工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟

D010.13374斤.issn00l53x.2010.06.00l 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vol32 No 6 2010年6月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Ju中2010 工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 李宗翔 贾进章)周志林2) 1)辽宁工程技术大学安全科学与工程学院.卓新1230002)营城煤炭集团有限责任公司华兴煤矿，九台130502 摘要结合华兴煤矿1318炮放面实例，运用数值模拟手段，描绘了工作面反风时采空区流场内漏风流，氧、QO和瓦斯各组 分气体，以及温度等的分布变动过程，给出了反风时沿工作面边界各组分气体涌出量的变化规律.模拟在反风后，场内各组分 气体含量分布重心发生倒置，原上游高温区被冷却，下游低温区逐渐转变为新的高温区，使采空区的温度上升过程重新回到 一个相对较低的温度起点，使自燃升温得到一定的延缓.反风后，场内0气体涌出量经历突降一回跳上升一缓慢衰减一再 逐渐增加的跳动过程.瓦斯涌出量在经历大幅度突降和回跳后，其增幅度不大.用埋管抽放的办法能够防止因反风导致工作 面内有害气体超限，同时给出了反风的实施条件，即必须确保采空区无明火 关键词采空区：气体分布：温度场：自燃：通风：数值模拟 分类号TD75寸2.2 Num erical si ulation of the change process of fiel variables distribution in goaf caused by ar reversing in work ng faces LI Zong_xang)JA Jin ang ZHOU Zhi 1)Colkge of Safet Sc ence and Ergneerng Lioning TechnicalUniversity Fuxn 123000 China 2)Huax ngMne Yingcheng CoalGroup Lm ited Liabilit Company Jutai130502 Chna ABSTRACT Based on No 1318 shooting case in Huaxing CoalMine he changng process of air leakage floy con ponen ts(oxy gen (and methane).and temperaure in he fow fied ofgoaf during air reversng were solved and described and the changing nule of gas emission volume of different compments apng he boundaries of the work ng ace while air eversing was given It is smulated that after air reversng the content distribution cen ters ofd ifferent com ponents are reversed the upper hgh tem peratue area is cooled down whil the pwer area w ith temperatre becomes a new h gh temperature area making he temperate rising process in goaf at a low start pont which is favorable pr spwing down the risng velocity of umperature and hus preventing spontaneous com bustian of coal from aak ing p lace Durng air eversing the em ission volum e ofCO)has a jmpng process of sudden decrease,ncrease,slow at tenuation.gradual increase After this process he increase range ofgas em ission volume becames s pwed By buying pipes p extract gas ham ful gases within the work ng face cod be prevented from exceeding lm it during air reversing At he same tme the cond i tion p realize air reversing is given namey there is no naked flme n goaf KEY WORDS goaf gas distrbu tion temperature fie spontaeous com bustion ven tilation numerical siu lation 当矿井进行通风系统改造，或当矿井因发生火 重新分布，涉及自燃与瓦斯等安全问题.目前，人们 灾启动反风时，往往涉及改变工作面原来的通风方 尚不了解采空区场量分布变动过程，及其灾害效应 向，即所谓通风换向问题（也称反风.从场流理论 的机理.采空区煤自燃、瓦斯或CO向工作面涌出， 观点上看，工作面一旦反风，不单是自身通风方向的 或者火区瓦斯爆炸等灾害效应，是漏风分布和氧，瓦 改变同时必然导致工作面后方采空区场内各量的 斯、CQ温度等各场量分布状态，工作面通风及开采 收稿日期：2009-09-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(NQ507040195辽宁工程技术大学博士启动资助项目(N92007-70DZ☑9) 作者简介：李宗翔(1962-)，男，教授，博士，Emai211@163cm

