D01:10.133745.issn1001-t53.2010.02.008 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijng Feb 2010 煤田露头自燃的渗流热动力耦合模型及应用 王海燕)周心权”张红军2)王素锋) 1)中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083 2)迁安市工业经济促进局铁矿市场办事处，唐山064400 摘要分析了煤田露头介质内气体渗流及露头自燃热动力系统特征，建立了煤田露头自燃渗流热动力耦合模型，推导了 煤自燃过程中挥发分计算式·对新疆某煤田自燃火区进行了数值模拟·结果表明：开采引发煤田露头自燃时，燃烧中心集中 在顶板附近，燃烧沿顶板向露头方向蔓延较快：高温区域靠近顶板，燃烧区域以外岩石内温度梯度变化不明显：自燃生成气体 主要集中于露头自燃点下风侧方向，上风侧方向只有很小范围内有自燃气体存在；高温区域分布与自燃气体渗流方位位置一 致：自燃加速了气体在煤岩介质内的渗流，有助于自燃的发展.根据模拟结果对煤田火区治理时火源探测、治理及监测等相关 措施进行了具体分析 关键词煤田露头；自燃：渗流：模拟 分类号TD75+1 Seepage-them al dynam ical coupling m odel for spontaneous com bustion of coa lfield outcrop and its app lication WANG Hai yan),ZHOU X in quan,ZHANG Hong-jun,WANG Su-feng) 1)State Key Lab of CoalResoumes and Safe M ning China University ofM ining and Technology (Beijing).Beijing 100083 Chna 2)Imon Ore MarketO ffice Q ian an Municipal Burau for Prmotion of Industrial Econany Tangshan 064400 China ABSTRACT The characters of gas seepage in coalfiel outcrop and the themal dynan ical systemn of outcrop spontaneous combustion were analyzed A model coupling seepage w ith themal dynamn ics for spontaneous cambustion of coalfiel outcrop was set up The calcu- lation equation of volatile ou tput during coal spontaneous camn bustion was deduced One coal fire in X injiang Uygur Autonomnous Region of China was selected as the sinulated object by the seepage-themal dynam ic model It is shown that when spontaneous cambustion of coal outcrop results from the m ining the cambustion center centralizes near the roof and spreads to the outcrop direction quickly The high-temperature region locates belw the moof and the temperature gradient out of the combustion area is not obvious Gases produced by coal spontaneous combustion mainly flow in the downstream of the spontaneous combustion area and the combusted gases only exists a small region on the upstream of the combustion area The higher temperature distribution acconds w ith the seepage scope of spontane- ous comnbustion gases Whereas coal spontaneous combustion accelerates gas seepage in the coal and rock medim and is helpful to development of spontaneous cambustion At last based on the smulated results samemeasures on the coalfiel fire bcation fire con- trol and fire monitor were analyzed KEY WORDS outcmop spon taneous combustion:seepage flow;numerical siulation 煤田露头自燃是指在自然环境下，未开采的煤 国、印度和美国等地普遍存在).研究煤田自燃规 炭因氧化聚热沿煤层露头和浅部区域引发的燃烧现 律、治理煤田火区已经引起了有关煤田自燃国家的 象.煤层自燃不断发展所形成的大面积煤田火灾， 关注 是人类面临的重大自然灾害之一，煤田自燃在中 如何及早发现火灾并查明火区火源位置及其范 收稿日期：2009-03-26 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(N。2006BAK03B05:N。2007BAK22B04) 作者简介：王海燕(1974)女，副教授，博士，Email vipwh,@vip sina cam
第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合模型及应用 王海燕 1） 周心权 1） 张红军 2） 王素锋 1） 1） 中国矿业大学 （北京 ）煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京 100083 2） 迁安市工业经济促进局铁矿市场办事处唐山 064400 摘 要 分析了煤田露头介质内气体渗流及露头自燃热动力系统特征建立了煤田露头自燃渗流--热动力耦合模型推导了 煤自燃过程中挥发分计算式．对新疆某煤田自燃火区进行了数值模拟．结果表明：开采引发煤田露头自燃时燃烧中心集中 在顶板附近燃烧沿顶板向露头方向蔓延较快；高温区域靠近顶板燃烧区域以外岩石内温度梯度变化不明显；自燃生成气体 主要集中于露头自燃点下风侧方向上风侧方向只有很小范围内有自燃气体存在；高温区域分布与自燃气体渗流方位位置一 致；自燃加速了气体在煤岩介质内的渗流有助于自燃的发展．根据模拟结果对煤田火区治理时火源探测、治理及监测等相关 措施进行了具体分析． 