煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)滲流運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬研究

于 濤劉 曄毛肖杰

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省沈陽(yáng)市，113122；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.昆明理工大學(xué)，云南省昆明市，650093）

煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)滲流運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬研究

于 濤1劉 曄2毛肖杰3

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧省沈陽(yáng)市，113122；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.昆明理工大學(xué)，云南省昆明市，650093）

煤田露頭煤層自燃使得煤田露頭發(fā)生塌陷，為了合理地治理煤田露頭火區(qū)，研究了影響煤田露頭火區(qū)的重要參數(shù)，應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件針對(duì)不同煤層埋藏深度、孔隙率、滲透率進(jìn)行了宏觀數(shù)值模擬。得到了煤田露頭多孔介質(zhì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化規(guī)律，并根據(jù)孔隙率與滲透率對(duì)火區(qū)溫度分布的變化規(guī)律提出治理方案。

煤田露頭火區(qū) 塌陷區(qū) 孔隙率 滲透率 數(shù)值模擬

煤田煤層露頭在自然通風(fēng)的影響下發(fā)生自燃，隨著露頭煤層燃燒深度的加深，煤田火區(qū)地表塌陷。煤田露頭火區(qū)煤層燃燒后的塌陷區(qū)上覆巖層在垂直方向上產(chǎn)生冒落帶及其充填區(qū)、裂隙帶和彎曲下沉帶，“三帶”高度可按照巖層控制理論來(lái)確定。煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率及滲透率影響到火區(qū)的溫度場(chǎng)及滲流速度場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而影響煤田露頭煤層自燃的結(jié)果。因此，研究煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率及滲透率的關(guān)系，有利于科學(xué)分析煤田露頭火區(qū)燃燒過(guò)程和防治原理，對(duì)做好煤田火區(qū)防治工作，保護(hù)煤炭資源和生態(tài)環(huán)境具有重大的意義。

1　煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)氣體滲流形式的分析

煤田露頭由露頭煤層自燃產(chǎn)生的塌陷形成塌陷“三帶”，“三帶”煤巖、土層的破碎構(gòu)成了多處進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。為了研究方便，本文根據(jù)相關(guān)理論進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將煤田露頭火區(qū)簡(jiǎn)化為一主要的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。即新鮮自然風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)口通過(guò)冒落帶及其充填區(qū)構(gòu)成的多孔介質(zhì)通道，再經(jīng)過(guò)塌陷裂隙帶和彎曲下沉帶的裂隙及孔隙，最終由出風(fēng)口排到地表，其中部分氣體由冒落帶及其充填區(qū)的孔隙和裂隙滲入燃燒區(qū)，在火源區(qū)域與煤層發(fā)生氧化燃燒，隨后燃燒的煙氣沿巖層裂隙、孔隙逸出地表，其過(guò)程如圖1所示。塌陷 “三帶”由于孔隙率和滲透率的差異，得到的是不連續(xù)的滲流形式，本文為研究孔隙率及滲透率的關(guān)系，將其非均勻區(qū)忽略，認(rèn)為風(fēng)流在塌陷 “三帶”滲流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是連續(xù)的。

圖1　風(fēng)流在煤田露頭火區(qū)滲流運(yùn)動(dòng)路線示意圖

風(fēng)流在煤田露頭火區(qū)內(nèi)可能存在兩種流體，一種是煤自燃生成氣體，另一種是外界進(jìn)入的新鮮風(fēng)流。且存在兩種流體同時(shí)流動(dòng)的情況，煤自燃生產(chǎn)的氣體和新鮮風(fēng)流一起在塌陷區(qū) “三帶”中裂隙及孔隙形成的回風(fēng)通道做滲流運(yùn)動(dòng)，從而形成了煤田露頭火區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。

2　煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率與滲透率關(guān)系分析

煤田露頭火區(qū)多孔介質(zhì)的孔隙率和滲透率是物性參數(shù)中重要的參數(shù)，也是影響風(fēng)流在火區(qū)內(nèi)滲流速度的重要因素之一。確定孔隙率與滲透率的關(guān)系對(duì)研究煤田露頭火區(qū)內(nèi)滲流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布規(guī)律及燃燒區(qū)火勢(shì)大小變化規(guī)律提供一定的理論支持。本文主要介紹裂隙帶與彎曲下沉帶、冒落帶及其充填區(qū)研究孔隙率與滲透率關(guān)系的結(jié)果。

（1）在煤田露頭火區(qū)塌陷 “三帶”中，裂隙帶與彎曲下沉帶主要是由松散巖土及巖塊構(gòu)成的多孔介質(zhì)組成的，根據(jù)試驗(yàn)得到的孔隙率及滲透率關(guān)系曲線，孔隙率與滲透率關(guān)系函數(shù)基本符合冪函數(shù)：