第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.6 Jun.2010 工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 李宗翔 1) 贾进章 1) 周志林 2 ) 1) 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院, 阜新 123000 2) 营城煤炭集团有限责任公司华兴煤矿, 九台 130502 摘 要 结合华兴煤矿 1318炮放面实例, 运用数值模拟手段, 描绘了工作面反风时采空区流场内漏风流, 氧、CO和瓦斯各组 分气体, 以及温度等的分布变动过程, 给出了反风时沿工作面边界各组分气体涌出量的变化规律.模拟在反风后, 场内各组分 气体含量分布重心发生倒置, 原上游高温区被冷却, 下游低温区逐渐转变为新的高温区, 使采空区的温度上升过程重新回到 一个相对较低的温度起点, 使自燃升温得到一定的延缓.反风后, 场内 CO气体涌出量经历突降—回跳上升—缓慢衰减—再 逐渐增加的跳动过程, 瓦斯涌出量在经历大幅度突降和回跳后, 其增幅度不大.用埋管抽放的办法能够防止因反风导致工作 面内有害气体超限, 同时给出了反风的实施条件, 即必须确保采空区无明火. 关键词 采空区;气体分布;温度场;自燃;通风;数值模拟 分类号 TD75 + 2.2 Numericalsimulationofthechangeprocessoffieldvariablesdistributioningoaf causedbyairreversinginworkingfaces LIZong-xiang1) , JIAJin-zhang1) , ZHOUZhi-lin2) 1) CollegeofSafetyScienceandEngineering, LiaoningTechnicalUniversity, Fuxin123000, China 2) HuaxingMine, YingchengCoalGroupLimitedLiabilityCompany, Jiutai130502, China ABSTRACT BasedonNo.1318 shootingcaseinHuaxingCoalMine, thechangingprocessofairleakageflow, components( oxy￾gen, COandmethane), andtemperatureintheflowfieldofgoafduringairreversingweresolvedanddescribed, andthechangingrule ofgasemissionvolumeofdifferentcomponentsalongtheboundariesoftheworkingfacewhileairreversingwasgiven.Itissimulated thatafterairreversingthecontentdistributioncentersofdifferentcomponentsarereversed, theupperhightemperatureareaiscooled downwhilethelowerareawithlowtemperaturebecomesanewhightemperaturearea, makingthetemperaturerisingprocessingoafat alowstartpoint, whichisfavorableforslowingdowntherisingvelocityoftemperatureandthuspreventingspontaneouscombustionof coalfromtakingplace.Duringairreversing, theemissionvolumeofCOhasajumpingprocessofsuddendecrease※increase※slowat￾tenuation※gradualincrease.Afterthisprocess, theincreaserangeofgasemissionvolumebecomesslowed.Byburyingpipestoextract gas, harmfulgaseswithintheworkingfacecouldbepreventedfromexceedinglimitduringairreversing.Atthesametime, thecondi￾tiontorealizeairreversingisgiven, namelythereisnonakedflameingoaf. KEYWORDS goaf;gasdistribution;temperaturefield;spontaneouscombustion;ventilation;numericalsimulation 收稿日期:2009--09--17 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No.50704019 );辽宁工程技术大学博士启动资助项目 ( No.2007--70DZ79 ) 作者简介:李宗翔 ( 1962— ), 男, 教授, 博士, E-mail:lizx6211@163.com 当矿井进行通风系统改造, 或当矿井因发生火 灾启动反风时, 往往涉及改变工作面原来的通风方 向, 即所谓通风换向问题 (也称反风 ) .从场流理论 观点上看, 工作面一旦反风, 不单是自身通风方向的 改变, 同时必然导致工作面后方采空区场内各量的 重新分布, 涉及自燃与瓦斯等安全问题 .目前, 人们 尚不了解采空区场量分布变动过程, 及其灾害效应 的机理.采空区煤自燃、瓦斯或 CO向工作面涌出, 或者火区瓦斯爆炸等灾害效应, 是漏风分布和氧 、瓦 斯、CO、温度等各场量分布状态, 工作面通风及开采 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .06 .001

