不同風速下采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律數值模擬

沈亞楠，張嘉勇,2，武建國，馮培云，沈逸飛

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210；3. 開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063210)

引言

采空區(qū)火災是煤礦生產中普遍存在的風險[1-2]，不僅影響周圍的環(huán)境質量，甚至會危害作業(yè)人員的健康和生命[3]，因此，精確定位采空區(qū)火源對于礦井火災防治具有極為重要的作用。

目前采空區(qū)火源探測研究中溫度變化是自然火災的最直觀體現，國內外專家學者采用理論分析、有限元軟件數值模擬以及相似試驗等手段[4]，對采空區(qū)溫度場的分布規(guī)律進行了相對全面的研究[5-10]。在理論分析方面，建立基于傅里葉定律的采空區(qū)遺煤氧化放熱能量方程[11]，利用FLUENT模擬非穩(wěn)態(tài)采空區(qū)的溫度分布，通過設置不同開采工藝參數，研究采動影響下采空區(qū)內部漏風量與溫度場和氣體濃度場分布的關聯(lián)性[12-16]。根據煤體氧化升溫的三維流場分布，得到了煤體的熱量傳遞規(guī)律[17]，擬合得到耗氧速率等影響參數與溫度的函數關系式[18]，奠定了采空區(qū)溫度場分布規(guī)律研究的理論基礎。在實驗應用方面，基于幾何相似原則及煤自燃原理，設計研發(fā)了采空區(qū)自然發(fā)火模擬試驗和采空區(qū)溫度場分布規(guī)律模擬試驗裝置[19,20]，通過試驗驗證了采空區(qū)自燃火源溫度對于煤體熱量傳遞規(guī)律和采空區(qū)溫度場時空分布規(guī)律的合理性[21]，并將其研究成果應用于現場監(jiān)測，確定了實際條件下采空區(qū)各參數變化對于采空區(qū)火災嚴重程度的影響[22]。

目前，針對工作面不同進風風速，優(yōu)化采空區(qū)火源監(jiān)測點布置方案研究較少，導致采空區(qū)火災治理效果不理想。因此，該項研究采用數值模擬的方法，分析不同風速下采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律，確定火源監(jiān)測點的最佳布置方案，為采空區(qū)自燃火災的監(jiān)測與防治提供了重要的設計思路。

1數值模擬理論模型

1.1 瓦斯?jié)舛确匠?/h3>

采空區(qū)瓦斯的質量守恒方程：

(1)

D——瓦斯在多孔介質中的擴散系數，m2/s；C——瓦斯?jié)舛?；V(T)——T溫度時瓦斯的產生速率。不同氧氣濃度下松散煤體瓦斯的產生或消耗速率可用下式表示：

(2)

Ψ(d50)——粒徑為50 mm的影響函數。

1.2 采空區(qū)溫度傳導方程

根據傅立葉定律，將物體內部的熱場與流場通過數學表達式聯(lián)系起來：

(3)

其中，λ——熱導率，W/(m·℃)。

當介質體內部有熱源生熱時，其強度為Q，單位為W/m3：

(4)

空間介質中的對流熱傳遞方程可以表示：

(5)

式中，ρf——流體的密度，kg/m3；Cf——流體的比熱，J/(kg·℃)；t——時間，s；Vx，Vy，Vz——流體在x、y、z方向的速度分量，m/s。

1.3 多孔介質滲流方程

設定采空區(qū)煤體中氣體密度不變，則有：

(6)

式中，H——總壓，Pa，計算時動能項可以忽略。

2采空區(qū)火災數值模擬

2.1 物理模型的建立

根據覆巖煤層垮落帶經驗公式：

(7)

式中：h——工作面采高，m。

已知東歡坨礦3095工作面實際采高2.5 m，計算得到垮落帶高度為5.93～10.33 m。根據3095冒落帶參數，建立東歡坨采空區(qū)“三帶”物理模型，x、y、z軸方向如圖1所示。采空區(qū)長、寬、高為200 m×153 m×30 m，進風巷和回風巷長、寬、高為26 m×3 m×4 m，工作面長、寬、高為6 m×153 m×4 m，煤層傾角約為17°。采空區(qū)的瓦斯比空氣輕，其自然流動的方向和下行風的方向相反，容易造成工作面瓦斯滯留，因此采用上行通風方式，巷道與工作面設置為自由流動空間，內部視為多孔介質空間，采用Darcy方程進行計算。模擬中用到的關鍵參數，如表1所示。

圖1 模型網格劃分

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”數值模擬

“三帶”分布是采空區(qū)火災預測的關鍵參數，該項目按照氧濃度劃分采空區(qū)“三帶”。3095工作面回采初期瓦斯涌出量較小，進風風速為1.34 m/s，后期由于構造因素導致瓦斯異常涌出，進風風速調整為3.27 m/s。為了分析不同進風風速對采空區(qū)火源溫度分布規(guī)律的影響，確定測點最優(yōu)布置方案，模擬分析了風速為1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s時采空區(qū)氧氣濃度與自燃帶分布情況，如圖2所示為不同風速下采空區(qū)“三帶”分布圖。

圖2 不同風速下采空區(qū)“三帶”分布圖

由圖2可得，采空區(qū)進風速與自燃帶的分布范圍呈正相關，即隨著進風速度的增大，自燃帶范圍擴大，同時自燃帶的位置向采空區(qū)深處移動。采空區(qū)的進風速度與自燃帶寬度關系見圖3所示，a、b為風速增加，進風側自燃帶起始點和終止點移動趨勢的擬合直線。通過擬合的斜率和截距，計算得到自燃帶寬度與進風速的線性增長關系，即隨著進風速增加，自燃帶的區(qū)域面積也隨之增加，采空區(qū)內遺煤自燃的危險性升高。