关键词 煤田露头；自燃；渗流；模拟 分类号 ＴＤ75 ＋1 Ｓｅｅｐａｇｅ-ｔｈｅｒｍａｌｄｙｎａｍｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌｆｏｒ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌｆｉｅｌｄｏｕｔｃｒｏｐａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＷＡＮＧＨａｉ-ｙａｎ 1）ＺＨＯＵＸｉｎ-ｑｕａｎ 1）ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ-ｊｕｎ 2）ＷＡＮＧＳｕ-ｆｅｎｇ 1） 1） ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅＭｉｎｉｎｇＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｂｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＩｒｏｎＯｒｅＭａｒｋｅｔＯｆｆｉｃｅＱｉａｎʾａｎＭｕｎｉｃｉｐａｌＢｕｒｅａｕｆｏｒＰｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｃｏｎｏｍｙＴａｎｇｓｈａｎ064400Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｇａｓｓｅｅｐａｇｅｉｎｃｏａｌｆｉｅｌｄｏｕｔｃｒｏｐａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄｙｎａｍｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｏｕｔｃｒｏｐｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｍｏｄｅｌｃｏｕｐｌｉｎｇｓｅｅｐａｇｅｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｄｙｎａｍｉｃｓｆｏｒｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｆｉｅｌｄｏｕｔｃｒｏｐｗａｓｓｅｔｕｐ．Ｔｈｅｃａｌｃｕ- ｌａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｖｏｌａｔｉｌｅｏｕｔｐｕｔｄｕｒｉｎｇｃｏａｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｗａｓｄｅｄｕｃｅｄ．ＯｎｅｃｏａｌｆｉｒｅｉｎＸｉｎｊｉａｎｇＵｙｇｕｒＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ ｏｆＣｈｉｎａｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｏｂｊｅｃｔｂｙｔｈｅｓｅｅｐａｇｅ-ｔｈｅｒｍａｌｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｗｈｅｎｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆ ｃｏａｌｏｕｔｃｒｏｐｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｍｉｎｉｎｇｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｓｎｅａｒｔｈｅｒｏｏｆａｎｄｓｐｒｅａｄｓｔｏｔｈｅｏｕｔｃｒｏｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎｑｕｉｃｋｌｙ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｉｏｎｌｏｃａｔｅｓｂｅｌｏｗｔｈｅｒｏｏｆａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｏｕｔｏｆｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｒｅａｉｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．Ｇａｓｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙｃｏａｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍａｉｎｌｙｆｌｏｗｉｎｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｏｆｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｒｅａａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｅｄｇａｓｅｓｏｎｌｙｅｘｉｓｔｓ ａｓｍａｌｌｒｅｇｉｏｎｏｎｔｈｅｕｐｓｔｒｅａｍｏｆｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｒｅａ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｓｃｏｐｅｏｆｓｐｏｎｔａｎｅ- ｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｇａｓｅｓ．Ｗｈｅｒｅａｓｃｏａｌｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｇａｓｓｅｅｐａｇｅｉｎｔｈｅｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｍｅｄｉｕｍａｎｄｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．Ａｔｌａｓｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｎｔｈｅｃｏａｌｆｉｅｌｄｆｉｒｅｌｏｃａｔｉｏｎｆｉｒｅｃｏｎ- ｔｒｏｌａｎｄｆｉｒｅｍｏｎｉｔｏｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｏｕｔｃｒｏｐ；ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：2009--03--26 基金项目：国家科技支撑计划资助项目 （Ｎｏ．2006ＢＡＫ03Ｂ05；Ｎｏ．2007ＢＡＫ22Ｂ04） 作者简介：王海燕 （1974— ）女副教授博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｖｉｐｗｈｙ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ 煤田露头自燃是指在自然环境下未开采的煤 炭因氧化聚热沿煤层露头和浅部区域引发的燃烧现 象．煤层自燃不断发展所形成的大面积煤田火灾 是人类面临的重大自然灾害之一．煤田自燃在中 国、印度和美国等地普遍存在 ［1--2］．研究煤田自燃规 律、治理煤田火区已经引起了有关煤田自燃国家的 关注． 如何及早发现火灾并查明火区火源位置及其范 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．02．003
