地質(zhì)條件和地表風(fēng)對煤火蔓延特征的影響研究

王海燕 徐祚卉 張敏敏 劉振乾 高瑞浩

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

中國北方煤田每年因自燃燒失大量的煤炭資源，危害煤礦安全生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟損失。自燃既是煤礦防火的治理重點，也是火災(zāi)的重要研究方向。孫寶亮對攀枝花大寶鼎4號露頭煤層進行煤自燃數(shù)值模擬，得出露頭與井口均漏風(fēng)和只有露頭漏風(fēng)情況下各溫度、濃度、流場，以及不同漏風(fēng)速度下煤自燃的發(fā)展規(guī)律；邸建友通過模擬煤層自燃，得出自然發(fā)火期與風(fēng)速及礦井深度變化的規(guī)律；王文才等對不同條件下的煤田露頭火區(qū)進行模擬，得出了進風(fēng)通道風(fēng)速和孔隙率對火區(qū)的影響；張培等對煤層露頭火區(qū)自然通風(fēng)系統(tǒng)特征以及風(fēng)流運動規(guī)律分析，得出煤田露頭火區(qū)風(fēng)流運動基本方程，并通過模擬得出露頭火區(qū)風(fēng)流運動規(guī)律；于濤等對不同煤層埋藏深度、孔隙率及滲透率的煤田露頭火區(qū)進行模擬，得出了多孔介質(zhì)速度場、溫度場變化規(guī)律；徐佳對汝箕溝煤田上一火區(qū)進行數(shù)值模擬，得出不同火源溫度和入口風(fēng)速下火區(qū)氧濃度場、溫度場及漏風(fēng)流場變化規(guī)律；肖旸對烏達煤田火區(qū)進行數(shù)值模擬，得出煤田火區(qū)上覆巖層監(jiān)測點溫度場和應(yīng)力場隨時間的變化規(guī)律，以及火區(qū)煤巖體氧濃度、滲流速度場和壓力場的分布。上述研究成果對豐富煤自燃理論及滿足火區(qū)治理實踐發(fā)揮了重要作用，但是針對外部環(huán)境對煤層自燃中的熱作用深度研究還比較少，本文主要研究煤自燃的蔓延特性，并從蔓延深度研究外部環(huán)境對煤層自燃的影響，為盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、查明火源位置及其范圍、熄滅火區(qū)奠定堅實基礎(chǔ)。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

1.1 研究對象

新疆某煤田火區(qū)由于新構(gòu)造運動作用，煤層露出地表與空氣氧化作用引起煤炭自燃?；饏^(qū)燃燒劇烈，地表發(fā)育成排裂隙，地面冒青煙，局部有明火。該火區(qū)地形屬中低山及丘陵地形，地層平緩，傾角10°～65°，含主要煤層三層，平均總厚度24.44 m?？刹擅簩佣?，平均可采厚度22.15 m，主要可燃煤層平均總厚度18.95 m，屬于特厚煤層，含灰分平均12.30%，揮發(fā)分44.94%，硫分0.734%，發(fā)熱量31.2 MJ/kg。煤質(zhì)大多屬于長焰煤及不粘煤，具有較易自燃、煙濃、火焰略長、白灰等特點。火區(qū)屬大陸性氣候，春秋為風(fēng)季，風(fēng)向以西北風(fēng)為主。

1.2 煤層自燃的物理模型及模擬參數(shù)

該火區(qū)有平原、山地兩種地形，根據(jù)新疆示范火區(qū)地形資料，將山地區(qū)含煤山體簡化為一個等腰梯形，山底寬290 m、高70 m、煤層厚20 m，并假設(shè)該梯形沿走向長度足夠長。將平原區(qū)含煤山體簡化為坡度統(tǒng)一0°、寬290 m、高70 m、地表以上大氣高80 m的幾何體。

本文主要研究煤層傾角、地形地貌及地表風(fēng)向、風(fēng)速對煤火高溫區(qū)蔓延的影響。設(shè)定模擬工況及主要參數(shù)見表1。根據(jù)新疆主要火區(qū)所在地區(qū)風(fēng)速，確定地表模擬風(fēng)速為2.1 m/s、4 m/s、8 m/s 3種狀態(tài)。該火區(qū)地質(zhì)報告顯示，火區(qū)內(nèi)無大的裂隙和斷層，故煤層取單一孔隙率0.1，巖層取單一孔隙率0.05?；饏^(qū)內(nèi)有開采歷史，因此采空區(qū)漏風(fēng)簡化為一條漏風(fēng)通道，漏風(fēng)速度取0.01 m/s。初始火區(qū)半徑3 m，火區(qū)中心半徑1 m區(qū)域溫度1500 K，向外溫度遞減，最外圍溫度500 K，自燃初始位置距露頭側(cè)20 m，地表大氣壓為101.325 kPa(1個標(biāo)準大氣壓)。

