地下煤火回風(fēng)裂隙火風(fēng)壓分布實(shí)驗(yàn)研究*

王文才 張根源 王鑫宙 趙曉坤 蘇彥斌

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古包頭014010）

地下煤火回風(fēng)裂隙火風(fēng)壓分布實(shí)驗(yàn)研究*

王文才 張根源 王鑫宙 趙曉坤 蘇彥斌

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古包頭014010）

利用煤田露頭火區(qū)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，通過對煤火燃燒過程中出風(fēng)裂隙內(nèi)氣體溫度的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)裂隙內(nèi)氣體的溫度沿裂縫逐漸降低并成指數(shù)衰減分布。通過分析得到火區(qū)裂隙溫度的分布方程并計算得到了裂隙內(nèi)火風(fēng)壓分布方程，得出煤田火區(qū)火風(fēng)壓的影響因素主要有自燃煤層溫度、自燃深度和裂隙傾角。

露頭火區(qū) 模擬實(shí)驗(yàn) 回風(fēng)裂隙 溫度 火風(fēng)壓

0 引言

煤田露頭火區(qū)是一個在開放系統(tǒng)中風(fēng)流和溫度相互影響相互作用、不斷發(fā)展變化的多場耦合體［1］。在煤田露頭火區(qū)中，高溫使煤層上覆巖層中裂隙內(nèi)的氣體與外界氣體產(chǎn)生密度差，產(chǎn)生火風(fēng)壓?；痫L(fēng)壓是為煤炭自燃通風(fēng)供氧的動力 ，與火區(qū)的溫度有密切關(guān)系，是反應(yīng)煤火發(fā)展變化情況的重要指標(biāo)［2］。在利用火風(fēng)壓和火區(qū)裂隙溫度對煤田火區(qū)進(jìn)行動態(tài)觀測方面已經(jīng)有了成功應(yīng)用，針對煤田火區(qū)火風(fēng)壓的影響因素和數(shù)值計算，已有了大量的理論研究［3－5］，并且提出了一些火風(fēng)壓關(guān)于火區(qū)溫度的新計算模型［6］。黃恒棟［7］在建筑火災(zāi)方面 ，對煙氣溫度和火風(fēng)壓的沿程變化做了理論分析。本文擬利用煤田露頭火區(qū)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬煤火燃燒過程并通過對煤田火區(qū)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，研究煤田火區(qū)回風(fēng)裂隙內(nèi)氣體溫度的變化規(guī)律 ，進(jìn)而分析火區(qū)火風(fēng)壓的計算方法和影響因素。

1 火風(fēng)壓的計算

假設(shè)氣體壓強(qiáng)不變，根據(jù)蓋·呂薩克定律可以得到火風(fēng)壓關(guān)于溫度的表達(dá)式［8］：

式中，Hf為火風(fēng)壓，Pa；ρ0為火災(zāi)前高溫區(qū)域氣體密度，kg／m3；H為火區(qū)高溫影響高度 ，m；g為重力加速度，m／s2；T0，Ts分別為火災(zāi)前后氣體溫度 ，K。

由式（1）可以看出火區(qū)的火風(fēng)壓主要由燃燒區(qū)溫度和燃燒深度決定。在煤田露頭火區(qū)中，受高溫影響的主要是燃燒區(qū)上部裂隙構(gòu)成的出風(fēng)路線上的氣體。由于裂隙內(nèi)氣體溫度分布并不均勻，因此得到溫度的分布方程，成為計算火區(qū)火風(fēng)壓的關(guān)鍵。

2 火區(qū)裂隙內(nèi)氣體溫度分布實(shí)驗(yàn)研究

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置是自制的煤田露頭火區(qū)燃燒過程模擬裝置，該裝置能對燃燒過程中溫度變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)裝置由主箱體和模擬塌陷區(qū)滑塊組成 ，箱體邊長分別為1.5，2.0，2.5m，傾角為15°?；瑝K下方鋪裝煤樣和破碎巖樣模擬煤層和頂板破碎帶 ，箱體表面布置有測孔，其中1～8號孔間距0.25m，9號孔到煤層和9～11號孔間距均為0.3 m，如圖1所示。利用鎧裝熱電偶和智能無紙記錄儀監(jiān)測火區(qū)溫度。

圖1 煤田露頭火區(qū)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按圖1所示鋪裝火區(qū)模型箱體，用石膏將除塌陷區(qū)裂縫之外的其他縫隙密封。使用變頻風(fēng)機(jī)對模型供風(fēng)，使用加熱棒引燃煤層，引燃后撤去加熱棒，使煤層自主向內(nèi)燃燒。利用溫度監(jiān)測系統(tǒng)，對1～11號測孔溫度進(jìn)行監(jiān)測，每隔1 h記錄1次溫度值，直到煤火熄滅。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