第2期 王海燕等：煤田露头自燃的渗流热动力耦合模型及应用 .153 围，使煤田自燃尽早控制在前期阶段，成为有效治理 1.2煤田露头自燃过程热动力分析 火区的前提.研究煤田自燃实际上就是研究煤层自 煤田露头自燃发生和发展是一个极其复杂的、 燃发火或称蓄热的条件和规律，以及利用其他手段 动态变化的物理化学过程，是一个缓慢地自动放热、 来重现煤层自燃过程，目前国内外对煤层自燃规律 聚热、升温，最终引起燃烧的过程，但其主要是煤氧 数学模型的研究主要集中在采空区，专门针对大面 复合作用放出热量所致，影响煤田露头自燃的主要 积煤田自燃规律则较少，已有对煤田自燃现象的注 因素有煤结构、温度和氧含量、破碎程度等，煤结构 意和研究多属于自燃的物理特性和物理作用方 是内在因素，主要包括煤表面分子活性结构、煤质 面3-)，其煤田自燃模型大都基于热源的模式进行 等，而温度和氧含量等则为外在因素，对于某一特 建模？-)，模型不足以反应煤田自燃的特征，煤田自 定煤种，其表面分子活性结构和煤质一定，所以煤破 燃是一个非常复杂的物理化学变化过程，不仅与煤 碎程度、温度和氧含量控制着煤的自燃过程，温度 层本身特性有关，还受外部环境的影响，建立较为 和氧含量则主要影响着露头自燃的放热强度，为制 精确的描述煤田自燃的数学模型，并进行实验室模 约煤田露头自燃的关键性因素，实际过程中，煤田 拟和数值模拟，以了解煤田火灾起火、燃烧和熄灭规 露头自燃主要与露头煤体蓄散热环境、露头煤体气 律，掌握煤田自燃的规律成为当前研究煤田自燃问 体流动动力和露头煤体内氧气分布规律有关 题的关键 煤田露头自燃对于风流状态的影响主要表现为 浮力效应，产生此现象的原因就是火风压（自燃引 1煤田露头自燃的渗流热动力耦合模型 起的自然风压变化)：火风压反映了浮力效应的大 小.火风压对风流影响主要表现在火源产生的高温 1.1煤田露头介质内气体渗流分析 烟流流经火源下风侧，引起整个煤田露头系统温度 煤田自燃过程中气体在煤岩介质的流动属于渗 和风量分布的变化，火风压是煤田自燃中气体渗 流力学范围.考虑煤岩介质含有孔隙，现有成果采 流、煤炭自燃和传热传质的动力，使燃烧向地层深度 取传统多孔介质渗流的相关理论分析自燃过程中气 和广度蔓延，给灭火带来阻力，李唐山⑧推导了煤 体的运移规律，但是，煤岩介质不同于一般的多孔 田露头自燃火风压的计算式， 介质，它是一种包含孔隙和裂隙双重结构的材料，属 煤田露头自燃过程始终处在放热与散热矛盾体 于双孔隙率范畴的双重介质问题，孔隙和裂隙对流 中动态地发展，只有当放热速度率大于散热速率时， 体渗透的贡献是不同的，采用传统的多孔介质模型 才有可能使热量积聚，促进煤体温度上升，最终导致 并不能真实反映自燃过程中气体在露头内的运移规 露头自然发火，煤田露头自燃特点为：空气在大面 律.与传统多孔介质相比，煤岩裂隙介质的渗透型 积范围内煤田露头中的渗流；火风压是供氧动力，并 有更强的非均质性和各向异性，压力变化对裂隙中 且受地形地貌、风向风速、昼夜温差和大气压力变化 流体通量、裂隙岩体渗透系数有明显地影响，把裂 和裂隙影响，推动煤田露头煤体气体流动动力主要 隙介质看作是由一种按一定几何规律分布的裂隙系 构成包括：露头煤体内氧化升温形成的火风压；外部 统所割裂的介质较为符合实际，但困难较多，因此假 风等原因而引起的动压；煤层高差引起的自然风压， 设煤田露头裂隙介质连续，采用双重介质模型理论 外部风和高差的作用较为简单，主要是促进气体沿 进行露头自燃气体渗流规律的分析更为容易 一定路径在煤田露头内运动 煤田露头内可能存在两种流体同时流动情况， 1.3煤田露头自燃的渗流热动力耦合数学模型 即煤自燃生成气体和新鲜风流一起在煤岩介质中流 为建立起煤田露头自燃气体在孔裂隙双重介 动.自燃气体和新鲜空气在煤岩中的流动完全互溶 质内的运动方程，采取如下假设： (忽略水的作用)，因此自燃过程中气体在煤岩介质 (1)煤岩基质孔隙和裂隙之间的流体交换为准 中的流动属于动力弥散，煤田露头内气体主要通过 稳态流动： 裂隙进行运移，但自燃反应主要在煤孔隙表面进行， (2)流动为层流和线性Dacy流动： 因此除了需要考虑基质孔隙与裂隙的储集作用及裂 (3)不考虑骨架变形，忽略孔隙和裂隙的相互 隙的渗透性外，孔隙间的流体渗透尚不能忽略。如 作用： 果露头存在大的地质构造（如断层、大裂缝等），煤 (4)孔隙渗透率和裂隙渗透率主轴平行于坐标 岩基质和裂隙介质的孔隙率和渗透率对气体运移的 轴方向； 渗流贡献均需考虑， (5)不考虑液体（主要是水）的影响，气体为多
第 2期 王海燕等： 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合模型及应用 围使煤田自燃尽早控制在前期阶段成为有效治理 火区的前提．研究煤田自燃实际上就是研究煤层自 燃发火或称蓄热的条件和规律以及利用其他手段 来重现煤层自燃过程．目前国内外对煤层自燃规律 数学模型的研究主要集中在采空区专门针对大面 积煤田自燃规律则较少．已有对煤田自燃现象的注 意和研究多属于自燃的物理特性和物理作用方 面 ［3--6］其煤田自燃模型大都基于热源的模式进行 建模 ［7--8］模型不足以反应煤田自燃的特征．煤田自 燃是一个非常复杂的物理化学变化过程不仅与煤 层本身特性有关还受外部环境的影响．建立较为 精确的描述煤田自燃的数学模型并进行实验室模 拟和数值模拟以了解煤田火灾起火、燃烧和熄灭规 律掌握煤田自燃的规律成为当前研究煤田自燃问 题的关键． 1 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合模型 1∙1 煤田露头介质内气体渗流分析 煤田自燃过程中气体在煤岩介质的流动属于渗 流力学范围．考虑煤岩介质含有孔隙现有成果采 取传统多孔介质渗流的相关理论分析自燃过程中气 体的运移规律．但是煤岩介质不同于一般的多孔 介质它是一种包含孔隙和裂隙双重结构的材料属 于双孔隙率范畴的双重介质问题．孔隙和裂隙对流 体渗透的贡献是不同的采用传统的多孔介质模型 并不能真实反映自燃过程中气体在露头内的运移规 律．与传统多孔介质相比煤岩裂隙介质的渗透型 有更强的非均质性和各向异性压力变化对裂隙中 流体通量、裂隙岩体渗透系数有明显地影响．把裂 隙介质看作是由一种按一定几何规律分布的裂隙系 统所割裂的介质较为符合实际但困难较多因此假 设煤田露头裂隙介质连续采用双重介质模型理论 进行露头自燃气体渗流规律的分析更为容易． 煤田露头内可能存在两种流体同时流动情况 即煤自燃生成气体和新鲜风流一起在煤岩介质中流 动．自燃气体和新鲜空气在煤岩中的流动完全互溶 （忽略水的作用 ）因此自燃过程中气体在煤岩介质 中的流动属于动力弥散．煤田露头内气体主要通过 裂隙进行运移但自燃反应主要在煤孔隙表面进行 因此除了需要考虑基质孔隙与裂隙的储集作用及裂 隙的渗透性外孔隙间的流体渗透尚不能忽略．如 果露头存在大的地质构造 （如断层、大裂缝等 ）煤 岩基质和裂隙介质的孔隙率和渗透率对气体运移的 渗流贡献均需考虑． 1∙2 煤田露头自燃过程热动力分析 煤田露头自燃发生和发展是一个极其复杂的、 动态变化的物理化学过程是一个缓慢地自动放热、 聚热、升温最终引起燃烧的过程但其主要是煤氧 复合作用放出热量所致．影响煤田露头自燃的主要 因素有煤结构、温度和氧含量、破碎程度等．煤结构 是内在因素主要包括煤表面分子活性结构、煤质 等而温度和氧含量等则为外在因素．对于某一特 定煤种其表面分子活性结构和煤质一定所以煤破 碎程度、温度和氧含量控制着煤的自燃过程．温度 和氧含量则主要影响着露头自燃的放热强度为制 约煤田露头自燃的关键性因素．实际过程中煤田 露头自燃主要与露头煤体蓄散热环境、露头煤体气 体流动动力和露头煤体内氧气分布规律有关． 