表1 模擬工況及主要參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 煤層傾角對于火區(qū)蔓延的影響

為研究煤層傾角對露頭煤火發(fā)展動態(tài)的影響差異，模擬煤層露頭山體坡度45°，煤層厚20 m，煤層傾角分別設(shè)定為7°、13°、30°、51° 4種情況。煤層和露頭區(qū)域均為多孔介質(zhì)，地表風(fēng)速2.1 m/s，底端存在采空區(qū)輕微漏風(fēng)，漏風(fēng)速度0.01 m/s，煤火高溫區(qū)域溫度為500～1500 K。模擬結(jié)果如圖1和圖2所示。

高溫區(qū)由于受到露頭散熱的影響，在露頭一側(cè)溫度梯度較大；傾角較小時，高溫區(qū)沿傾向向露頭蔓延速度較快；隨著傾角增大，高溫區(qū)向露頭蔓延的速度減緩。這主要是由于火風(fēng)壓的作用使得高溫?zé)熈髁飨蛏戏?，預(yù)熱上方途經(jīng)地區(qū)，而煤層傾角越陡，煙流流過預(yù)熱煤炭的范圍越大，加上熱氣有上行的特性，進而使燃燒區(qū)域上方的露頭內(nèi)滲流速度場發(fā)生改變，從而有利于傳熱和供氧。高溫區(qū)的這種變化趨勢說明煤層傾角大小對推動自燃的火風(fēng)壓有影響，傾角越大，火風(fēng)壓越大。結(jié)果與國內(nèi)部分學(xué)者關(guān)于煤田露頭自燃火風(fēng)壓變化特點結(jié)論一致。

隨著自燃時間的進行，露頭煤火高溫區(qū)域?qū)⒅饾u向煤層內(nèi)部蔓延，但到達一定深度后，高溫區(qū)將不再向更深部位蔓延。不同傾角下高溫區(qū)沿傾向向煤層深部的極限蔓延深度呈現(xiàn)出隨煤層傾角加大高溫區(qū)極限蔓延深度降低的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種變化規(guī)律的原因，除受選擇幾何模型建立時差異性的影響，還受傳熱與氧氣供應(yīng)、滲流難易的聯(lián)合影響。煤層傾角大，主要熱量向露頭方向傳遞，熱量向深部傳遞變難，新鮮空氣通過煤巖向內(nèi)部滲流供氧能力將受限。

圖1 自燃高溫區(qū)隨煤層傾角變化時的溫度場及速度場變化

2.2 地形地貌對火區(qū)蔓延的影響

火區(qū)蔓延主要考慮地形山體坡度以及山丘和平原兩類地形對火區(qū)高溫區(qū)的影響。本文模擬煤層傾角30°，煤層厚20 m，地表大氣風(fēng)速2.1 m/s，下部存在采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速0.01 m/s，地表大氣壓力為101.325 kPa(1個標(biāo)準大氣壓)，山體坡度分別設(shè)定為0°、30°、45° 3種。模擬結(jié)果如圖3所示。

露頭坡度對火區(qū)蔓延的影響特征為：坡度越陡，高溫區(qū)向煤層深部的蔓延速度越快。這是因為山體坡度越大，越有利于空氣向多孔介質(zhì)中的煤層滲流。在傾斜的山坡，自然風(fēng)壓是導(dǎo)致空氣對流的主要驅(qū)動力，山坡越陡，自然風(fēng)壓越大，使更多的空氣流入坡度較陡的山體，影響空氣在露頭及煤層內(nèi)的滲流速度，進而增加煤層中供氧量，最終對煤田火區(qū)的蔓延產(chǎn)生影響。

圖2 自燃高溫區(qū)的蔓延距離隨傾角的變化曲線

根據(jù)模擬結(jié)果，提取高溫區(qū)域沿煤層傾向向深部蔓延的距離，如圖4所示。其結(jié)果同樣表明山體陡峭的煤層露頭利于煤火高溫區(qū)向深部蔓延?？傮w上看，山體坡度增加，自燃高溫區(qū)沿煤層傾向向下蔓延距離增加。但隨著自燃時間的進行，高溫區(qū)將停止向下蔓延。

2.3 地表風(fēng)對火區(qū)蔓延影響

地表風(fēng)速的大小直接影響露頭煤層內(nèi)的漏風(fēng)速度和蔓延特性。模擬煤層露頭山體坡度30°，煤層厚20 m，煤層傾角13°，露頭在迎風(fēng)側(cè)，存在采空區(qū)漏風(fēng)，地表大氣壓力為101.325 kPa(1個標(biāo)準大氣壓)。對于地表風(fēng)向與露頭的相關(guān)性，選取坡度為30°，煤層厚20 m，煤層傾角為30°，地表大氣風(fēng)速(分迎風(fēng)和背風(fēng))2.1 m/s、4 m/s和8 m/s進行模擬。

