放顶煤开采采空区自然发火数值模拟的应用研究①

李云福 康怀宇 何 宁

(1.山西汾西新峪煤业公司,山西介休 235000;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

放顶煤开采采空区自然发火数值模拟的应用研究①

李云福1②康怀宇2何 宁2

(1.山西汾西新峪煤业公司,山西介休 235000;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

本文针对新峪矿 5112工作面的特征,根据采空区内的气体质量守恒和浮煤与气体的能量守恒利用数学方法建立采空区内流场方程、氧浓度场方程和温度场方程,并根据采空区的实际状况设定相应的边界条件,得到采空区内的温度分布,从而预测在不同的条件下预测采空区内自然发火状况。结果表明,该煤层注入阻化剂后采空区煤自然发火危险性均有大幅度降低。

阻化剂;自然发火;数值模拟;数值分析

0 引言

采空区自然发火是一个由回采工作面两端压力差提供漏风,采空区内的浮煤吸附漏风风流中的氧气,并与之发生氧化反应,放出热量,使浮煤温度升高自然发火的过程。随着开采深度和强度的增加,开采条件日趋复杂,特别是放顶煤开采技术的普遍应用,使采空区遗煤量增加,自燃发火问题更加突出,尤其对于高硫煤情况更加复杂[1]。预注阻化剂技术彻底解决了阻化液均匀覆盖与包裹煤体的问题,与向空区内的遗煤喷洒阻化液方法相比较,阻化的效果大大提高了,阻化时间大大延长了[2]。本文对新峪矿 5112工作面进行了预注阻化剂防采空区自然发火的数值模拟,利用数学方法建立采空区内流场方程、氧浓度场方程和温度场方程,和采空区的实际状况设定相应的边界条件,数值分析求解得到采空区内的温度分布,预测在不同条件下采空区内自然发火状况,数值模拟的结果说明自然发火危险性均有大幅度降低,预注阻化剂技术起到防止氧化、延长自然发火期的效果,为煤矿安全生产提供了保证。

1 采空区自然发火的数值模拟

1.1 采空区内自然发火的数学模型

采空区自然发火是一个由回采工作面两端压力差提供漏风,采空区内的浮煤吸附漏风风流中的氧气,并与之发生氧化反应,放出热量,使浮煤温度升高。假定空气在采空区内流动符合达西定律,氧气在采空区空气中的扩散符合菲克定律,并且由质量守恒方程和能量守恒方程,可以分别建立采空区内气体流动的流场方程、氧浓度场方程和温度场方程,这三个方程共同组成了采空区自然发火的数学模型[3]。

流场模型及边界条件:

式中,p为空气静压和速压之和 (不包括位压),Pa;Kx为采空区内浮煤的渗透系数,m/s;ρg为采空区内空气的密度,kg/m3;ρ0为采空区工作面空气的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;α为煤层的倾角,度;n为采空区内的空隙率;τ为时间,s;vx,vy分别为沿 x方向和 y方向的渗流速度 ,m/s;Γ1、Γ2、Γ3、Γ4为采空区边界 ,其中Γ1为沿工作面切顶线侧,Γ2为采空区上部边界,Γ3为采空区下部边界,Γ4为采空区深部边界;p(x,y)为沿Γ1边界上的风压函数,Pa。

氧浓度场模型及边界条件[4]:

式中,c为氧气浓度,mol/m3;do2为氧气在空气中的扩散系数,m2/s;u(t)为松散煤体内的氧气消耗速度,mol/(s·m3);c(x,y)为Γ1边界下部的氧气浓度函数,由于采空区Γ1边界上一部分上向采空区内漏风,一部分是从采空区向外漏风,所以将Γ1边界分成上下两部分,通过流场解算结果来判定上下部的分界。

温度场模型及边界条件[5]:

1.2 采空区自然发火模型的数值求解

首先将求解区域划分网格,应用有限差分法分别对三个方程和相应的边界条件进行离散化处理分别得到数目为区域节点数的三个线性方程组,通过对方程组系数矩阵特点的分析,将它们分别压缩存贮,线性方程组的求解方法采用高斯消元法。在进行数值计算时,把所计算的区域划分成许多互不重迭的子区域,确定节点在子区域中的位置及其所代表控制容积。节点表示求解的未知物理量的几何位置,控制容积是应用控制方程或守恒定律的最小几何单位,界面规定与各节点相对应的控制容积的分界面位置,沿坐标轴方向联结相邻两节点而形成的曲线簇组成网格线。