煤田露头自燃对于风流状态的影响主要表现为 浮力效应产生此现象的原因就是火风压 （自燃引 起的自然风压变化 ）；火风压反映了浮力效应的大 小．火风压对风流影响主要表现在火源产生的高温 烟流流经火源下风侧引起整个煤田露头系统温度 和风量分布的变化．火风压是煤田自燃中气体渗 流、煤炭自燃和传热传质的动力使燃烧向地层深度 和广度蔓延给灭火带来阻力．李唐山 ［8］推导了煤 田露头自燃火风压的计算式． 煤田露头自燃过程始终处在放热与散热矛盾体 中动态地发展只有当放热速度率大于散热速率时 才有可能使热量积聚促进煤体温度上升最终导致 露头自然发火．煤田露头自燃特点为：空气在大面 积范围内煤田露头中的渗流；火风压是供氧动力并 且受地形地貌、风向风速、昼夜温差和大气压力变化 和裂隙影响．推动煤田露头煤体气体流动动力主要 构成包括：露头煤体内氧化升温形成的火风压；外部 风等原因而引起的动压；煤层高差引起的自然风压． 外部风和高差的作用较为简单主要是促进气体沿 一定路径在煤田露头内运动． 1∙3 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合数学模型 为建立起煤田露头自燃气体在孔--裂隙双重介 质内的运动方程采取如下假设： （1） 煤岩基质孔隙和裂隙之间的流体交换为准 稳态流动； （2） 流动为层流和线性 Ｄａｒｃｙ流动； （3） 不考虑骨架变形忽略孔隙和裂隙的相互 作用； （4） 孔隙渗透率和裂隙渗透率主轴平行于坐标 轴方向； （5） 不考虑液体 （主要是水 ）的影响气体为多 ·153·
.154 北京科技大学学报 第32卷 组分理想气体； 第2类边界条件， (6)不考虑毛细管压力，但考虑重力的影响 do 1=0 (6) 煤自燃时，假设煤氧化反应在基质块内进行，则 dn I 煤岩露头自燃时组分的渗流方程如下： 式中，Q。为系统压差、外部风等引起的漏风之和，一 煤基质孔隙中， 般情况下为定值；Q.为火风压引起的漏风；n为 K 法向， ACa(P1+AgsinP) 煤田露头多孔介质内的热量积累等于露头煤体 Y十S=0 (1) 自身的氧化放热量、煤田露头与外界环境的传导及 岩基质孔隙中， 对流换热量之和，从而可得出煤田露头煤岩介质的 (Ca)+ 能量守恒方程为： 子T+子T子T C.P.+) +Y:=0(2) C.-(T) gc[o+o,+o (7) 煤岩裂隙中， a($8Ce)+ 式中，C为煤田露头多孔介质比热容，k小kg· K;P为煤田露头多孔介密度，kgm3;入为煤田 aCP+g) -Y,=0(3) 露头多孔介质骨架导热系数，km.s.K；T为 温度，K:q(T)为单位时间单位体积煤体放热强度， 式中，P为压力，PaK为渗透率；中为孔隙率；Y为 q=Q:dxdydz Q:为单位时间露头煤体放热强度， 基质孔隙中组分与裂隙中组分的交换量，kg kmo·s;P为气体密度，kgm3;C为气体比 m3.s:S为基质孔隙组分的产生或消失量；C 热容，k小kgK1 为组分的质量分数：为密度，kgm3;g为重力加 煤自燃过程中，各种气体组分满足组分平衡 速度，m·s;"为运动黏性系数，Pas下标1表示 方程： 孔隙，下标2表示裂隙、 a(m）+(9m+m:）+(m_ 在整个煤田露头系统内，自燃过程中露头煤体 t 煤岩内的漏风流为常压低速的气体流动，可近似认 为是不可压缩流体层流渗流·在煤田露头自燃中渗 +si 流流场边界条件为： (8) P.=P.十P (4) 式中，m为质量分数；「，为输运系数；S为方程的源 式中，P.为外界风流引起的动压差和高差引起的静 项，为组分的产生率（或消耗率）山和w为xy 压差之和，一般为定值；P为自燃引起的火风压；s 和z三个方向的速度，m·s. 为固体外边界，第1类相当于露头与大气接触的自 质量平衡方程的初始和边界条件：初始条件， 由边界，第2类相当于人工边界 Cl=0=C0; 对煤田露头风流引起的动压、静压和火风压的 第1类边界条件， 计算采用文献[8]的方法，现场漏风流很难测量，可 C.=C: 通过氧含量分布来推算漏风量，煤田露头自燃是煤 第2类边界条件， 与漏风流中的氧进行反应的过程，微元体内固体煤 dc 是一个消耗氧的汇，外界向露头内漏风量是自燃中 =0 (9) 供氧的关键因素，露头漏风强度符合流场质量守 式中，C为煤岩体内的初始氧质量分数，C,为煤田 恒，即： 露头外部风流的氧质量分数 030+0=0 温度场的初始和边界条件：初始条件， ax (5) Tl=0=T0: 式中，QQ,Q,为为y和2漏风强度，m·s,其满 第1类边界条件， 足如下条件：第1类边界条件， T.=T: Ql=Q.十Q 第3类边界条件
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 组分理想气体； （6） 不考虑毛细管压力但考虑重力的影响． 煤自燃时假设煤氧化反应在基质块内进行则 煤岩露头自燃时组分 ｉ的渗流方程如下： 煤基质孔隙中 ∂ ∂ｔ （●1ρ1Ｃｉ1）＋ᐁ· — Ｋ1 μ1 ρ1Ｃｉ1（ᐁ Ｐ1＋ρ1ｇｓｉｎφ） ＋ γｉ＋Ｓｉ＝0 （1） 岩基质孔隙中 ∂ ∂ｔ （●1ρ1Ｃｉ1）＋ ᐁ· — Ｋ1 μ1 ρ1Ｃｉ1（ᐁ Ｐ1＋ρ1ｇｓｉｎφ） ＋γｉ＝0（2） 煤岩裂隙中 ∂ ∂ｔ （●2ρ2Ｃｉ2）＋ ᐁ· — Ｋ2 μ2 ρ2Ｃｉ2（ᐁ Ｐ2＋ρ2ｇｓｉｎφ） —γｉ＝0（3） 式中Ｐ为压力Ｐａ；Ｋ为渗透率；●为孔隙率；γｉ为 基质孔隙中组分 ｉ与裂隙中组分 ｉ的交换量ｋｇ· ｍ —3·ｓ —1；Ｓｉ为基质孔隙组分 ｉ的产生或消失量；Ｃｉ 为组分 ｉ的质量分数；ρ为密度ｋｇ·ｍ —3；ｇ为重力加 速度ｍ·ｓ —2；μ为运动黏性系数Ｐａ·ｓ；下标 1表示 孔隙下标 2表示裂隙． 在整个煤田露头系统内自燃过程中露头煤体 煤岩内的漏风流为常压低速的气体流动可近似认 为是不可压缩流体层流渗流．在煤田露头自燃中渗 流流场边界条件为： Ｐ ｓ＝Ｐｃ＋Ｐｒ （4） 式中Ｐｃ为外界风流引起的动压差和高差引起的静 压差之和一般为定值；Ｐｒ为自燃引起的火风压；ｓ 为固体外边界第 1类相当于露头与大气接触的自 由边界第 2类相当于人工边界． 对煤田露头风流引起的动压、静压和火风压的 计算采用文献 ［8］的方法．现场漏风流很难测量可 通过氧含量分布来推算漏风量．煤田露头自燃是煤 与漏风流中的氧进行反应的过程微元体内固体煤 是一个消耗氧的汇外界向露头内漏风量是自燃中 供氧的关键因素．露头漏风强度符合流场质量守 恒即： ∂Ｑｘ ∂ｘ ＋ ∂Ｑｙ ∂ｙ ＋ ∂Ｑｚ ∂ｚ ＝0 （5） 式中ＱｘＱｙＱｚ为 ｘｙ和 ｚ漏风强度ｍ·ｓ —1其满 足如下条件：第 1类边界条件 Ｑ｜ｓ＝Ｑｃ＋Ｑｒ； 第 2类边界条件 ｄＱ ｄｎ ｓ ＝0 （6） 式中Ｑｃ为系统压差、外部风等引起的漏风之和一 般情况下为定值；Ｑｒ 为火风压引起的漏风；ｎ为 法向． 煤田露头多孔介质内的热量积累等于露头煤体 自身的氧化放热量、煤田露头与外界环境的传导及 对流换热量之和从而可得出煤田露头煤岩介质的 能量守恒方程为： ρｃＣｃ ∂Ｔ ∂ｔ ＝ｑ（Ｔ）＋λｃ ∂ 2Ｔ ∂ｘ 2 ＋ ∂ 2Ｔ ∂ｙ 2 ∂ 2Ｔ ∂ｚ 2 — ρｇＣｇ Ｑｘ ∂Ｔ ∂ｘ ＋Ｑｙ ∂Ｔ ∂ｙ ＋Ｑｚ ∂Ｔ ∂ｚ （7） 式中Ｃｃ 为煤田露头多孔介质比热容ｋＪ·ｋｇ —1· Ｋ —1；ρｃ为煤田露头多孔介密度ｋｇ·ｍ —3；λｃ为煤田 露头多孔介质骨架导热系数ｋＪ·ｍ —1·ｓ —1·Ｋ —1；Ｔ为 温度Ｋ；ｑ（Ｔ）为单位时间单位体积煤体放热强度 ｑ＝Ｑｆ／ｄｘｄｙｄｚＱｆ为单位时间露头煤体放热强度 ｋＪ·ｍｏｌ —1·ｓ —1；ρｇ为气体密度ｋｇ·ｍ —3；Ｃｇ为气体比 热容ｋＪ·ｋｇ —1·Ｋ —1． 煤自燃过程中各种气体组分满足组分平衡 方程： ∂（ρｍｉ） ∂ｔ ＋ ∂（ρｕｍｉ） ∂ｘ ＋ ∂（ρｖｍｉ） ∂ｙ ＋ ∂（ρｗｍｉ） ∂ｚ ＝ ∂ ∂ｘ Γｈ ∂ｍｉ ∂ｘ ＋ ∂ ∂ｙ Γｈ ∂ｍｉ ∂ｙ ＋ ∂ ∂ｚ Γｈ ∂ｍｉ ∂ｚ ＋Ｓｉ （8） 式中ｍ为质量分数；Гｈ为输运系数；Ｓ为方程的源 项为组分 ｉ的产生率 （或消耗率 ）；ｕ、ｖ和 ｗ为 ｘ、ｙ 和 ｚ三个方向的速度ｍ·ｓ —1． 质量平衡方程的初始和边界条件：初始条件 Ｃ ｔ＝0＝Ｃ0； 第 1类边界条件 Ｃ ｓ＝Ｃｔ； 第 2类边界条件 ｄＣ ｄｎ ｓ ＝0 （9） 式中Ｃ0为煤岩体内的初始氧质量分数Ｃｔ为煤田 露头外部风流的氧质量分数． 温度场的初始和边界条件：初始条件 Ｔ ｔ＝0＝Ｔ0； 第 1类边界条件 Ｔ ｓ＝Ｔｗ； 第 3类边界条件 ·154·
