煤层露头自燃火灾演化规律数值模拟研究*

邸　帅，王继仁，郝朝瑜，张　英，李冬辉

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3. 北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；4. 大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003)

煤层露头火灾在良好通风条件下，易形成严重的煤田火灾，从而造成大量资源浪费，且破坏生态环境，危害人类健康安全[1～2]。因此，许多专家学者对煤层露头火灾进行研究：邓军等针对海宝箐片区4号煤层露头火灾，应用胶体防灭火技术取得良好效果[3]；金永飞等研究煤层露头火区上覆岩层在温度作用下变化特性[4]；李军利用同位素测氡法确定某矿一号井A8煤层露头火区的高温区域，并采用综合技术治理火区[5]；林俊森采用理论分析、实验室实验及数值模拟分析煤层露头火区在自然通风影响下燃烧特性的一些参数及规律[6]；王海燕等在老二井火区，应用同位素测氡法确定火区面积和火源位置及火区发展趋势[7]，且应用能位测定法和示踪检测技术检测了火区地下漏风状态[8]；赵耀江通过实验表明氡是一种新的且可靠的标志气体[9]；曾强等提出煤田火区火风压的计算模型和估算火区温室效应气体排放量的计算模型[10]，同时，对新疆煤田火灾进行烟气流动和传热特性进行深入研究[11]；孙宝亮采用数值模拟方法研究大宝鼎4号煤层露头自然发火规律[12]；徐佳以汝箕沟煤田某火区为对象，采用实验研究、理论分析和数值模拟对火区渗流规律进行研究[13]；崔中平等通过工程实践说明煤层自燃火源位置精确探测技术是解决煤层自燃火灾治理的关键技术[14]。以上多数学者主要考虑火灾治理，且在数值模拟时未考虑自燃引起的煤层塌陷。本文采用Fluent软件，以新疆台勒维丘克煤层露头为对象，既清晰洞察火区中难以探测的现象，又在模拟中考虑煤层露头自燃使地表出现的塌陷，分析火风压、火风压与外部风压联合作用下温度场等分布规律，研究煤层露头火灾演化规律，对快速有效治理火区、保护生态环境具有重要意义。

1　煤层露头火灾数学模型建立

1)漏风流场数学模型

假设煤层露头为质点组成的连续介质，以微小流束和全流束连续性方程为基础，将煤层露头气体流动转化为数学问题，视煤层露头内气体密度近似为常数，结合达西定律，推出漏风流场微分方程：

(1)

2)气体组分运输数学模型

煤层露头火区的塌陷区、漏风通道和破碎煤体是多孔介质组成的，在多孔介质中气体运移为传质过程，露头煤火灾时因其与漏风流的氧气发生氧化反应，单元体内存在某个耗氧汇，rj是负值，根据气体组分质量守恒方程、菲克定律和质量组分方程推导出露头煤的浓度场数学模型：

(2)

式中：Dj为组分摩尔浓度，mol/m3；We为露头煤的氧气扩散系数，m2/s；V(T)为露头煤的耗氧速度，mol/(m3·s)；τ为时间，s。

式中：D0为露头煤的初始氧浓度，mol/m3；Dt为露头煤漏风源处空气中的氧浓度，mol/m3。

3)温度场数学模型

根据热力学第一定律，以单位时间和单元体为基本单元，则煤层露头松散煤体温度场数学模型：

(3)

初始条件：T|τ=0=T0，T0为岩层原始温度，K；

由上述得煤层露头火灾演化数学模型为：

(4)

2　物理模型构建及参数设定

2.1　工程概况

2.2　物理模型建立

以新疆台勒维丘克煤层露头为例建立物理模型如图1，共29 245个三角形网格、15 089个节点，网格间距0.8～1 m；为便于分析做出以下假设：

1)将煤层露头火区中通风系统简化成外界环境、漏风口、排烟口组成的闭合通道。

2)漏风通道、塌陷区、排烟通道、自燃区及煤层各区域视为均匀多孔介质。

3)在漏风通道、塌陷区和排烟通道中，视气体为不可压缩的理想气体，其流动状态为稳定流动，渗流符合达西定律。

4)各区域初始温度为300 K。

2.3　参数设定

根据现场数据，结合传热传质学理论、多孔介质流体力学理论和FLUENT计算理论，设定模拟参数值见表1与表2。

图2　火风压作用下的速度矢量分布Fig. 2　Velocity vector distribution under ventilating pressure caused by mine fire

类型参数名称单位参数值氧气氧气浓度%21空气空气密度kg·m-31 225空气比热J·kg-1·K-11006 43空气传导率W·m-1·K-10 0242土层土层密度kg·m-31847土层比热J·kg-1·K-11200土层传导率W·m-1·K-11 3焦煤煤层密度kg·m-31300煤层比热J·kg-1·K-11003煤层传导率W·m-1·K-10 2粉砂岩顶底板密度kg·m-32650顶底板比热J·kg-1·K-12093顶底板传导率W·m-1·K-12 8