。692 北京科技大学学报 第32卷 推进等多因素综合作用的结果-”.根据大量的采 Θ)1=o=Θ)o4=0=(在2上). 空区现场观测和理论计算可知，采空区场内各量的 式中，为第1类边界；为风压，P?为单位长度 分布呈非均匀状态，煤自燃高温区重心偏在进风一 工作面的风阻，N3。r?:L为工作面长度，四为 侧，瓦斯含量重心偏在回风一侧-.显然当改 工作面上距离下端口2点的位置，四Θ代表各组分 变通风方向后，工作面边界条件和采空区内漏风流 气体，9日)为新风流各气体组分的浓度，9Q)0= 方向会发生改变，场中各量分布重心位置也将发生 9.375 mol m=CH)o=0 molm; 变化.这里将该方案通过采空区场流数值模拟软件 温度：D为初始温度分布，取T=17℃. (G3)作详细模拟，给出这一特殊情况的流体力学 过程和安全性分析，为实际中必要的改变通风方向 2%内部酸风 时制定安全措施提供理论指导. (CH) 1算例计算定解条件与计算方案简介 采空区流场2 吉林营城矿业有限责任公司华兴煤矿1318炮 23 450m 放面在开采中期(2006年5月1日)，因生产需要更 图1华兴矿1318采空区（上行通风） 换工作面支架进行了一次通风换向，由下行通风改 Fg 1 No 1318 gaf in Huaxing CoalMne(upwad ventilat on 为上行通风.图1为1318面采场，其中Q为工作面 风量，9星为工作面向采空区漏入、漏出风量，9 将计算区域简化为矩形，以最充分自燃氧化条 为深部室熄边界漏风量，9CH)为采空区瓦斯绝对 件为计算背景，不考虑常温潜伏期，煤最短自然发火 涌出量，以上单位为m。mr' 期为17为衡量自燃对工作面的侵害，计算给出 在工作面边界上，边界条件为： CO分布和C0向工作面绝对涌入量指标YCO). D一「Q(L一)（上行通风时， 煤氧化产生CO量占总耗氧量的比率随温度变化关 P=rQ及下行通风时. 系由煤升温氧化实验得到（图2(）)，反推得O出 其他边界的边界条件为： 现的起始温度为183℃：由封闭氧化实验测得3煤 △P一0（在非漏风边界上方 层煤样氧化最低氧含量为3.%.现场观察采放后 q⊙)lr,=9Θ)%r,=B(在漏入新风边界 采空区煤矸松散层厚度为1.5四煤层厚度为 上 5.59=124mF=00093N3。m,Q=357m。 初始条件： m前，工作面推进度为1md「. 0.25 色叭 a 1.p +华兴矿3”层煤样 年12 工作面推进度1m ￥n.15 年010 20304050607080 20406080100 温度℃ 与工作面的距离m 图2采空区场基础参数.（网煤质CO产生量占总耗氧量比率：(b工作面推进1m广瓦斯浦出强度 Fig 2 Basi parme ers of the goaf fed (a mtp beween CO ouputgenerated by coaloxila tin and ol oxygen consumpton (b gas efusion n tensity whil the advance vepcity of the working face is1 m d 2反风时采空区各场量变动数值模拟分析 献[3引.参数kY。和W分别按测定工作面风量损 失和采空区气体取样数据由G3拟合确定.若不考 G3计算其他参数：渗透性系数k=5.923~ 虑反风时风流的非稳定过程下、上行通风换向时 168192㎡。Pa1。s.取耗氧速度常数%=411× 采空区风流发生了反转，各气体成分分布和温度 105mo4m3。s,瓦斯释放强度W=294X 的分布状态随风流改变发生变动.风流非线性渗 105-4619×104mokm2。s,变化规律见 流经迭代8次收敛9，区域剖分和风流计算结果 图2(b.冒落介质的煤放热与热容量参数参见文 详见图3

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 推进等多因素综合作用的结果 [ 1--7] .根据大量的采 空区现场观测和理论计算可知, 采空区场内各量的 分布呈非均匀状态, 煤自燃高温区重心偏在进风一 侧, 瓦斯含量重心偏在回风一侧 [ 1--3, 8] .显然, 当改 变通风方向后, 工作面边界条件和采空区内漏风流 方向会发生改变, 场中各量分布重心位置也将发生 变化.这里将该方案通过采空区场流数值模拟软件 (G3)作详细模拟 [ 2] , 给出这一特殊情况的流体力学 过程和安全性分析, 为实际中必要的改变通风方向 时制定安全措施提供理论指导 . 1 算例计算定解条件与计算方案简介 吉林营城矿业有限责任公司华兴煤矿 1318炮 放面在开采中期 ( 2006年 5月 1日 ), 因生产需要更 换工作面支架, 进行了一次通风换向, 由下行通风改 为上行通风 .图 1为 1318面采场, 其中 Q为工作面 风量, qL、q′L为工作面向采空区漏入 、漏出风量, q1 为深部窒熄边界漏风量, q(CH4 )为采空区瓦斯绝对 涌出量, 以上单位为 m 3 ·min -1 . 在工作面边界上, 边界条件为: p=r1 Q 2 (L-y) (上行通风时 ), p=r1 Q 2 y(下行通风时 ) . 其他边界的边界条件为: Δ p=0(在非漏风边界上 ); c( Θ) Γ1 =c(Θ) 0, t Γ1 =T0 (在漏入新风边界 上 ) . 初始条件: c( Θ) τ=0 =c( Θ) 0, t τ=0 =T0 (在 Ψ上 ) . 式中, Γ1 为第 1类边界 ;p为风压, Pa;r1 为单位长度 工作面的风阻, N·s 2 ·m -9;L为工作面长度, m;y为 工作面上距离下端口 2点的位置, m;Θ代表各组分 气体, c(Θ) 0为新风流各气体组分的浓度, c( O2 ) 0 = 9.375 mol·m -3 , c( CO) 0 =c(CH4 ) 0 =0 mol·m -3 ;t为 温度 ;T0 为初始温度分布, 取 T0 =17 ℃. 图 1 华兴矿 1318采空区 (上行通风 ) Fig.1 No.1318 goafinHuaxingCoalMine( upwardventilation) 将计算区域简化为矩形, 以最充分自燃氧化条 件为计算背景, 不考虑常温潜伏期, 煤最短自然发火 期为 17 d;为衡量自燃对工作面的侵害, 计算给出 CO分布和 CO向工作面绝对涌入量指标 q( CO). 煤氧化产生 CO量占总耗氧量的比率随温度变化关 系由煤升温氧化实验得到 (图 2( a) ), 反推得 CO出 现的起始温度为 18.3 ℃;由封闭氧化实验测得 3 #煤 层煤样氧化最低氧含量为 3.7%.现场观察采放后 采空区煤矸松散层厚度为 1.5 m.煤 层厚度为 5.5 m, L=124 m, r1 =0.009 3 N·s 2 ·m -9 , Q=357 m 3 · min -1 , 工作面推进度为 1 m·d -1 . 图 2 采空区场基础参数.