煤火燃燒過程中，9～11號測孔的溫度在燃燒初期并沒有明顯變化。當(dāng)煤火燃燒至5～6號測孔之間，6號測孔溫度開始快速升高時，9～11號測孔的溫度開始出現(xiàn)明顯變化。煤火蔓延至6號測孔時，9～11號測孔的溫度變化情況如圖2所示。

圖2 出風(fēng)裂隙的溫度變化

由圖2可以分析得到在煤火燃燒至6號孔時，隨著煤層溫度的升高，煤層上方出風(fēng)裂隙內(nèi)的空氣溫度逐漸升高，并且變化趨勢相同，都是在經(jīng)過緩慢升高后溫度急劇上升 ，達(dá)到穩(wěn)定。在出風(fēng)裂隙內(nèi)，氣體溫度是不斷降低的，越接近燃燒區(qū)的位置溫度越高，越靠近出風(fēng)口溫度越低。

裂隙內(nèi)氣體溫度的降低是由于火區(qū)的高溫氣體在通過裂隙向外流動的過程中不斷地通過對流和熱輻射向外界散失熱量。在特定的物理模型中，我們認(rèn)為氣體的散熱系數(shù)只與氣體溫度有關(guān)。由此可以認(rèn)為在裂隙內(nèi)的氣體溫度只與裂隙下方煤層溫度和到煤層的距離有關(guān)。

選取3個不同的時間點(diǎn)，分析沿回風(fēng)裂隙的溫度分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下回風(fēng)裂隙溫度分布

由圖3可以看出，在相同煤層溫度條件下，沿著回風(fēng)裂隙，氣體的溫度逐漸減小并且減小的速度逐漸降低。溫度的分布符合指數(shù)衰減規(guī)律。對數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)衰減擬合，可以得到不同溫度條件下的回風(fēng)裂隙氣體溫度分布方程，結(jié)果如表1所示。

表1不同溫度條件下回風(fēng)裂隙溫度分布方程

3 回風(fēng)裂隙內(nèi)氣體的溫度分布

對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測并且參照 A·Ф· Bopoпoв公式［8］，煤田露頭火區(qū)回風(fēng)裂隙的溫度分布滿足公式：

式中，ts，tf，t0分別為煤田露頭火區(qū)回風(fēng)裂隙內(nèi)氣體溫度、燃燒煤層溫度、外界大氣溫度 ，℃；L為回風(fēng)裂隙某點(diǎn)距高溫煤層距離，m；A為溫度衰減指數(shù)。

由式（2）可以看出，在煤田露頭火區(qū)中，回風(fēng)裂隙內(nèi)的氣體溫度按指數(shù)衰減規(guī)律逐漸降低，無限接近外界大氣溫度，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)情況是吻合的。當(dāng)L＝0時，Ts＝Tf，也是符合實(shí)際情況的。式中溫度衰減指數(shù)A的取值受火源溫度、裂隙尺寸、裂隙高度、火區(qū)地質(zhì)條件等諸多因素影響，在某一特定火區(qū)，可以認(rèn)為A只與火區(qū)溫度有關(guān)。

利用得到的火區(qū)回風(fēng)裂隙的溫度分布規(guī)律，在工程實(shí)際中，可以通過測量裂隙內(nèi)氣體的溫度來了解煤田火區(qū)的自燃狀況，并可以預(yù)測煤層燃燒深度，為煤田火區(qū)范圍圈劃和治理提供理論依據(jù)。

4 回風(fēng)裂隙內(nèi)火風(fēng)壓分布

由式（1）得回風(fēng)裂隙中某點(diǎn)的火風(fēng)壓為

將式（2）代入式（3），如果回風(fēng)裂隙傾角為θ，得回風(fēng)裂隙內(nèi)火風(fēng)壓的分布方程，再對方程兩邊進(jìn)行積分計算就可得到煤田露頭火區(qū)的火風(fēng)壓值：

Research on the Distribution of Fire Pressure in the Crack of Coalfield Fire Area

WANGWencai ZHANG Genyuan WANG Xinzhou ZHAO Xiaokun SU Yanbin
（Inner Mongolia University of Science and TechnologyBaotou，InnerMongolia014010）

The coalfield outcrop firearea simulation experiment device isused tomonitor the temperatureofgas in thewind out crack，finding that the temperature of the gas decreasesgradually along the crack and shows exponential decay distribution.The equation of temperature distribution and the firewind pressure distribution areobtained by analyzing.By formula，the influence factorsof firewind pressure ismainly composed of spontaneous combustion temperature，the depth of the coal seam and the crack angle.

outcrop fire area simulation experiment wind out crack temperature fire pressure

國家自然科學(xué)基金（51364028，51064018）。