煤田露头火区空气运动规律的模拟试验*

王文才 王鑫宙 张根源 张 培

(内蒙古科技大学矿业研究院)

煤田露头火区空气运动规律的模拟试验*

王文才 王鑫宙 张根源 张 培

(内蒙古科技大学矿业研究院)

利用自制的煤田露头火区模拟装置，对火区燃烧过程中的空气运动规律进行了研究。通过对模型中各点的温度、风速、压力进行监测，认为火区内进风通道的气体流动符合达西定律，回风通道气体流动符合窄缝流定律。通过改变进风口风速，分析了进口风速变化对漏风通道内气体流动速度的影响。上述分析结果可为煤田露头火区治理提供参考。

煤田露头火区 模拟装置 漏风通道 风速 压力损失

煤田露头火区不仅威胁了矿井生产安全，而且对矿区环境造成了严重污染[1]。对于煤田火区的形成和发展规律，已有大量理论研究成果问世[2]。煤田火区的孔隙和裂隙形成的漏风通道提供了煤自燃所需的氧气[3]。本研究利用实验室模拟装置对煤田露头火区的通风系统进行研究并对火区的空气运动规律进行分析。

1 煤田露头火区相似模拟试验装置

试验装置由主试验箱、变频风机、加热棒、燃烧监测系统及数据采集系统组成。主试验箱由主箱体和模拟塌陷区滑块组成，滑块下方空间铺装煤样和破碎岩样模拟煤层和顶板破碎带(图1(a))，在主箱体的正面布置测孔用于监测火区和测量数据(图1(b))。燃烧监测系统由铠装热电偶和智能无纸记录仪组成，用于监测煤层自燃过程中的温度变化和燃烧位置。利用通风多参数检测仪(JYF-4型)对火区燃烧过程中形成的通风系统进行数据采集。

2 试验分析

2.1 试验方法

在试验箱底部平铺8 cm厚的煤样，上覆12 cm厚的破碎石子，2层样品均平铺至1#，2#孔位置。在样品层上放置模拟塌陷区滑块，用石膏将其间缝隙密封。安装变频风机对主装置供风，通过改变风机功率和供风角度使主试验箱进风口风速达到0.5 m/s，并检测装置的气密性。使用加热棒对煤层加热点燃，在煤层点燃后撤去加热棒，使煤层自燃向内燃烧。利用燃烧监测系统对1#～14#孔的温度进行监测和记录，通过温度变化监测煤层燃烧的位置，一般来说，煤的自燃温度为200～500 ℃。在煤层燃烧至13#，14#孔时撤去热电偶，对1#，2#，3#滑块间的裂缝重新密封后，使用通风多参数检测仪分别检测1#，2#孔与后排测孔之间的压差及19#孔与21#孔间的压差。利用通风多参数检测仪和探头测量1#～21#孔内的风速。调整进口风速分别达到1，1.5，2，2.5，3 m/s，按上述方法对各参数分别进行测量。在测量测孔间压差时应对暂不需要的测孔进行密封。

图1 主试验箱装置

2.2 试验结果分析

2.2.1 风速和压力变化

主试验装置进风口风速为0.5 m/s，当煤层燃烧至13#，14#孔时，进风路线上各测孔内的风速见表1。由表1可知：在煤田露头火区的进风路线上，越靠近着火点风速越低。

表1 进风路线各测孔风速 m/s

测孔风速均值测孔风速均值测孔风速均值1#0.7512#0.7283#0.5044#0.4935#0.3200.7400.4990.3136#0.3067#0.3128#0.3109#0.19310#0.1930.3130.3110.19311#0.25412#0.20413#0.13914#0.1350.2290.137

若将进风路线上不同距离两端的4个测孔的风速平均值作为该长度进风路线的风速，将两端对应测孔的压力差的平均值作为该长度进风路线的压力损失，得出进风路线上不同距离时的风速和压力损失见表2。

表2 通风路线上不同距离的风速和压力损失

距离/m测孔号压力损失/Pa平均值/Pa风速/(m/s)0.250.500.751.001.251.501#～3#2#～4#1#～5#2#～6#1#～7#2#～8#1#～9#2#～10#1#～11#2#～12#1#～13#2#～14#1201101851932242042492632732773012871151892142562752940.6200.4060.3120.2520.2110.183

由表可2知：随着进风距离的增加，进风路线的风速逐渐降低，压力损失越来越大。据此可推断随着燃烧深度的增加，进风路线的长度不断加大，风力损失越来越大，风速越来越小；当风速为0或风流带来的氧气不足以支持煤自燃时，煤火便会熄灭。

通过调整风机，改变进口风速，测得1#，2#孔与13#，14#孔之间和19#孔与21#孔之间的风速和压力差，进风路线长1.5 m时进风路线、回风路线风速及压力损失的变化情况见表3。

表3 风速和压力损失随进口风速的变化情况

由表3可知：随着进口风速的增大，进风路线与回风路线上的压力损失逐渐增大，并且进风路线的压力损失明显大于回风路线，说明进风路线的通风阻力较大；通风路线的风速随进口风速的增加而增加，但相对进口风速的增加幅度来说，通风路线的风速增加幅度并不明显。

2.2.2 风速与压力的关系

通过对进风路线、回风路线的风速和压力损失关系进行拟合，可得：

式中，H1，H2分别为进风路线、回风路线的压力损失，Pa；V1，V2分别为进风路线、回风路线的风速，m/s。

进风通道为破碎岩块形成的多孔介质，回风路线为狭窄裂缝，由拟合结果可知：进风路线的空气流动符合达西定律，回风路线的空气流动符合布西涅斯基窄缝流体定律[4-5]。

3 结 论

(1)在煤田火区通风系统中，随着进风路线长度的增加，通风阻力不断增加，风流速度逐渐减小，当进风距离达到某一较大值时，风流的速度无法供给煤火燃烧所需的氧气，煤火便会熄灭。

(2)进风路线压力损失大于回风路线压力损失，进风路线通风阻力大于回风路线通风阻力。通风动力由进口风流动能和火风压组成，其中火风压是主要的通风动力。

(3)进风路线(入风口至火区)、回风路线(火区至出风口)的空气运动分别符合多孔介质渗流理论的达西定律以及布西涅斯基窄缝流体运动定律。

[1] 曾 强，王德明，蔡忠勇.煤田火区裂隙场及其透气率分布特征[J].煤炭学报，2010，35(10)：1670-1673.

[2] 曹代勇，樊新杰，吴查查，等.内蒙古乌达煤田火区相关裂隙研究[J].煤炭学报，2009，34(8)：1009-1014.

[3] 李唐山，周心权，谷红军.煤田露头自燃火风压数值的理论分析[J].煤炭学报，2005，30(6)：737-740.

[4] 陈军斌，王 冰，张国强.渗流力学与渗流物理[M].北京：石油工业出版社，2013.

[5] 张电吉，白世伟，杨春和.裂隙岩体渗透性分析研究[J].勘查科学技术，2003(1)：24-27.

*国家自然科学基金项目(编号：51364028,51064018)。

2015-09-23)

王文才(1964—)，男，教授，博士，博士研究生导师,014010 内蒙古包头市昆都仑区阿尔丁大街7号。