(a) 煤质 CO产生量占总耗氧量比率;( b) 工作面推进 1m·d-1瓦斯涌出强度 Fig.2 Basicparametersofthegoaffield:( a) ratiobetweenCOoutputgeneratedbycoaloxidationandtotaloxygenconsumption;( b) gaseffusionin￾tensitywhiletheadvancevelocityoftheworkingfaceis1m·d-1 2 反风时采空区各场量变动数值模拟分析 G3计算其他参数 :渗透性系数 k=5.923 ～ 168.192 m 2 ·Pa -1 ·s -1 .取耗氧速度常数 γ0 =4.11 × 10 -5 mol· m -3 · s -1 , 瓦斯 释放强 度 Wg =2.94 × 10 -5 ～ 4.619 ×10 -4 mol· m -2 · s -1 , 变 化规律见 图 2( b).冒落介质的煤放热与热容量参数参见文 献[ 3] .参数 k、γ0 和 Wg分别按测定工作面风量损 失和采空区气体取样数据由 G3拟合确定 .若不考 虑反风时风流的非稳定过程, 下 、上行通风换向时 采空区风流发生了反转, 各气体成分分布和温度 的分布状态随风流改变发生变动 .风流非线性渗 流经迭代 8 次收敛 [ 9] , 区域剖分和风流计算结果 详见图 3. · 692·

第6期 李宗翔等：工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 693 100 100 等值线由外向内依次为 15、1.4、13和12 50 50 40 100 150 200 % 50 100 150 200 0 50 100 150200 r/用 仰 a b (c) 100 100 100 50 0 100 150200 50 100 150 200 0 50 100 150 200 m m x/m (d) e ) q=-464m.mr1,=49.723m.mr1,漏风量9=-3.329.mr,风压等值线差距5P?流线流量差距2m.mr:代表采空 区深度 图3换向上行通风时的采空区场模拟结果.（两剖分网格：（冒落碎胀系数分布：(9下行漏风流网（换向前）：（山上行漏风流网 (换向后)片(9上行通风速度场.=Q4685mmr!()上行流态三带和自燃三带 Fig 3 Smulticn esult of the gaf fied with the ventilatin reversed into he upward directop (a subd ivispn gr (b distrbutimn ofcaving bul king coeffic ient (c mesh of descending ainbw bepe reversing (d)mesh ofascend ng airbow after evesng (e ve pcit fel ofascending venti laton x=0 4685m m thee anes of ascending fbw smte and thee zones of spontneous conbustion 下行通风时，模拟在第9天采空区内部高温点 场量（瓦斯、氧、C0和温度）分布变化过程的模拟结 达到40.49℃，产生的C0汽体随漏风流从工作面下 果.其中，瓦斯分布变化经历21达到稳定，氧分 侧边界涌入工作面，YC0)=0.072。m前：瓦 布经1.04d哒到稳定：温度和0汽体含量的分布 斯的涌出量9YCH)=3.12n。mr1 随时间不断升高 图4~图6为工作面通风方向改变时采空区各 由于工作面向采空区漏风，采空区漏风流上游 100 100 100 0 0 50 100 150 200 50 100150 200 50 100 150 200 m mn od 02448d 0.4346d 100 100 号 50 50 100 150 200 o 50 100150200 0 100 150 dm m m 1.0369d 15040d 29858d 图4通风换向后瓦斯的体积分数分布的变动过程大约在3d后达到稳定) Fg4 Changing process ofmehane content in gonfafer air reversing reaching stble stte afer3 d 进风侧煤受氧化的程度较高，因漏风流的沿程耗氧， 过模拟计算，大约在距离工作面50m深处形成升温 采空区煤氧化自燃重心偏在漏风上游进风侧).通 区，升温区内煤氧化强烈，产生大量C)并随漏风流

第 6期 李宗翔等:工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 qL=-46.4m3·min-1 , q′L=49.723m3·min-1 , 漏风量 q1 = -3.329m3·min-1 , 风压等值线差距 5Pa, 流线流量差距 2m3·min-1 ;x代表采空 区深度 图 3 换向上行通风时的采空区场模拟结果.( a) 剖分网格;( b) 冒落碎胀系数分布;( c) 下行漏风流网 (换向前 ) ;( d) 上行漏风流网 (换向后 ) ;(e) 上行通风速度场, vmax=0.468 5m·min-1;( f) 上行流态三带和自燃三带 Fig.3 Simulationresultofthegoaffieldwiththeventilationreversedintotheupwarddirection:( a) subdivisiongrid;( b) distributionofcavingbul￾kingcoefficient;( c) meshofdescendingairflowbeforereversing;( d) meshofascendingairflowafterreversing;(e) velocityfieldofascendingventi￾lation, vmax=0.468 5m·min-1 ;( f) threezonesofascendingflowstateandthreezonesofspontaneouscombustion 下行通风时, 模拟在第 9天采空区内部高温点 达到 40.49℃, 产生的 CO气体随漏风流从工作面下 侧边界涌入工作面, q( CO) =0.072 m 3 ·min -1 , 瓦 斯的涌出量 q(CH4 ) =3.12 m 3 ·min -1. 图 4 ～图 6为工作面通风方向改变时采空区各 场量 (瓦斯 、氧 、CO和温度 )分布变化过程的模拟结 果.其中, 瓦斯分布变化经历 2.1 d达到稳定, 氧分 布经 1.04 d达到稳定;温度和 CO气体含量的分布 随时间不断升高. 由于工作面向采空区漏风, 采空区漏风流上游 图 4 通风换向后瓦斯的体积分数分布的变动过程 (大约在 3d后达到稳定 ) Fig.4 Changingprocessofmethanecontentingoafafterairreversing( reachingstablestateafter3d) 进风侧煤受氧化的程度较高, 因漏风流的沿程耗氧, 采空区煤氧化自燃重心偏在漏风上游进风侧 [ 2] .通 过模拟计算, 大约在距离工作面 50 m深处形成升温 区, 升温区内煤氧化强烈, 产生大量 CO, 并随漏风流 · 693·