式中：K——滲透率，m2；

φ——孔隙率。

（2）在煤田露頭火區(qū)塌陷 “三帶”中，冒落帶及其充填區(qū)的自燃產(chǎn)物為完全燃燒的余煤及破碎巖塊組成的多孔介質(zhì)，新鮮空氣和煙氣主要以層流和分子擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng)，根據(jù)相關(guān)滲透率研究成果，冒落帶及其充填區(qū)孔隙率與滲透率關(guān)系可表示為：

式中：K0——初始滲透率，取1×10-9m2。

3　煤田露頭火區(qū)數(shù)值模擬模型

煤田露頭煤層自燃過(guò)程是自主完成的，不同孔隙率與滲透率則對(duì)火區(qū)氣體滲流運(yùn)動(dòng)及火災(zāi)形勢(shì)有不同影響，進(jìn)而影響露頭煤層的燃燒。根據(jù)礦區(qū)火區(qū)地質(zhì)資料，進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后建立物理模型，并根據(jù)相關(guān)資料對(duì)煤田露頭火區(qū)作如下假設(shè)：

（1）由于露頭煤層燃燒使得地表塌陷，導(dǎo)致露頭火區(qū)的進(jìn)出口較多，本文將其合理簡(jiǎn)化為一個(gè)主要進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口；

（2）假設(shè)氣體在塌陷區(qū) “三帶”多孔性介質(zhì)中為穩(wěn)定流動(dòng)；

（3）根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)得假設(shè)氣體在塌陷區(qū)多孔性介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)為層流且線性運(yùn)動(dòng)；

（4）不考慮液體影響，氣體為理想氣體；

（5）假設(shè)煤田露頭火區(qū)塌陷區(qū) “三帶”中的裂隙帶及彎曲下沉帶為一整體且孔隙率和滲透率是不變的。

根據(jù)桌子山煤田駱駝山礦區(qū)煤樣及相關(guān)樣本測(cè)得，其煤層塌陷區(qū)的孔隙率在0.1～0.4之間。取孔隙率為0.2和0.4兩種情況對(duì)煤田露頭火區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬。

煤層塌陷區(qū)的孔隙率在0.2和0.4時(shí)，由式（1）計(jì)算得裂隙帶與彎曲下沉帶對(duì)應(yīng)的滲透率為5.104×10-11m2和4.0832×10-10m2；由式（2）計(jì)算得冒落帶及其充填區(qū)對(duì)應(yīng)的滲透率為5.1867 ×10-11m2和7.3767×10-10m2。

煤田露頭煤層自燃時(shí)，假設(shè)煤氧化反應(yīng)在區(qū)域塊內(nèi)進(jìn)行，則煤巖露頭自燃時(shí)3個(gè)區(qū)域的組分i的滲流方程如下。

露頭煤層燃燒區(qū)內(nèi)孔隙中滲流方程：

煤田露頭塌陷區(qū)冒落帶及其充填區(qū)區(qū)內(nèi)孔隙中滲流方程：

煤田露頭塌陷區(qū)裂隙帶及彎曲下沉帶區(qū)內(nèi)孔隙中滲流方程：

式中：w——滲流氣體的組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

P——壓力，Pa；

g——重力加速度，N/kg；

μ——?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)；

ρ——密度，kg/m3；

γi——區(qū)域內(nèi)孔隙中組分i與裂隙中組分i的交換量；

Si——?dú)怏w組分i的源項(xiàng)。

4　煤田露頭火區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述相關(guān)理論分別對(duì)兩種孔隙率進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)兩種孔隙率在煤層距露頭地面燃燒區(qū)深度（埋藏深度）L為60 m和70 m位置處分布進(jìn)行模擬，得到對(duì)應(yīng)的煤田露頭火區(qū)滲流速度和溫度場(chǎng)分布規(guī)律如圖2、3所示。