不同風(fēng)速下高溫區(qū)沿傾向的蔓延距離如圖5所示。由圖5可以看出，2.1 m/s、4 m/s和8 m/s 3種風(fēng)速條件下高溫區(qū)沿煤層傾向向深部的極限蔓延深度分別為4.977 m、3.98 m和3.355 m，與之對應(yīng)的，平均蔓延速度為0.13 m/h，0.14 m/h和0.23 m/h。說明高溫區(qū)的蔓延深度與外界風(fēng)速大小呈反比。但風(fēng)速高時，高溫區(qū)向深部蔓延速度會增加，直至達到極限蔓延深度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤層露頭中的風(fēng)流滲流具有兩面作用，既可為煤的氧化反應(yīng)提供充足的氧氣，從而有利于自燃，但也會帶走煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致蓄熱困難，從而降低反應(yīng)速度。

圖3 不同坡度影響下的煤自燃高溫區(qū)溫度云圖

圖4 不同地形下的自燃高溫區(qū)蔓延距離

不同風(fēng)向下露頭內(nèi)溫度場和速度場分布如圖6所示。由圖6可以看出，迎風(fēng)時，火區(qū)向內(nèi)部蔓延的速度大于背風(fēng)，且迎風(fēng)露頭火區(qū)高溫區(qū)沿煤層傾向向深部蔓延的極限距離和熱作用深度也高于背風(fēng)側(cè)露頭。主要原因是迎風(fēng)時地表風(fēng)速對迎風(fēng)坡產(chǎn)生風(fēng)壓，提高了煤層深部的供氧速度和供氧范圍，有助于火區(qū)的發(fā)展，進而加快高溫區(qū)的遷移速度。

不同風(fēng)向下高溫區(qū)蔓延距離散點圖見圖7。由圖7可知，迎風(fēng)側(cè)高溫區(qū)蔓延深度達5.37 m，時間為40.77 h；背風(fēng)側(cè)蔓延深度達4.39 m，時間為32.29 h。即迎風(fēng)側(cè)高溫區(qū)向內(nèi)部蔓延的深度大于背風(fēng)側(cè)。地表風(fēng)速對山坡產(chǎn)生風(fēng)壓，造成山體內(nèi)部與地表兩端的氣壓差，根據(jù)達西定律可知，多孔介質(zhì)中的滲流速度與介質(zhì)兩端的氣壓差呈正比，迎風(fēng)側(cè)地表風(fēng)壓大于背風(fēng)側(cè)，其內(nèi)部滲流速度大于背風(fēng)側(cè)，將更多的氧氣帶入煤層深部，供氧量增加有助于火區(qū)深部燃燒反應(yīng)的持續(xù)進行，且加快燃燒速率、擴大高溫區(qū)的范圍，因此使迎風(fēng)側(cè)高溫區(qū)蔓延深度大于背風(fēng)側(cè)。

圖5 不同風(fēng)速下高溫區(qū)沿傾向的蔓延距離

圖6 不同風(fēng)向下露頭內(nèi)溫度場和速度場分布

圖7 不同風(fēng)向下高溫區(qū)蔓延距離散點圖

3 結(jié)論

以新疆某煤田火區(qū)為背景，選取煤層傾角、地形地貌、地表風(fēng)向為研究對象，建立物理模型，進行了實際煤田自燃的模擬分析。結(jié)果表明：高溫區(qū)沿傾向向露頭蔓延的速度隨著煤層傾角的增大而減小；高溫區(qū)蔓延極限深度隨著煤層傾角的增加而減小。平原地形火區(qū)高溫區(qū)最先到達露頭側(cè)；高溫區(qū)沿傾向向煤層內(nèi)部蔓延的極限深度隨著山體坡度增加而增加。迎風(fēng)側(cè)露頭高溫區(qū)面積稍大于背風(fēng)側(cè)，且背風(fēng)側(cè)高溫區(qū)主要向頂板處蔓延；露頭位于迎風(fēng)側(cè)時高溫區(qū)沿傾向向煤層內(nèi)部蔓延極限深度大于背風(fēng)側(cè)。

煤田火區(qū)的發(fā)展和蔓延是國內(nèi)乃至世界性的難點和亟需解決的問題之一。本研究結(jié)果尚需在未來的現(xiàn)場實踐和應(yīng)用中進一步補充和提高，并進行一定成果的驗證，為我國大面積煤田火區(qū)預(yù)防和治理提供技術(shù)和理論支撐。

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