。694 北京科技大学学报 第32卷 弥散移动，形成大面积的CO高含量区域CO升高 角处，见图5和图6 区相对升温区向内偏移，直至蔓延到采空区回风隅 当工作面通风由下行风改为上行风（反风）以 100 100 100 0 50 5s0 50 100 150 200 50 100 150 200 50 100 150 200 中 od 0.1042d 02448d 100 100 100 50 10 50 50 100 150 200 50 100150 200 50100150 200 /明 m dm 04346d 0.6909d 1.0369d 100 10 100 50 100 150 200 50100 150 2 50 100 150 200 xm 0d 0.1042d 0.4346d 00 100 50 50 50 100 150 200 50 100 150 100 150 2M0 m /精 1.0369d 29858d 5.9858d 图5通风换向后氧和0含量分布的变动过程.（两氧体积分数分布的变动过程（大约在1d后达到稳定）：(C体积分数分布的变动 过程 Fig 5 Changing pocess of ooygen and CO contents after air direction reversing (a changing pocess of the distrbution of ooygen content(after1 d it reaches steady:(b changing process of he distrbutin ofO content 后，采空区升温区域重新分布.原来（下行风）处 工作面的绝对量在历时不到半天时间内出现一个 在漏风上游的高温区逐渐变成了漏风下游的低氧 突降一回跳现象，然后再经历较长时间(4山的下 含量区，因得不到充足的氧供给，不能继续维持升 降和回升波动现象.这是因为原来下行通风时采 温，反而因向底板及周围散热而被冷却.从图7 空区漏入风侧距工作面20m处形成CO含量低平 (马曲线看出，采空区温度不但没有继续上升，反区带，然后是在深部升温区上形成CO含量升高区 而略有降低，温度平稳走低时间约为4以后温度 (团)，改为上行通风后，先是CO分布“低平带”风 上升也相对有所放缓.这是因为原来处在漏风下 流穿过工作面边界线而形成CO绝对涌出量的突 游的低温区在高氧含量条件下，开始出现了从低 降，持续时间为0.2随后是原下行通风火温区上 温氧化到升温的成长过程，但采空区总体自燃进 的CO含量升高区被排出，形成CO绝对涌出量的 程被延缓 突增走高（回跳），见图7（以，C0汽体被排净稳定 如图7(b所示，在换向时，场内CO汽体涌入 时间为1d

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 弥散移动, 形成大面积的 CO高含量区域, CO升高 区相对升温区向内偏移, 直至蔓延到采空区回风隅 角处, 见图 5和图 6. 当工作面通风由下行风改为上行风 (反风 )以 图 5 通风换向后氧和 CO含量分布的变动过程.(a) 氧体积分数分布的变动过程(大约在 1d后达到稳定 ) ;( b) CO体积分数分布的变动 过程 Fig.5 ChangingprocessofoxygenandCOcontentsafterairdirectionreversing:( a) changingprocessofthedistributionofoxygencontent( after1 ditreachessteady) ;( b) changingprocessofthedistributionofCOcontent 后, 采空区升温区域重新分布.原来 (下行风 )处 在漏风上游的高温区逐渐变成了漏风下游的低氧 含量区, 因得不到充足的氧供给, 不能继续维持升 温, 反而因向底板及周围散热而被冷却 .从图 7 ( a)曲线看出, 采空区温度不但没有继续上升, 反 而略有降低, 温度平稳走低时间约为 4 d, 以后温度 上升也相对有所放缓 .这是因为原来处在漏风下 游的低温区在高氧含量条件下, 开始出现了从低 温氧化到升温的成长过程, 但采空区总体自燃进 程被延缓. 如图 7( b)所示, 在换向时, 场内 CO气体涌入 工作面的绝对量在历时不到半天时间内出现一个 突降—回跳现象, 然后再经历较长时间 ( 4 d)的下 降和回升波动现象 .这是因为原来下行通风时采 空区漏入风侧距工作面 20 m处形成 CO含量低平 区带, 然后是在深部升温区上形成 CO含量升高区 (团 ), 改为上行通风后, 先是 CO分布 “低平带 ”风 流穿过工作面边界线而形成 CO绝对涌出量的突 降, 持续时间为 0.2 d;随后是原下行通风火温区上 的 CO含量升高区被排出, 形成 CO绝对涌出量的 突增走高 (回跳 ), 见图 7( b), CO气体被排净稳定 时间为 1 d. · 694·

第6期 李宗翔等：工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 695 100 100 50 50 100 150200 50 100 150 200 50 100 150 200 明 od 1.0369d 2.9858d 100 100 50 50 50 100 150 200 50 100 15S0 200 50 100 150 200 用 行 Jm 49858d 6.9858d 89858d 氧化速度常数Y。=411X10-5mo例r3.*1,煤氧化升温率b=0024℃-1 图6换向上行通风后的采空区场温度分布的变化过程 Fg6 Changng pocess of tmperatre n the goaf fie Hwit the ventila tion reversed into upwad direction 0 0.20rh 一正常通风氧化进程 40 …正常通风氧化进程 换向上行通风 35 一换向上行通风氧化进程 0.16 氧化进程 25 50 0.12 o …正常通风氧化进程 一换向上行通风氧化进程 1.0 4 812 1620 05g90i立345167189 时间d 时间： 时间d 图7换向上行通风时采空区高温点和0瓦斯涌入量的变化曲线.