上述控制参数求解采用有限体积法进行离散，采用三对角矩阵算法计算离散方程；速度与压力之间的耦合采用SIMPLE算法，氧气、能量的松弛因子为0.9、0.95，收敛指标为默认设置。

图1　煤层露头模型Fig. 1　Coal seam outcrop fire model

初始条件温度范围不同位置孔隙率参数值火风压作用下火风压与外部风压作用下303～343K343～578K煤层0 05漏风、排烟通道0 25自燃区0 2塌陷区0 25煤层0 05漏风、排烟通道0 25自燃区0 25塌陷区0 25

3　数值模拟结果与分析

根据煤自燃指标气体实验，选择煤体特征点温度303 K(初始温度)，313 K(CO出现温度)，343 K(自热临界点)，426 K(失水温度)，433 K(C2H4出现温度)，578 K(着火温度)进行分析。

3.1　火风压作用结果分析

图2、图3列举火风压作用下T=303，343，578 K时速度矢量、温度场变化规律。

图3　火风压作用下的温度场分布Fig. 3　Temperature field distribution under ventilating pressure caused bymine fire

由图2可知，在煤层露头自燃过程中，烟气由高温点向顶部方向流动，风流在地表与大气交界面发生明显变化，主要是因烟气与空气发生对流换热；气体流速因浮力和气体膨胀作用明显增加，自燃点上方速度大于其左、右侧塌陷区内速度，因火风压造成风流的最大速度0.729 m/s。

由图3可知，在303～343 K范围，温度缓慢扩散；在343～578 K范围，温度加剧升高；漏风口处烟气与空气对流换热有限，因此烟气在漏风通道时易积累热量，造成烟气与大气间温差增加，使两者密度差变大，进而增大火风压，578 K时火风压为170.2 Pa，火风压增大将加速气体在煤岩介质内渗流速度，更易于自燃发展，工程实践说明煤层露头自燃引起的煤田火灾发展迅速。

3.2　火风压与外部风压作用结果分析

当火区在火风压与外部风压作用下，在漏风口速度v=0.2 m/s下，不同煤体特征点温度时温度场、氧浓度场、速度流场和压力场变化规律。

3.2.1温度场及氧浓度场规律

图4、图5列举T=303 K，T=343 K，T=578 K时温度场及氧浓度场变化规律，提取5处典型位置的数据，绘制成图6，得如下结论：

图4　温度场分布Fig. 4　Temperature field distribution

图5　氧浓度场分布Fig. 5　Oxygen concentration distribution

图6　不同位置温度与氧浓度的变化趋势Fig. 6　Changing trend of temperature and oxygen concentration in different position

1)排烟口处，在303～343 K范围，温度增加14.96℃，煤氧复合反应以物理吸附为主，耗氧量较少，氧气浓度基本不变；在343～578 K范围，温度增加89.28℃，煤氧复合反应以化学吸附为主，耗氧量增加，氧浓度降低到10.4%。

2)塌陷地表处，在303～343 K范围，温度增加27.04℃，耗氧量有所增加，氧浓度降低到16.5%；在343～578 K范围，温度急剧升高，增加197.14℃，耗氧量急剧增加，氧浓度最低处为7%。

4)自燃中心处，由图(a)知，其温度为特征点温度；由图(b)知，在303～343 K范围，耗氧量有所增加，氧浓度降低到19.4%，在343～578 K范围，耗氧量迅速增加，氧浓度最低9.3%。

5)漏风口处，在303～578 K范围，温度始终为300 K；氧浓度始终为20.7%。

基于上述分析，当漏风口速度v=0.2 m/s，温度从303 K增加到578 K时，除自燃中心外，增温速度：回风中心>塌陷地表>排烟口>漏风口；耗氧量大小：塌陷地表处>回风中心>自燃中心>排烟口，漏风口无耗氧。

3.2.2速度流场及压力场规律

图7、图8列举T=303 K，T=343 K，T=578 K时速度流场及压力场变化规律。

由图7、图8可知，露头处漏风风流速度增加是因升高温度造成总风压增大；露头火区深度的加深，引起风流速度减小，在漏风通道35 m处速度约为0.02 m/s；排烟口风速高于漏风口，并因温度升高而增加，则排烟口、漏风口间的压差逐渐提高。综上，煤层露头动力系统是火风压及外部风压联合作用形成的，是负压通风系统。