第2期 王海燕等：煤田露头自燃的渗流热动力耦合模型及应用 .155 =h(T.一T) (10) 式中，mo为原煤初始质量，kg 将式(14)代入式(13)有自燃过程中挥发分的 式中，T为露头初始温度，℃；T为与大气接触露头 产量： 表面温度，℃；T为风流温度，℃；入.为气体导热系 数，km1.℃-；h为对流换热系数，km2.℃. m =mo+- 1k+ae.f1-ep[-(k十b)川} k十k6 1.4煤自燃化学反应模型 (15) 将煤的燃烧过程简化为挥发分和焦炭析出反 在不同条件下，剩余焦炭表面与氧反应将生成 应、挥发分与氧气反应、焦炭与氧气反应和不完全燃 的C0及CO2比率是不同的.这里采用Zeng和 烧产物一氧化碳和氧气反应，即：煤→挥发分剩余 Fu研究的成果计算剩余焦炭表面与氧反应生成 C挥发分+am02→C02+H20:(1+b)C+(b十 C0与C02摩尔比值1么即： 12)02→C0+bC02:2C0十02→2C02.其中am、 8000 和根据不同挥发分级别，反应系数有所不同，如 上-=600(eYa)4 exp 16) b nco2 高挥发分时分别为1.5981和1.417，低挥发分时 式中，P.为煤焦表面处气体密度，Y为固体表面处 分别为2.979、1和4.17，一般为1.7061和1.543 氧的质量分数 也可实验测定挥发分中CH元素摩尔组成获取其 参数值；b为待定系数，其大小受温度、氧含量和环 2煤田露头自燃的数值模拟及实践应用 境压力的综合影响，煤田露头自燃过程中挥发分析 2.1研究对象 出采用双竞争反应模型简化描述，即： 新疆某煤田火区是由于小煤矿违法开采采空区 挥发分(V,)+剩余的炭(R,) 自燃最终形成，火区处煤层平均厚34m,倾角平均 煤 Q1 1-a1 (11) 23,单一煤层，含挥发分平均35%，灰分3%，水分 挥发分('2)+剩余的炭(R) 4.6%,固定碳含量57.4，发热量29000Mkg, 1-a2 易燃.上覆物主要为砂岩和黏土，覆盖层裂隙较为 式中，V、V2为第1个反应和第2个反应的挥发分 明显，煤岩内无大的地质构造，该地区常年有西南 产生量；B、B为第1个反应和第2个反应剩余焦 风，一般平均风速2~3m·s,最高可达29m·s, 炭量；a1、a2为两个反应中挥发分的质量分数.在低 已形成三个子火区.数值模拟对象以火区1子火区 温时第1个反应起主要作用，高温时则第2个反应 为物理原形，沿倾向取一断面（如图1所示，宽度/ 起主要作用，在中等温度时两个反应均起主要作用 高度=1.3) 两个反应的频率因子h、。满足阿累尼乌斯定律， 即： 空气 覆盖层 =12 (12) 岩石 式中，k为反应速率常数，(mokm3)-.s,n为反 煤层 初始火源点 应级数，根据需要，时间单位s也可替换为min或h 岩石 湿风通道 ke>k1;k为频率因子，单位与k相同；E为活化 能，mo「，E2>E;R为通用气体常数，R=8.315 图1新疆某煤田火区剂面图 mol.K1 Fig 1 Profile of one coalfiel fire zone in X njiang Uygur Autono- 根据式(11)和式(12)，煤热解过程中挥发分的 mous Region of Chna 产量为： 根据该火区地质报告，子火区处无大的裂缝、 dm:dmdm =(a k +aa le )m (13) 无断层，因此煤层取单一孔隙率和渗透率，分别为 dt dtdt 0.2和9.95岩层取单一孔隙率和单一渗透率，分别 式中，m,为挥发分质量，kgm1、m,2为第1个和第2 为0.05和0.03覆盖层基质孔隙率和渗透率分别 个反应式挥发分质量，kgm为未反应原煤，kg 为0.4和93，裂隙孔隙率和渗透率分别为0.8和 另一方面，由煤的热解反应有： 11Q.根据气象资料，风速取2m·s.采空区漏风简 思-e-j+k)d (14) 化为一条漏风通道，自燃初始点位于采空区顶板上
第 2期 王海燕等： 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合模型及应用 —λｇ ｄＴ ｄｘ ｎ＝0 ＝ｈ（Ｔｗ —Ｔｇ） （10） 式中Ｔ0为露头初始温度℃；Ｔｗ 为与大气接触露头 表面温度℃；Ｔｇ为风流温度℃；λｇ为气体导热系 数ｋＪ·ｍ —1·℃ —1；ｈ为对流换热系数ｋＪ·ｍ —2·℃ —1． 1∙4 煤自燃化学反应模型 将煤的燃烧过程简化为挥发分和焦炭析出反 应、挥发分与氧气反应、焦炭与氧气反应和不完全燃 烧产物一氧化碳和氧气反应即：煤→挥发分 ＋剩余 Ｃ；挥发分 ＋ａ1Ｏ2→ａ2ＣＯ2 ＋ａ3Ｈ2Ｏ；（1＋ｂ）Ｃ＋（ｂ＋ 1／2）Ｏ2→ＣＯ＋ｂＣＯ2；2ＣＯ＋Ｏ2→2ＣＯ2．其中 ａ1、ａ2 和 ａ3根据不同挥发分级别反应系数有所不同如 高挥发分时分别为 1∙598、1和 1∙417低挥发分时 分别为 2∙979、1和 4∙17一般为 1∙706、1和 1∙543 也可实验测定挥发分中 Ｃ、Ｈ元素摩尔组成获取其 参数值；ｂ为待定系数其大小受温度、氧含量和环 境压力的综合影响．煤田露头自燃过程中挥发分析 出采用双竞争反应模型 ［9］简化描述即： 式中Ｖ1、Ｖ2 为第 1个反应和第 2个反应的挥发分 产生量；Ｒ1、Ｒ2 为第 1个反应和第 2个反应剩余焦 炭量；α1、α2为两个反应中挥发分的质量分数．在低 温时第 1个反应起主要作用高温时则第 2个反应 起主要作用在中等温度时两个反应均起主要作用． 两个反应的频率因子 ｋ1、ｋ2 满足阿累尼乌斯定律 即： ｋｉ＝ｋ0ｉｅｘｐ —Ｅｉ ＲＴｐ ｉ＝12 （12） 式中ｋ为反应速率常数（ｍｏｌ·ｍ —3 ） 1—ｎ·ｓ —1ｎ为反 应级数根据需要时间单位 ｓ也可替换为 ｍｉｎ或 ｈ ｋ02＞ｋ01；ｋ0 为频率因子单位与 ｋ相同；Ｅ为活化 能Ｊ·ｍｏｌ —1Ｅ2 ＞Ｅ1；Ｒ为通用气体常数Ｒ＝8∙315 Ｊ·ｍｏｌ —1·Ｋ —1． 根据式 （11）和式 （12）煤热解过程中挥发分的 产量为： ｄｍｖ ｄｔ ＝ ｄｍｖ1 ｄｔ ＋ ｄｍｖ2 ｄｔ ＝（α1ｋ1＋α2ｋ2）ｍ （13） 式中ｍｖ为挥发分质量ｋｇ；ｍｖ1、ｍｖ2为第 1个和第 2 个反应式挥发分质量ｋｇ；ｍ为未反应原煤ｋｇ． 另一方面由煤的热解反应有： ｍ ｍ0 ＝ｅｘｐ —∫0 ｔ （ｋ1＋ｋ2）ｄｔ （14） 式中ｍ0为原煤初始质量ｋｇ． 将式 （14）代入式 （13）有自燃过程中挥发分的 产量： ｍｖ＝ｍ0· α1ｋ1＋α2ｋ2 ｋ1＋ｋ2 ·｛1—ｅｘｐ［ —（ｋ1＋ｋ2）ｔ］｝ （15） 在不同条件下剩余焦炭表面与氧反应将生成 的 ＣＯ及 ＣＯ2 比率是不同的．