()高温点温度变化：（采空区CO汽体涌出量变化：(9采空区 瓦斯涌出量变化 Fig 7 Hgh tempe rture points and emission volme curves of(O and methane wih the ventilaton eversed no upwad directicn (a)change n mperatre of the h gher tempemue point (b change ofCO em issin quantit n goof (c change of gas emission quantity in goaf 瓦斯分布变动情况与CO相类似也存在一个 燃进程的延缓.图8给出了1318工作面当配合喷 突降一回跳现象.所不同的是，瓦斯高含量分布重 洒阻化剂和适当加快工作面推进速度的理论对比结 心总在下游漏回风侧，上游进风侧瓦斯含量分布 果，延迟效果更加明显：甚至，在同时采取喷洒阻化 “低平带”范围更大“低平带”被排出的时间更长， 剂和采空区注水等防火技术措施后，氧化速度得到 图7(9中，“突降一回跳”变化的持续时间为26￠ 控制. 由于在原升温区上不存在如同O哪样的局部高含 1318工作面开采的3煤层，自然发火十分严 量分布团，随后的瓦斯涌出量峰值增幅也不大 重，最短自然发火期17d根据以往的开采经验， (15%,直至逐渐稳定到与原下行通风时的涌出量 自开面起一个月后，回风道CO的体积分数就达到 值相当. 《煤矿安全规程》限定指标0.0024%，后期经过缩 另一个现象是，在进风一侧，氧被进风隅角（原 风来维持开采进程（瓦斯不大）推进3~4个月 来回风隅角)的次高温区域大量吸附，造成在回风 后，回风流中CO达到0.02%以上，必须封闭工作 隅角区域的氧含量更低.可见，反风使采空区耗氧 面再重新拉开切眼回采.此次通风换向后，工作面 强度趋向于均匀.由于局部高温点产生是耗氧自燃 开采继续推进120四历时4个月，未发生C0严重 极端局部化的结果通风换向可以打破这一不利 超限的现象.分析其原因，除了实行采空区注水、 局面. 喷洒阻化剂等技术措施（以往也曾采用过这些措 显然，从理论上，反风对自燃的影响只能是对自 施)以外，另一重要因素与换向通风延缓自燃有很

第 6期 李宗翔等:工作面反风时采空区场量分布变动的数值模拟 氧化速度常数 γ0 =4.11×10 -5 mol·m-3·s-1 , 煤氧化升温率 bt=0.024℃-1 图 6 换向上行通风后的采空区场温度分布的变化过程 Fig.6 Changingprocessoftemperatureinthegoaffieldwiththeventilationreversedintoupwarddirection 图 7 换向上行通风时采空区高温点和 CO、瓦斯涌入量的变化曲线.( a) 高温点温度变化;( b) 采空区 CO气体涌出量变化;( c) 采空区 瓦斯涌出量变化 Fig.7 HightemperaturepointsandemissionvolumecurvesofCOandmethanewiththeventilationreversedintoupwarddirection:( a) changein temperatureofthehighertemperaturepoint;( b) changeofCOemissionquantityingoaf;(c) changeofgasemissionquantityingoaf 瓦斯分布变动情况与 CO相类似, 也存在一个 突降—回跳现象 .所不同的是, 瓦斯高含量分布重 心总在下游漏回风侧, 上游进风侧瓦斯含量分布 “低平带 ”范围更大, “低平带 ”被排出的时间更长, 图 7( c)中, “突降 —回跳”变化的持续时间为 2.6 d; 由于在原升温区上不存在如同 CO那样的局部高含 量分布团, 随后的瓦斯涌出量峰值增幅也不大 ( 15%), 直至逐渐稳定到与原下行通风时的涌出量 值相当 . 另一个现象是, 在进风一侧, 氧被进风隅角 (原 来回风隅角 )的次高温区域大量吸附, 造成在回风 隅角区域的氧含量更低.可见, 反风使采空区耗氧 强度趋向于均匀 .由于局部高温点产生是耗氧自燃 极端局部化的结果, 通风换向可以打破这一不利 局面. 显然, 从理论上, 反风对自燃的影响只能是对自 燃进程的延缓 .图 8给出了 1318工作面当配合喷 洒阻化剂和适当加快工作面推进速度的理论对比结 果, 延迟效果更加明显;甚至, 在同时采取喷洒阻化 剂和采空区注水等防火技术措施后, 氧化速度得到 控制 . 1318工作面开采的 3 #煤层, 自然发火十分严 重, 最短自然发火期 17 d.根据以往的开采经验, 自开面起一个月后, 回风道 CO的体积分数就达到 《煤矿安全规程 》限定指标 0.002 4%, 后期经过缩 风来维持开采进程 (瓦斯不大 ), 推进 3 ～ 4 个月 后, 回风流中 CO达到 0.02%以上, 必须封闭工作 面再重新拉开切眼回采 .此次通风换向后, 工作面 开采继续推进 120 m, 历时 4个月, 未发生 CO严重 超限的现象 .分析其原因, 除了实行采空区注水 、 喷洒阻化剂等技术措施 (以往也曾采用过这些措 施 )以外, 另一重要因素与换向通风延缓自燃有很 · 695·