圖2　煤田露頭火區(qū)滲流速度分布云圖

通過(guò)圖2火區(qū)滲流速度分布云圖可以看出，煤田露頭火區(qū)進(jìn)、出風(fēng)口的風(fēng)速較高，且隨著火區(qū)距煤層露頭距離的增加，氣體滲流速度逐漸減??；在靠近燃燒區(qū)時(shí)滲流速度幾乎為0，此時(shí)氣體主要以分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)入火區(qū)。此外，在不同的煤層埋藏深度、不同孔隙率下，其滲流速度、分布范圍不同。滲流速度隨孔隙率增大而增加，滲流速度分布范圍也隨之增大，但隨著煤層深度的加深，滲流速度會(huì)隨之減小。對(duì)比圖2中（a）、（b）或（c）、（d）可得在煤層相同埋藏深度時(shí)，不同孔隙率，氣體在冒落帶及其充填區(qū)和裂隙帶、彎曲下沉帶的滲流速度場(chǎng)分布不同?？紫堵逝c滲透率是影響氣體在煤田露頭火區(qū)滲流速度的主要因素，說(shuō)明孔隙率越大在單位時(shí)間滲入燃燒區(qū)的氧氣量增大。由此可以驗(yàn)證孔隙率與滲透率關(guān)系在不同塌陷地帶的關(guān)系式也不相同，即在冒落帶及其充填區(qū)孔隙率與滲透率的關(guān)系滿足式（2）；而在裂隙帶及彎曲下沉帶孔隙率與滲透率的關(guān)系式滿足式（1）。這為研究煤田露頭火區(qū)煤層燃燒速度、氣體滲流速度的關(guān)系及煤田露頭火區(qū)火災(zāi)治理提供了一些理論支持。

由圖3可以明顯的看出在溫度場(chǎng)分布范圍由大到小排列順序?yàn)閳D3（d）＞（c）＞（b）＞（a）。從而看出在相同火源溫度下不同孔隙率、不同煤層埋藏深度，溫度場(chǎng)的分布影響范圍不同，煤層火勢(shì)也不同。由圖3（a）、（b）或（c）、（d）可知，孔隙率由0.2到0.4時(shí)高溫范圍明顯變大。在入口風(fēng)速不變的情況下孔隙率增大，溫度場(chǎng)的分布范圍也增大，說(shuō)明了單位時(shí)間滲入燃燒區(qū)的氧氣量增大，煤層的火勢(shì)也增大?？紫堵试黾?，一方面增加了反應(yīng)面積，直接加快化學(xué)反應(yīng)；另一方面增強(qiáng)了高溫氣體與固體骨架間的對(duì)流換熱面積，間接加快了化學(xué)反應(yīng)。因此，孔隙率增加對(duì)煤自燃（燃燒）起到了促進(jìn)作用。由此在煤田露頭火區(qū)火災(zāi)治理時(shí)可以考慮在減小孔隙率方面做工作，如往塌陷區(qū)及滑體裂隙注漿封堵煤田露頭火區(qū)原生裂隙和次生裂隙，從而減小塌陷的孔隙率和滲透率，進(jìn)而減小或隔絕煤體與氧氣的接觸，實(shí)現(xiàn)滅火目的。

圖3　煤田露頭火區(qū)溫度分布云圖

5　結(jié)論

（1）得到了煤田露頭火區(qū)時(shí)氣體滲流運(yùn)動(dòng)的主要影響因素關(guān)系。分析塌陷區(qū)孔隙率與滲透率關(guān)系式，確定孔隙率與滲透率關(guān)系在不同塌陷地帶的關(guān)系式也不相同，即在裂隙帶及彎曲下沉帶和冒落帶及其充填區(qū)的孔隙率及滲透率關(guān)系分別滿足式（1）和（2）。

（2）模擬結(jié)果表明，在不同的煤層埋藏深度、不同孔隙率下，其滲流速度、分布范圍不同。滲流速度隨孔隙率增大而增加，滲流速度分布范圍也隨之增大，但隨著煤層埋藏深度的加深，滲流速度會(huì)隨之減小。

（3）隨著孔隙率的增大單位時(shí)間滲入燃燒區(qū)的氧氣量增大，煤層燃燒火勢(shì)也隨之增大，由此在煤田露頭火區(qū)火災(zāi)治理時(shí)可以考慮在減小孔隙率方面做工作，為煤田露頭火區(qū)火災(zāi)治理提供技術(shù)路線。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Numerical modeling study on the seepage of porous media of coalfield outcrop fire zone

Yu Tao1，Liu Ye2，Mao Xiaojie3
（1.Shenyang Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group，Shenyang，Liaoning 113122，China；2.School of Civil&Environment Engineering of University of Science&Technology Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；3.Kunming University of Science&Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

Coal spontaneous combustion of coalfield outcrop made coalfield outcrop subsided. In order to reasonably manage the coalfield outcrop fire zone，the important parameters affecting coalfield outcrop fire area were studied and the macroscopic numerical modeling was made for different buried depth of coal seam，porosity and permeability by Fluent simulation software.The variation law of velocity field and temperature field of porous medium of coalfield outcrop was obtained，and the treatment scheme was put forward according to the effect of the porosity and permeability on the temperature distribution in the fire area.

coalfield outcrop fire zone，subsidence area，porosity，permeability，numerical modeling

TD752.2

A

于濤（1982-），女，漢族，遼寧營(yíng)口人，工程師，研究方向：礦井通風(fēng)與安全、煤與瓦斯鑒定，瓦斯涌出量預(yù)測(cè)等。