m3,在臨界溫度以下時(shí)煤的平均比熱為 1200J/(kg·℃),采空區(qū)的計(jì)算深度取 180m。按回采工作面的正常推進(jìn)速度 3.6m/d進(jìn)行計(jì)算。

圖 1 工作面布置圖

在進(jìn)行煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)時(shí),把煤樣分為兩組,一組加入阻化液的,一組不加阻化液。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同溫度下的耗氧速度和放熱強(qiáng)度,并將它們分別按照與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行回歸,得到它們與溫度的函數(shù)關(guān)系式,在解算時(shí)采用。

1.3.2 解算結(jié)果分析

以工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),以工作面方向?yàn)?x軸方向,為采空區(qū)深度方向?yàn)閥軸方向,繪制采空區(qū)內(nèi)浮煤溫度分布的曲面圖,見(jiàn)圖 2至圖 5所示。圖 2顯示:在工作面推進(jìn)速度為 3.6m/d和不注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況;圖 3顯示:在工作面推進(jìn)速度為3.6m/d和注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況。圖 4顯示:在工作面推進(jìn)速度為 0.6m/d和不注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況;圖 5顯示:在工作面推進(jìn)速度為 0.6m/d和注入阻化液條件下,采空區(qū)溫度分布情況。

對(duì)比圖 2和圖 3、圖 4和圖 5,在注入與不注入阻化液時(shí)在不同的推進(jìn)速度下都可以使采空區(qū)的溫度降低。在正常推進(jìn)速度下 (3.6m/d)注入阻化液可以使采空區(qū)最高溫度降低將近 4℃,在推進(jìn)速度為 0.6m/d時(shí)注入阻化液可以使采空區(qū)最高溫度降低 17℃。數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了注入阻化液對(duì)防止采空區(qū)自燃有較強(qiáng)的作用。

圖 2 工作面正常推進(jìn)情況下(3.6m/d)不注入阻化液時(shí)采空區(qū)溫度分布圖

圖 3 正常推進(jìn)速度下(3.6m/d)注入阻化液時(shí)采空區(qū)溫度分布圖

圖 4 推進(jìn)速度為 0.6m/d時(shí)不注入阻化液時(shí)采空區(qū)溫度分布圖

圖 5 推進(jìn)速度為 0.6m/d時(shí)注入阻化液時(shí)采空區(qū)溫度分布圖

3 結(jié)論

1)在進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度較高,所以煤的發(fā)熱量也較大,引起煤的溫升也較高,在回風(fēng)側(cè)氧氣濃度低,煤的放熱量也相應(yīng)減少,所以溫升也較小,這與采空區(qū)自燃經(jīng)常發(fā)生在進(jìn)風(fēng)側(cè)的事實(shí)是相符合的。

2)計(jì)算表明采空區(qū)內(nèi)的熱量傳遞方式以對(duì)流換熱為主,采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量大小對(duì)采空區(qū)內(nèi)的熱量傳遞起著關(guān)鍵作用。由于采空區(qū)淺部漏風(fēng)風(fēng)流較大,進(jìn)風(fēng)側(cè)浮煤氧化產(chǎn)生的熱量使風(fēng)流溫度升高,這些經(jīng)過(guò)加熱后的風(fēng)流到回風(fēng)側(cè)后使回風(fēng)側(cè)溫度升高。而采空區(qū)深部漏風(fēng)風(fēng)流很小,而進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度比回風(fēng)側(cè)高,所以進(jìn)風(fēng)側(cè)浮煤氧化放出的熱量比回風(fēng)側(cè)多,進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度比回風(fēng)側(cè)溫度要高。

3)對(duì)比不同推進(jìn)速度下其它條件相同的采空區(qū)溫度分布圖可以看出,隨著推進(jìn)速度的降低,采空區(qū)內(nèi)溫度越來(lái)越高,當(dāng)每天割一刀煤 (即0.6m/d)時(shí)如果不注阻化劑采空區(qū)的最高溫度可以達(dá)到 110℃以上,如果工作面正常推進(jìn) (即3.6m/d)則即使不注入阻化劑采空區(qū)的最高溫度也不超過(guò) 37℃,這證實(shí)了推進(jìn)速度是影響采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因,所以加快回采工作面推進(jìn)速度是防止采空區(qū)自燃的最好措施之一。

[1]文虎 .煤自燃過(guò)程的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].西安科技大學(xué),2003

[2]游浩,趙長(zhǎng)春 .綜采放頂煤工作面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出治理技術(shù)[A].瓦斯地質(zhì)與瓦斯防治進(jìn)展[C],2007

[3]文虎 .煤自燃過(guò)程的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].西安科技大學(xué),2003

[4]仲曉星 .煤自燃傾向性的氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008

[5]蔡康旭,岑代全,袁強(qiáng),劉愛(ài)華 .煤炭自燃預(yù)報(bào)模型校正的理論與方法[J].礦業(yè)工程研究,2009,(1)

Numerical Simulation of Spontaneous Combustion Process of Top coal caving in Goaf

L I Yunfu1,KANG Huaiyu2,HE N ing2

(1.Xinyu Coal-mine of FenxiMine group,Jiexiu Shanxi 235000;2.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Through XinYun Mine 5112 fully mechanized working face anti-inhibitor pretreatment top coal caving Spontaneous Combustion Simulation;Mined areas under themass conservation of gas and floating coal and gas energy conservation usingmathematicalmethods to establish the flow field equations mined areas,oxygen concentration and temperature field equations field equations,numerical analysis by solving the temperature distribution ofmined areas;predictmined areas under different conditions spontaneous combustion conditions;value S imulation results shown that top coal caving GOB risk of spontaneous combustion were significantly reduced.

inhibitor;spontaneous combustion;numerical simulation;numerical analysis

TD75+2.1

A

1672-7169(2011)02-0012-04

2011-03-01

李云福(1964-),男,山西介休人,北京煤礦學(xué)校畢業(yè)參加工作,現(xiàn)任山西汾西新峪煤業(yè)總工程師。