·696 北京科技大学学报 第32卷 游分布非对称性有关53，非对称性越强，效果 65r 越好. 60 (2)在反向通风过程中，采空区内的C0和瓦 斯向工作面回风隅角的绝对涌出量出现“突降一回 50 跳”变化，O绝对涌出量略有增大（约0.5时间方 45 …推进度1md 瓦斯绝对涌出量在5内最大增幅度约1%.用埋 40 一推进度15m -推进度1.5m 管（瓦斯）抽放方法能够解决或抵消因反风引起的 35 阻化率0.2 工作面有害气体超限带来的影响. 012141618202224 时间d (3)反风的另一个危险是可能遇到采空区瓦斯 图8各条件下高温点温度成长过程 爆炸问题.如果必须反风时，先应确保采空区内无 Fg 8 Temperature rising process of h mpemue points under 明火.可依据监测自燃标志性气体（如GH和 different oond itins CH来加以判断：在自燃的早期氧化阶段实施，换 大的关系 向时机不应超过亚自燃阶段 (4)工作面反风容易造成短时期采场风流紊乱 3工作面反风实施的安全性分析 和采空区有害气体异常涌出，其直接原因是反风导 反风使原来回风隅角的有害气体随漏回风 致采空区场“腔体”内部的场量分布的变动. 流直接进入工作面，严重时在短时间内会对工作面 参考文献 起毒害作用.为了避免这一情况的出现，应采用抽 I LiZX WeiY Q Sun S J Gas solid coupling tempemature fiel 放的办法来解决（在准备时间充分的情况下），须在 i heteogeneous goaf solved by upw ind finite element JKurming 新的回风巷预先铺设抽放管，在换风时及时进行回 Univ Sci Technol Sci Technol 2004 29(2):5 风隅角有害气体抽放.反风的另一个安全问题是采 (李宗翔，韦涌清，孙世军非均质采空区气一固耦合温度场迎 空区危险含量瓦斯高氧着火点三者分布重合的 风有限元求解.昆明理工大学学报：理工版，200429(2： 5) 问题.改向通风后，高温区处在回风下游，同时瓦斯 13 LiZX Wang X D W ang B Rea lization and application of m 含量分布重心的也逐渐转向该处，在极端情况下 merical smulatng program (G)fr fiel fkw of goaf J Hunan (高温区有着火点)相遇会发生爆炸.因此反风时 UnN SciTechnolNat SciEd 2005 20(3)16 应严格掌握采空区早期自燃氧化状态，及时检查分 (李宗翔，王晓冬，王波.采空区场流数值模拟程序（⑧）实现 析采空区内气体成分，如果己经发现采空区有如 与应用.湖南科技大学学报：自然科学版，2005203：16) 【3 LiZX WuZ JW angZ Numeml smuati知model and app li GH和CH等气体释放出来或见到烟雾和明火， caton of temperaure rise pocess caused by natumlly bum of 应禁止实施换向调风，以免采空区发生瓦斯爆炸. ossed coal in gaf J Saf Enviro四20044(6)：58 当采空区瓦斯含量较高且不了解采空区温度状态的 (李宗翔，吴志君，王振祥.采空区遗煤自燃升温过程的数值 情况下应慎重实施.另外，《煤矿安全规程》中也有 模型及其应用.安全与环境学报，20044(6)：58) 4 HeQI.W ang DM Nume rical siulation of spontmneous com “高瓦斯矿井禁止使用下行风”的规定，华兴煤矿属 bustion process in goaf areas by fully mechanized and caving oof 于低瓦斯矿井，1318采空区瓦斯含量持续较低，在 coa]JChina UnivMin Tecnol 2004 33(1):11 严格监测采空区气体成分的情况下，成功地完成了 (何启林，王德明.综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值 通风换向. 模拟.中国矿业大学学报，200433(1)：11) 【习LIZ X WuQ W ang ZQ Distrbutg知characteristic of rmmai 4结论 nng coal oxygen consum Ption and spon taneous conbustion heating up in gonf JChina CoalSoc 2009.34(5):667 (1)理论分析得到，通风换向（反风）不会对 (李宗翔.吴强，王志清.自燃采空区耗氧升温的区域分布特 采空区自燃产生不利影响.工作面上下行通风换 征.煤炭学报.2009.345)：667) 向，使采空区内非均衡的自燃氧化（带重心及升 I LiZX Wang JR ZhouX H Numericalsmultin ofgas drain 温)区由一端升温改变为反风时的两端此消彼长 age during open reg ion movem ent in goaf J China UnivMin Tech n%200433(1):74 升温降温的格局，从而使自燃时间进程相应延 (李宗翔，王继仁，周西华.采空区开区移动瓦斯抽放的数值 长.这一结论阐释了反风延缓自燃进程的机理，并 模拟.中国矿业大学学报，200433(1：74 为实践所验证.延缓自燃程度与采空区场量上下 下转第718页)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 8 各条件下高温点温度成长过程 Fig.8 Temperaturerisingprocessofhightemperaturepointsunder differentconditions 大的关系. 3 工作面反风实施的安全性分析 反风使原来回风隅角的有害气体 CO随漏回风 流直接进入工作面, 严重时在短时间内会对工作面 起毒害作用 .为了避免这一情况的出现, 应采用抽 放的办法来解决 (在准备时间充分的情况下 ), 须在 新的回风巷预先铺设抽放管, 在换风时及时进行回 风隅角有害气体抽放 .反风的另一个安全问题是采 空区危险含量瓦斯 --高氧--着火点三者分布重合的 问题.改向通风后, 高温区处在回风下游, 同时瓦斯 含量分布重心的也逐渐转向该处, 在极端情况下 (高温区有着火点 )相遇会发生爆炸 .因此, 反风时 应严格掌握采空区早期自燃氧化状态, 及时检查分 析采空区内气体成分, 如果已经发现采空区有如 C2 H4 和 C2 H2 等气体释放出来, 或见到烟雾和明火, 应禁止实施换向调风, 以免采空区发生瓦斯爆炸 . 当采空区瓦斯含量较高且不了解采空区温度状态的 情况下应慎重实施.另外, 《煤矿安全规程 》中也有 “高瓦斯矿井禁止使用下行风”的规定 .华兴煤矿属 于低瓦斯矿井, 1318采空区瓦斯含量持续较低, 在 严格监测采空区气体成分的情况下, 成功地完成了 通风换向. 4 结论 ( 1) 理论分析得到, 通风换向 (反风 )不会对 采空区自燃产生不利影响 .工作面上下行通风换 向, 使采空区内非均衡的自燃氧化 (带重心及升 温 )区由一端升温改变为反风时的两端此消彼长 升温 --降温的格局, 从而使自燃时间进程相应延 长 .