这里采用 Ｚｅｎｇ和 Ｆｕ ［10］研究的成果计算剩余焦炭表面与氧反应生成 ＣＯ与 ＣＯ2摩尔比值 1／ｂ即： 1 ｂ ＝ ｎＣＯ ｎＣＯ2 ＝600（ρｓＹＯｓ） —0∙24ｅｘｐ — 8000 Ｔ （16） 式中ρｓ为煤焦表面处气体密度ＹＯｓ为固体表面处 氧的质量分数． 2 煤田露头自燃的数值模拟及实践应用 2∙1 研究对象 新疆某煤田火区是由于小煤矿违法开采采空区 自燃最终形成．火区处煤层平均厚 34ｍ倾角平均 23°单一煤层含挥发分平均 35％灰分 3％水分 4∙6％固定碳含量 57∙4％发热量 29000ＭＪ·ｋｇ —1 易燃．上覆物主要为砂岩和黏土覆盖层裂隙较为 明显煤岩内无大的地质构造．该地区常年有西南 风一般平均风速 2～3ｍ·ｓ —1最高可达 29ｍ·ｓ —1 已形成三个子火区．数值模拟对象以火区 1 ＃子火区 为物理原形沿倾向取一断面 （如图 1所示宽度／ 高度 ＝1∙3）． 图 1 新疆某煤田火区剖面图 Ｆｉｇ．1 ＰｒｏｆｉｌｅｏｆｏｎｅｃｏａｌｆｉｅｌｄｆｉｒｅｚｏｎｅｉｎＸｉｎｊｉａｎｇＵｙｇｕｒＡｕｔｏｎｏ- ｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ 根据该火区地质报告1 ＃子火区处无大的裂缝、 无断层因此煤层取单一孔隙率和渗透率分别为 0∙2和 9∙95；岩层取单一孔隙率和单一渗透率分别 为 0∙05和 0∙03．覆盖层基质孔隙率和渗透率分别 为 0∙4和 93裂隙孔隙率和渗透率分别为 0∙8和 110．根据气象资料风速取2ｍ·ｓ —1．采空区漏风简 化为一条漏风通道自燃初始点位于采空区顶板上 ·155·
.156 北京科技大学学报 第32卷 方，自燃反应的引发采用高温质点法，根据文献[2] 高温聚热区300~800℃，煤层燃烧温度400~600 的相关研究成果，质点温度取873K,质点位置如图 ℃，底板温度100℃.据此与图2的对比可以看出， 1所示. 模拟煤田自燃燃烧中心期温度与实际观测值变化一 2.2数值模拟结果分析 致， 依据式(1)~(11)和现场相关参数，使用Gm- 图3是燃烧中心期C0含量云图.，由图可以看 软件完成物理模型的建立和网格划分，网格为非 出，由于采空区漏风风流和外界风流的共同影响，自 结构化网格，结合C语言编程技术，在CD模拟软 燃生成的C0气体主要集中于露头自燃点下风侧方 件UENT中完成了自燃发展过程的数值模拟，模 向，上风侧方向只有很小距离范围内有自燃气体存 拟结果采用后处理软件Tecplo进行可视化，如图2~ 在.地表附近C0含量与火源位置无垂直对应关系， 图4所示. 燃烧区中C0含量最高，含量梯度最大，而在自然点 下风侧方向岩石内梯度则较小，模拟温度场和含量 地表异常 而板 煤层 7 分布还表明高温区域分布与自燃气体渗流方位位置 537℃ 496℃ 致 底板 69℃ 温度K ☐800 CO 图2自燃中心形成并向前蔓延时温度等值线 Fig 2 Temmpemature conlour as the spon taneous canbustion center fomatted and spread 图2为模拟形成燃烧中心期时的露头温度场分布， 图3露头内一氧化碳的质量分数 燃烧中心集中在顶板附近，而后沿顶板向底板和露 Fig3 Content fiel ofCO in outcmop 头方向双向蔓延，高温区域集中在顶板附近，燃烧 图4为露头内速度场分布，图4(a)表明自燃 区域以外岩石内温度梯度变化不大·文献[2]依煤 烟气流动方向由火源点向露头顶部进行：通过对比 田火区燃烧地质特征将煤田火区划分为12个递进 自燃（图4(a))和无自燃（图4(b))时露头内流场 期，即风化期、氧化期、自燃期、燃烧中心期、燃烧系 分布可以看出，发生自燃时（图4(a))由于浮力作 统期、全面燃烧期、半焦状燃烧期、持续燃烧期、烧变 用和气体膨胀作用，气体流速明显增加，自燃点右侧 岩形成期、芒硝矿物形成期、休眠期和熄灭期，每期 岩石内达1.7~1.8m·$,自燃点右上方达2.4~ 地下热场、地表热场的温度有巨大变化，并根据对中 2.5m·g,自燃点左侧岩石内渗流速度为0.6~0.7 国北方煤田火区的观察将地下煤层燃烧温度、顶板 m·s,而无自燃的渗流速度为0.1~0.3m·s(图 温度、底板温度和地表温度等进行了总结，其中燃 4(b))这表明自燃加速了气体在煤岩介质内的渗 烧中心期地表温度异常，煤层顶板、煤层和底板温度 流，有助于自燃的发展，实际火区现象也表明开采 变化范围分别为地表地面异常5~15℃，煤层顶板 中采空区自燃引发的煤田火区发展迅速 (a) b 2425mg11.718ms 自燃区域 x方向速度/ 0.1-03m-g ￥方向速度/ (m.s 0.6-0.7m-4 图4露头内速度场分布。(a)自燃；(b)未自燃 Fig 4 Velocity distrbution in outcmp:(a)spontaneous cambustion:(b)no spontaneous cambustion
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 方自燃反应的引发采用高温质点法．根据文献 ［2］ 的相关研究成果质点温度取 873Ｋ质点位置如图 1所示． 2∙2 数值模拟结果分析 依据式 （1）～（11）和现场相关参数使用 Ｇａｍ- ｂｉｔ软件完成物理模型的建立和网格划分网格为非 结构化网格．结合 Ｃ语言编程技术在 ＣＦＤ模拟软 件 ＦＬＵＥＮＴ中完成了自燃发展过程的数值模拟模 拟结果采用后处理软件 Ｔｅｃｐｌｏｔ进行可视化如图 2～ 图 4所示． 图 2 自燃中心形成并向前蔓延时温度等值线 Ｆｉｇ．2 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｏｕｒａｓｔｈｅｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒｍａｔｔｅｄａｎｄｓｐｒｅａｄ 图 4 露头内速度场分布．（ａ） 自燃；（ｂ） 未自燃 Ｆｉｇ．4 Ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｏｕｔｃｒｏｐ：（ａ） ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；（ｂ） ｎｏｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ 图 2为模拟形成燃烧中心期时的露头温度场分布． 燃烧中心集中在顶板附近而后沿顶板向底板和露 头方向双向蔓延．高温区域集中在顶板附近燃烧 区域以外岩石内温度梯度变化不大．文献 ［2］依煤 田火区燃烧地质特征将煤田火区划分为 12个递进 期即风化期、氧化期、自燃期、燃烧中心期、燃烧系 统期、全面燃烧期、半焦状燃烧期、持续燃烧期、烧变 岩形成期、芒硝矿物形成期、休眠期和熄灭期每期 地下热场、地表热场的温度有巨大变化并根据对中 国北方煤田火区的观察将地下煤层燃烧温度、顶板 温度、底板温度和地表温度等进行了总结．其中燃 烧中心期地表温度异常煤层顶板、煤层和底板温度 变化范围分别为地表地面异常 5～15℃煤层顶板 高温聚热区 300～800℃煤层燃烧温度 400～600 ℃底板温度 100℃．据此与图 2的对比可以看出 模拟煤田自燃燃烧中心期温度与实际观测值变化一 致． 图 3是燃烧中心期 ＣＯ含量云图．由图可以看 出由于采空区漏风风流和外界风流的共同影响自 燃生成的 ＣＯ气体主要集中于露头自燃点下风侧方 向上风侧方向只有很小距离范围内有自燃气体存 在．地表附近 ＣＯ含量与火源位置无垂直对应关系． 燃烧区中 ＣＯ含量最高含量梯度最大而在自然点 下风侧方向岩石内梯度则较小．模拟温度场和含量 分布还表明高温区域分布与自燃气体渗流方位位置 一致． 图 3 露头内一氧化碳的质量分数 Ｆｉｇ．3 ＣｏｎｔｅｎｔｆｉｅｌｄｏｆＣＯｉｎｏｕｔｃｒｏｐ 图 4为露头内速度场分布．图 4（ａ）表明自燃 烟气流动方向由火源点向露头顶部进行．通过对比 自燃 （图 4（ａ））和无自燃 （图 4（ｂ））时露头内流场 分布可以看出发生自燃时 （图 4（ａ））由于浮力作 用和气体膨胀作用气体流速明显增加自燃点右侧 岩石内达 1∙7～1∙8ｍ·ｓ —1自燃点右上方达 2∙4～ 2∙5ｍ·ｓ —1自燃点左侧岩石内渗流速度为 0∙6～0∙7 ｍ·ｓ —1而无自燃的渗流速度为 0∙1～0∙3ｍ·ｓ —1 （图 4（ｂ））．这表明自燃加速了气体在煤岩介质内的渗 流有助于自燃的发展．实际火区现象也表明开采 中采空区自燃引发的煤田火区发展迅速． ·156·