圖3 自燃帶寬度和進風速關系圖

2.3 采空區(qū)溫度隨風速演化規(guī)律

采空區(qū)存在的漏風源使自燃帶內積聚充足的氧氣，氧化反應釋放熱量，多孔介質的空間特性又提供了良好的蓄熱條件，熱量積聚會引發(fā)采空區(qū)內的煤炭自燃。漏風量可直接影響采空區(qū)自燃帶的分布范圍，從而影響高溫區(qū)域的分布規(guī)律。進風速增大，相同時間內采空區(qū)氧氣濃度升高，遺煤氧化放熱的速率加快，同時影響采空區(qū)內供氧和蓄熱的平衡點范圍，從而改變高溫點的位置。

通過3185工作面流進采空區(qū)的低溫氣流，促進了靠近工作面處火源熱量的消散，對熱源起到冷卻作用，降低了火源點周圍區(qū)域的溫度；在自燃帶中心區(qū)域，具有漏風量少、氧氣濃度低、氧化放熱周期長的特點，熱量積聚到一定程度也會產生著火點，結合工作面漏風量和蓄熱條件等多種因素綜合分析，采空區(qū)自燃帶進風側高溫區(qū)域大，且不斷向回風側擴散，風速越大，擴散越明顯。因此，假定火源中心位置位于進風側，研究進風速為1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s的采空區(qū)溫度分布情況，如圖4所示為不同風速下采空區(qū)火源溫度分布。

從圖4可知，進風風速影響采空區(qū)氧濃度的分布，進而改變自燃帶的位置，不同風速下熱量積聚的溫度場發(fā)生變化，與自燃帶變化趨勢相同，但仍滿足采空區(qū)溫度場分布規(guī)律，高溫位置隨進風速度的增大，向采空區(qū)深處移動，且溫度的傳播范圍也隨之擴大，高溫區(qū)域擴散明顯。

圖4 不同風速下采空區(qū)火源溫度分布

3模擬結果分析

根據3185工作面所需最低風速1.34 m/s擬合的自燃帶起始點位置確定監(jiān)測工作面后48 m處和進風側距工作面48～168 m的溫度情況，分析隨著進風速的增大，采空區(qū)傾斜長度和走向長度方向上的溫度分布規(guī)律，見圖5和圖6所示。

圖5 不同風速條件下工作面后48 m處溫度分布圖

圖6 不同風速條件下進風側溫度分布圖

由圖5可得，3185工作面方向的整體溫度變化與進風速度呈非線性負相關關系，當進風速為1.34 m/s時，測得工作面后48 m處溫度峰值121 ℃，當進風速逐漸增大至2.08 m/s、2.63 m/s、3.27 m/s時，峰值也隨之降低為97.5 ℃、90 ℃、87 ℃。可見，工作面處的峰值大小與進風速呈負相關變化，測點在與進風側距離40 m范圍內，溫度差異明顯，風速越大，溫降趨勢越緩；當距離在50 m處時，到達溫度平衡點，此后溫度變化規(guī)律與之前相反。這是因為當風速較小時，火源溫度距離工作面近，工作面處低溫風流的冷卻作用使火源溫度下降速度加快，傳播范圍小。隨著風速增大，火源位置逐漸向采空區(qū)深部移動，冷卻效果不再明顯，溫降速度減緩。由于風量增加，高溫區(qū)域擴散范圍隨之增大，因此在50 m處溫度呈非線性中心對稱分布。

由圖6可知，風速為1.34m/s時進風側溫度先迅速升高再緩慢降低，且溫度下降到距峰值50 m后，趨勢漸緩至基本保持不變，不同風速條件下的采空區(qū)火源溫度在進風側的分布規(guī)律基本相同，但隨著進風速增加，測定溫度的峰值位置向采空區(qū)深處移動，與自燃帶移動趨勢相同，峰值溫度呈正相關增長，峰值位于火源中心范圍。

根據采空區(qū)自燃帶火源溫度分布規(guī)律，可以進一步對溫度監(jiān)測點布置進行優(yōu)化設計，以每降8～15 ℃為標準進行數據分析，風速為1.34 m/s，距進風側40 m前每隔10 m布置溫度傳感器，之后可設間距20 m；風速為2.08 m/s，60 m前每隔20 m布置，之后可設30 m；風速為2.63 m/s和3.27 m/s，可在70 m前每隔30 m布置傳感器。綜合分析得到，在采空區(qū)1/2傾斜長度內，每隔10 m布置傳感器，之后將傳感器間距控制在20 m。由于火源高溫區(qū)域隨風速變化，進風側的監(jiān)測點按間距10 m均勻布置，可全面監(jiān)測采空區(qū)內的溫度情況。

4結論

(1)研究發(fā)現采空區(qū)自燃帶內進風側高溫區(qū)域明顯，且不斷向回風側擴散，風速越大，擴散越廣。原因是采空區(qū)進風量對自燃帶位置產生影響，進而影響高溫點的空間分布。

(2)分析不同風速下采空區(qū)內火源溫度分布規(guī)律：工作面處溫度峰值與進風速呈負相關，在3185工作面1/3處溫度規(guī)律呈非線性中心對稱分布；進風側溫度先升高再降低，且溫度峰值位置隨進風速的增加，向采空區(qū)深處移動，峰值溫度呈正相關增長。

(3)通過對3185工作面采空區(qū)內火源溫度分布規(guī)律的研究，分析設計該采空區(qū)火源溫度監(jiān)測點的布置方案，在采空區(qū)距進風側1/2傾斜長度內，每10 m預埋溫度傳感器，之后將間距設置為20 m，在進風側間隔10 m均勻布置。此研究方法可推廣至其他礦井，對于采空區(qū)火源的精確定位提供了一定的理論指導。