同上，提取5处典型位置的数据，绘制成图9。

得如下结论：

由于每一缕灯光都是从一点发出来，在周围空间呈现辐射状。飞蛾根据进化的习惯，依然保持跟每一缕光线相同的夹角飞行。最后的结果，就是旋转地一圈一圈坠入灯光的中心。飞蛾的飞行曲线被称为斐波拉契螺旋线。它描述的就是一个在辐射状的网格图里，按照和每条辐射线保持固定夹角的曲线模型。

1)排烟口处，在303～343 K范围，速度增加0.002 m/s，压力减少7.22 kPa；在343～578 K范围，速度增加0.013 m/s，压力减少10.20 kPa。

2)塌陷地表处，在303～343 K范围，速度增加0.000 3 m/s，压力减少2.00 kPa；在343～578 K范围，速度增加0.0012 m/s；压力减少7.55 kPa。

3)回风中心处，在303～343 K范围，速度增加0.000 5 m/s，压力增加2.69 Pa；在343～578 K范围，速度增加0.0018 m/s，压力减少26.30 kPa。

4)自燃中心处，其温度为特征点温度，由图(a)知，速度基本维持在0.02 m/s；由图(b)在303～343 K范围，压力减小0.95 kPa，在343～578 K范围，压力减小3.56 kPa。

5)漏风口处，由图(a)知，即使煤体温度升高，但速度始终保持在0.2 m/s；由图(b)在303～343 K范围，压力减小0.49 kPa，在343～578 K范围，压力减小1.79 kPa。

基于上述分析，漏风口速度v=0.2 m/s，温度从303 K增加到578 K时，增速速度：排烟口>回风中心>塌陷地表>自燃中心，漏风口处增速为零；压力变化速度：排烟口>回风中心>塌陷地表>自燃中心，漏风口处压力下降最小。

3.3　不同影响因素结果分析

3.3.1孔隙率因素

1)火风压作用

在火风压作用下，模拟在煤层露头自燃条件下，不同孔隙率下温度场等变化规律，结果见表3。

表3　火区中各参数随孔隙率变化的情况

从表3可知，火风压影响煤层露头自燃风流状态；在T=578 K时，孔隙率增加导致火风压增大，速度增加，温度升高，其它特征温度规律与此类似。

2)火风压与外部风压联合作用

在火风压与外部风压联合作用下，模拟在煤层露头自燃条件下，漏风口速度v=0.2 m/s，不同孔隙率下温度场、氧浓度场等变化规律，其结果见表4。

从表4可知，当特征温度为578 K时，孔隙率增加导致总体温度升高，耗氧量增大；排烟口处风流速度增加；因孔隙率增加导致气体流动时阻力减小，则漏风口、排烟口处压差减小；其它特征温度规律与此类似。

3.3.2漏风口速度因素

模拟分析漏风口速度v=0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s不同煤体特征点温度时温度场、氧浓度场、速度流场和压力场规律变化规律，以578 K特征温度为例，选择5处典型位置进行对比分析见表5。

由表5可知，风速为0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s 与0.2 m/s的变化规律基本一致；在T=578 K时，进风速度增加，导致其总体温度增加；耗氧量减少；排烟口处风流速度增加；漏风口、排烟口处压力差增大；其他温度下规律与上述相类似。

表4　火区中各参数随孔隙率变化的情况

表5　火区中各参数随风速变化的情况

由上述可知，孔隙率、漏风口风速影响火区温度场、氧浓度场、速度场及压力场分布，因此孔隙率与漏风强度在煤层露头自燃火灾大规模发展提供有利条件。

3.4　煤层露头火灾演化规律

由模拟结果，得煤层露头自燃演化规律为：

1)在火风压作用下，孔隙率增加导致火风压增大，速度增加，温度升高。

2)在火风压与外部风压作用下，得以下结论：

(1)煤层露头动力系统是由火风压及外部风压作用形成的负压通风系统。

(2)漏风口速度不变时，孔隙率增加将增大煤层露头自燃火区总体温度、耗氧量及排烟口速度，但漏风口、排烟口处压差会减小。

(3)孔隙率不变时，漏风口速度增加将增大煤层露头自燃火区总体温度、排烟口速度及漏风、排烟口处压差，但耗氧量减小。

3)大孔隙率和持续漏风供氧为煤层露头自燃火灾大规模发展提供有利条件。

4　结论

1)以新疆台勒维丘克煤层露头火区为对象，选取其中漏风通道、排烟通道距离最近、长度最短、烟气流动畅通的漏风系统，建立物理模型。

2)在火风压作用下，孔隙率增加导致其火风压增大，速度增加，温度整体升高。

3)在火风压与外部风压作用下，分析漏风速度为0.2 m/s时5个典型位置温度、氧浓度、速度及压力变化规律；分析孔隙率、漏风速度对煤层露头自燃的影响；确定大孔隙率与漏风强度为煤层露头自燃火灾大规模发展提供有利条件。

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