第2期 王海燕等：煤田露头自燃的渗流热动力耦合模型及应用 .157. 2.3模拟结果对煤田火区监测和治理的指导作用 和治理提出了建议. 通过对开采引发的煤田露头自燃温度场、含量 (4)煤田自燃现象和自燃过程的复杂性，决定 场和速度场分析，在火区监测和治理中应注意如下 了对煤田露头自燃进行绝对精确的模拟是非常困难 方面： 的，但是随着燃烧理论、多重介质渗流理论、煤自燃 (1)钻孔深度的确定，由于自燃时，岩石中温 理论和数值模拟理论等的不断发展和完善，利用数 度梯度和含量梯度小，温度和含量梯度大的区域集 值模拟技术对煤田自燃现象的研究将会不断深入和 中于火源点：因此，钻孔深度要打入煤层，才能正确 发展 反应自燃状态，为准确判断火源的位置提供依据 (2)注浆强度的分布，模拟现实开采引发的煤 参考文献 田自燃蔓延方向为从火源点先向露头部分蔓延，因 [1]Tan Y J Disaster and control of spontaneous canbustion in coal 此，治理过程中除了减少采空区漏风外，要注意注浆 fiel china CoalGeolExpbr 2000 28(6):8 灭火时加大从火源点到露头方向的注浆力度，将自 (谭永杰·中国煤田自燃灾害及其防治对策.煤田地质与勘 燃蔓延速度降到最低， 探，200028(6)：8) (3)火源位置的侦查，在进行火区侦查时注意 [2]Zhang JM.Guan H Y,Cao D Y.et al Underground Coal F ires 取样孔在风流下风侧方向布置增加，如果某个取样 in China Origin Deteclos Finef ightng and Prevention Bei 孔C0含量较前一个取气孔C0含量有大幅度的增 jing China Coal Industry Publishing House 2008 (张建民，管海晏，曹代勇，等，中国地下煤火研究与治理.北 加，则应沿此孔顺风增加取样孔数，如果一个钻孔 京：煤炭工业出版社，2008) 内部的C0含量较前一个钻孔内部的C0含量急剧 [3]Bustin R M.Mathews W H.In situ gasification of coal a natural 上升，则考虑火源点位置在二者之间，或者在本钻孔 example:history petmology and mechanics of canbustion Can J 处，实际使用渗流热动力耦合模型模拟能得到不 Earth Sci 1982 19,514 [4]Bustin R M,MathewsW H.In sit gasification of coal a natural 同风速度下的煤田露头系统的温度场、气体含量场 example additional data on the A lridge Creek coal fire south- (火源点确定条件下的)，然后利用钻孔资料分析露 eastem British Colmbia Can J Earth Sci 1985.22:1858 头系统的温度、气体含量分布，两者对照就可以确定 [5]Van Genderen JL Envirommentalmonitoring of spontaneous camn- 实际火源点位置， bustion in the north Chna coalfiels//Intema tional Institte for (4)灭火效果的监测.监测灭火工程后期效果 Aemospace Survey and Earth Scicnoes IIC )Netherlands 1997. 244 时，同样注意在自燃点位置下风侧方向增加取样孔 [6]W essling S KuenzerC KesselsW.etal Numericalmodeling for 密度，埋管深度要到达煤层 analyzing themal surfce ancmalies induced by undergmound coal (5)开采引发的露头自燃发展迅速，在治理火 fires Int J CoalGeol 2008 7:175 区和火区监测时要注意这种特征 [7]Huang JJ Bmining J WolfK H A A.Modeling of gas flow and temperature fiels n undergmound coal fires Fire Saf 2001 3结论 36.477 (1)分析了煤田露头介质内气体渗流特征及露 [8]LiT S Study on Gas Seepage and Heat&MassTransfer n Sponta- neous Camnbustion of Coalfiel Outemop [Dissertation]Beijing 头自燃热动力系统特征，进而建立了煤田露头自燃 China University ofM ning and Technobgy (Beijing).2006.74 渗流热动力耦合模型， (李唐山·煤田露头自燃气体渗流和传热传质规律研究[学位 (2)基于活化能的观点和煤燃烧理论，建立了 论文北京：中国矿业大学（北京）200674) [9]KobayashiH.Howan J B Samfm A F Coal devolatilization at 煤自燃过程简化模型，推导了挥发分计算公式， high tempertur6h Symposim (Intema tional)on Canbus (3)以新疆某煤田自燃火区为背景，进行了实 tion Pittsbur The Combustion Instituto 1977:411 际煤田自燃的模拟分析，得出了开采引发的自燃温 [10]Zeng T F.Fu W B Study on oxidation product CO /CO2 of bum- 度场、含量场和速度场特征，并据此对煤田火区监测 ing catbon surface Canbust Flame 1996.107:197