1.3 数值模拟结果分析

1.3.1 解算参数的获取

按照上述数学模型,以 5112工作面生产条件为例进行了注入和不注入阻化剂两种情况下的采空区自然发火模拟。5112综放工作面所采为太原组 10#、11#煤层,工作面布置图见图 1.煤层平均厚度7.18m,埋藏深 170m。工作面长度 160m,工作面平均倾角 6°,工作面通风阻力为 100Pa,采空区的遗煤平均厚度为按 1.5m计算。工作面的进风温度为25℃,临界温度为 149℃,煤的密度为 1400kg/m3,在临界温度以下时煤的平均比热为 1200J/(kg·℃),采空区的计算深度取 180m。按回采工作面的正常推进速度 3.6m/d进行计算。

图 1 工作面布置图

在进行煤的氧化升温实验时,把煤样分为两组,一组加入阻化液的,一组不加阻化液。通过实验得到不同温度下的耗氧速度和放热强度,并将它们分别按照与温度的对应关系进行回归,得到它们与温度的函数关系式,在解算时采用。

1.3.2 解算结果分析

以工作面进风侧采空区的顶点为坐标原点,以工作面方向为 x轴方向,为采空区深度方向为y轴方向,绘制采空区内浮煤温度分布的曲面图,见图 2至图 5所示。图 2显示:在工作面推进速度为 3.6m/d和不注入阻化液条件下,采空区温度分布情况;图 3显示:在工作面推进速度为3.6m/d和注入阻化液条件下,采空区温度分布情况。图 4显示:在工作面推进速度为 0.6m/d和不注入阻化液条件下,采空区温度分布情况;图 5显示:在工作面推进速度为 0.6m/d和注入阻化液条件下,采空区温度分布情况。

对比图 2和图 3、图 4和图 5,在注入与不注入阻化液时在不同的推进速度下都可以使采空区的温度降低。在正常推进速度下 (3.6m/d)注入阻化液可以使采空区最高温度降低将近 4℃,在推进速度为 0.6m/d时注入阻化液可以使采空区最高温度降低 17℃。数值模拟结果证实了注入阻化液对防止采空区自燃有较强的作用。

图 2 工作面正常推进情况下(3.6m/d)不注入阻化液时采空区温度分布图

图 3 正常推进速度下(3.6m/d)注入阻化液时采空区温度分布图

图 4 推进速度为 0.6m/d时不注入阻化液时采空区温度分布图

图 5 推进速度为 0.6m/d时注入阻化液时采空区温度分布图

3 结论

1)在进风侧氧气浓度较高,所以煤的发热量也较大,引起煤的温升也较高,在回风侧氧气浓度低,煤的放热量也相应减少,所以温升也较小,这与采空区自燃经常发生在进风侧的事实是相符合的。

2)计算表明采空区内的热量传递方式以对流换热为主,采空区内的漏风量大小对采空区内的热量传递起着关键作用。由于采空区浅部漏风风流较大,进风侧浮煤氧化产生的热量使风流温度升高,这些经过加热后的风流到回风侧后使回风侧温度升高。而采空区深部漏风风流很小,而进风侧氧气浓度比回风侧高,所以进风侧浮煤氧化放出的热量比回风侧多,进风侧温度比回风侧温度要高。

3)对比不同推进速度下其它条件相同的采空区温度分布图可以看出,随着推进速度的降低,采空区内温度越来越高,当每天割一刀煤 (即0.6m/d)时如果不注阻化剂采空区的最高温度可以达到 110℃以上,如果工作面正常推进 (即3.6m/d)则即使不注入阻化剂采空区的最高温度也不超过 37℃,这证实了推进速度是影响采空区自然发火的主要原因,所以加快回采工作面推进速度是防止采空区自燃的最好措施之一。

[1]文虎 .煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D].西安科技大学,2003

[2]游浩,赵长春 .综采放顶煤工作面初采期间瓦斯不稳定涌出治理技术[A].瓦斯地质与瓦斯防治进展[C],2007

[3]文虎 .煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D].西安科技大学,2003

[4]仲晓星 .煤自燃倾向性的氧化动力学测试方法研究[D].中国矿业大学,2008

[5]蔡康旭,岑代全,袁强,刘爱华 .煤炭自燃预报模型校正的理论与方法[J].矿业工程研究,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,北京煤矿学校毕业参加工作,现任山西汾西新峪煤业总工程师。