第 2期 王海燕等： 煤田露头自燃的渗流--热动力耦合模型及应用 2∙3 模拟结果对煤田火区监测和治理的指导作用 通过对开采引发的煤田露头自燃温度场、含量 场和速度场分析在火区监测和治理中应注意如下 方面： （1） 钻孔深度的确定．由于自燃时岩石中温 度梯度和含量梯度小温度和含量梯度大的区域集 中于火源点；因此钻孔深度要打入煤层才能正确 反应自燃状态为准确判断火源的位置提供依据． （2） 注浆强度的分布．模拟现实开采引发的煤 田自燃蔓延方向为从火源点先向露头部分蔓延因 此治理过程中除了减少采空区漏风外要注意注浆 灭火时加大从火源点到露头方向的注浆力度将自 燃蔓延速度降到最低． （3） 火源位置的侦查．在进行火区侦查时注意 取样孔在风流下风侧方向布置增加如果某个取样 孔 ＣＯ含量较前一个取气孔 ＣＯ含量有大幅度的增 加则应沿此孔顺风增加取样孔数．如果一个钻孔 内部的 ＣＯ含量较前一个钻孔内部的 ＣＯ含量急剧 上升则考虑火源点位置在二者之间或者在本钻孔 处．实际使用渗流--热动力耦合模型模拟能得到不 同风速度下的煤田露头系统的温度场、气体含量场 （火源点确定条件下的 ）然后利用钻孔资料分析露 头系统的温度、气体含量分布两者对照就可以确定 实际火源点位置． （4） 灭火效果的监测．监测灭火工程后期效果 时同样注意在自燃点位置下风侧方向增加取样孔 密度埋管深度要到达煤层． （5） 开采引发的露头自燃发展迅速在治理火 区和火区监测时要注意这种特征． 3 结论 （1） 分析了煤田露头介质内气体渗流特征及露 头自燃热动力系统特征进而建立了煤田露头自燃 渗流--热动力耦合模型． （2） 基于活化能的观点和煤燃烧理论建立了 煤自燃过程简化模型推导了挥发分计算公式． （3） 以新疆某煤田自燃火区为背景进行了实 际煤田自燃的模拟分析得出了开采引发的自燃温 度场、含量场和速度场特征并据此对煤田火区监测 和治理提出了建议． （4） 煤田自燃现象和自燃过程的复杂性决定 了对煤田露头自燃进行绝对精确的模拟是非常困难 的但是随着燃烧理论、多重介质渗流理论、煤自燃 理论和数值模拟理论等的不断发展和完善利用数 值模拟技术对煤田自燃现象的研究将会不断深入和 发展． 参 考 文 献 ［1］ ＴａｎＹＪ．Ｄｉｓａｓｔｅｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｃｏａｌ ｆｉｅｌｄｃｈｉｎａ．ＣｏａｌＧｅｏｌＥｘｐｌｏｒ200028（6）：8 （谭永杰．中国煤田自燃灾害及其防治对策．煤田地质与勘 探200028（6）：8） ［2］ ＺｈａｎｇＪＭＧｕａｎＨＹＣａｏＤＹｅｔａｌ．ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏａｌＦｉｒｅｓ ｉｎＣｈｉｎａ：ＯｒｉｇｉｎＤｅｔｅｃｔｏｒＦｉｒｅ-ＦｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ．Ｂｅｉ- ｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ2008 （张建民管海晏曹代勇等．中国地下煤火研究与治理．北 京：煤炭工业出版社2008） ［3］ ＢｕｓｔｉｎＲＭＭａｔｈｅｗｓＷ Ｈ．Ｉｎｓｉｔｕｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌａｎａｔｕｒａｌ ｅｘａｍｐｌｅ：ｈｉｓｔｏｒｙｐｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．ＣａｎＪ ＥａｒｔｈＳｃｉ198219：514 ［4］ ＢｕｓｔｉｎＲＭＭａｔｈｅｗｓＷ Ｈ．Ｉｎｓｉｔｕｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌａｎａｔｕｒａｌ ｅｘａｍｐｌｅ：ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｄａｔａｏｎｔｈｅＡｌｄｒｉｄｇｅＣｒｅｅｋｃｏａｌｆｉｒｅｓｏｕｔｈ- ｅａｓｔｅｒｎＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ．ＣａｎＪＥａｒｔｈＳｃｉ198522：1858 ［5］ ＶａｎＧｅｎｄｅｒｅｎＪＬ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍ- ｂｕｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈＣｈｉｎａｃｏａｌｆｉｅｌｄｓ∥ ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒ ＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｕｒｖｅｙａｎｄＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓ（ＩＴＣ）．Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ1997： 244 ［6］ ＷｅｓｓｌｉｎｇＳＫｕｅｎｚｅｒＣＫｅｓｓｅｌｓＷｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｕｒｆａｃｅａｎｏｍａｌｉｅｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌ ｆｉｒｅｓ．ＩｎｔＪＣｏａｌＧｅｏｌ20087：175 ［7］ ＨｕａｎｇＪＪＢｒｕｉｎｉｎｇＪＷｏｌｆＫＨＡＡ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｇａｓｆｌｏｗａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｆｉｒｅｓ．ＦｉｒｅＳａｆＪ2001 36：477 ［8］ ＬｉＴＳ．ＳｔｕｄｙｏｎＧａｓＳｅｅｐａｇｅａｎｄＨｅａｔ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＳｐｏｎｔａ- ｎｅｏｕｓＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆＣｏａｌｆｉｅｌｄＯｕｔｃｒｏｐ ［Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ： ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）2006：74 （李唐山．煤田露头自燃气体渗流和传热传质规律研究 ［学位 论文 ］．北京：中国矿业大学 （北京 ）2006：74） ［9］ ＫｏｂａｙａｓｈｉＨＨｏｗａｒｄＪＢＳａｒｏｆｉｍＡＦ．Ｃｏａｌｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｔ ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ∥16ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ （Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ） ｏｎＣｏｍｂｕｓ- ｔｉｏｎ．Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ：ＴｈｅＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ1977：411 ［10］ ＺｅｎｇＴＦＦｕＷ Ｂ．ＳｔｕｄｙｏｎｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔＣＯ／ＣＯ2ｏｆｂｕｒｎ- ｉｎｇｃａｒｂｏｎｓｕｒｆａｃｅ．ＣｏｍｂｕｓｔＦｌａｍｅ1996107：197 ·157·