这一结论阐释了反风延缓自燃进程的机理, 并 为实践所验证 .延缓自燃程度与采空区场量上下 游分布非对称性有关 [ 5, 7, 10] , 非对称性越强, 效果 越好. ( 2) 在反向通风过程中, 采空区内的 CO和瓦 斯向工作面回风隅角的绝对涌出量出现 “突降—回 跳”变化, CO绝对涌出量略有增大 (约 0.5 d时间 ); 瓦斯绝对涌出量在 5 d内最大增幅度约 15%.用埋 管 (瓦斯 )抽放方法能够解决或抵消因反风引起的 工作面有害气体超限带来的影响 . ( 3) 反风的另一个危险是可能遇到采空区瓦斯 爆炸问题 .如果必须反风时, 先应确保采空区内无 明火 .可依据监测自燃标志性气体 (如 C2 H4 和 C2H2 )来加以判断 ;在自燃的早期氧化阶段实施, 换 向时机不应超过亚自燃阶段 . ( 4) 工作面反风容易造成短时期采场风流紊乱 和采空区有害气体异常涌出, 其直接原因是反风导 致采空区场“腔体”内部的场量分布的变动. 参 考 文 献 [ 1] LiZX, WeiYQ, SunSJ.Gas-solidcouplingtemperaturefield inheterogeneousgoafsolvedbyupwindfiniteelement.JKunming UnivSciTechnolSciTechnol, 2004, 29 ( 2) :5 (李宗翔, 韦涌清, 孙世军.非均质采空区气--固耦合温度场迎 风有限元求解.昆明理工大学学报:理工版, 2004, 29( 2 ): 5) [ 2] LiZX, WangXD, WangB.Realizationandapplicationofnu￾mericalsimulatingprogram ( G3 ) forfieldflowofgoaf.JHunan UnivSciTechnolNatSciEd, 2005, 20( 3 ):16 (李宗翔, 王晓冬, 王波.采空区场流数值模拟程序 ( G3 )实现 与应用.湖南科技大学学报:自然科学版, 2005, 20( 3) :16) [ 3] LiZX, WuZJ, WangZX.Numeralsimulationmodelandappli￾cationoftemperatureriseprocesscausedbynaturallyburnof lossedcoalingoaf.JSafEnviron, 2004, 4 ( 6) :58 (李宗翔, 吴志君, 王振祥.采空区遗煤自燃升温过程的数值 模型及其应用.安全与环境学报, 2004, 4 ( 6) :58) [ 4] HeQL, WangDM.Numericalsimulationofspontaneouscom￾bustionprocessingoafareasbyfully-mechanizedandcavingroof coal.JChinaUnivMinTechnol, 2004, 33 ( 1) :11 (何启林, 王德明.综放面采空区遗煤自然发火过程动态数值 模拟.中国矿业大学学报, 2004, 33 ( 1) :11) [ 5] LIZX, WuQ, WangZQ.Distributioncharacteristicofremai￾ningcoaloxygenconsumptionandspontaneouscombustionheating￾upingoaf.JChinaCoalSoc, 2009, 34( 5 ) :667 (李宗翔, 吴 强, 王志清.自燃采空区耗氧--升温的区域分布特 征.煤炭学报, 2009, 34( 5 ) :667 ) [ 6] LiZX, WangJR, ZhouXH.Numericalsimulationofgasdrain￾ageduringopenregionmovementingoaf.JChinaUnivMinTech￾nol, 2004, 33( 1 ) :74 (李宗翔, 王继仁, 周西华.采空区开区移动瓦斯抽放的数值 模拟.中国矿业大学学报, 2004, 33( 1 ) :74) (下转第 718页 ) · 696·

。718 北京科技大学学报 第32卷 ion powder Int JMiner Pocss 1987.19 285 Meal198218(1片45 10]ELTavil SZ Morsi IM Yehia A Reductive roasting of imen 14 Li W I.The applica tin of themagnetiteyiekl oastng technol ite ore CanMetllQ 19%35(1):31 gy p the teament of SAs gold concentte GoH 2000.21 11]Uwadak G GOQ Magnetizing eductin of irn oes Miner (12h26 ProcessExtr MetallRey 1992 11(1):1 (刘万灵缺氧磁化焙烧技术用于处理硫砷金精矿.黄金， 12]Zhu J Expermenl Research and Industrialiton of Ore 200021(12):26 Dressng Beijng Metallurgical Industry Press 2004 441 【l习ZhangM」M neml PocesngManual3 rdVokme3 rd Fasci (朱俊士.选矿试验研究与产业化.北京：治金工业出版社， cul Beijng Menlurgical Indistry Press 1991 46 2004441) (张卯均.选矿手册.第3卷，第3分册.北京：治金工业出版 13]Arinez M Bisonad E FpresH et al Benefic iation of bv. 社.1991：46 grade ion ores by a reducing roast and magnetic separa tion Rev (上接第696页) 【刁LizX WuQ XoYN Numerical smultin of the cupling pr caving hete rogneous flat fbw fiel Mech Eng 2007 29(2) action mechan ism of spontaneous combustion and gas effusion in 28 af JChna UnivMn Techno]2008 37(1):38 (李宗翔，孟宪臣，纪传仁·冒落非均质平面流场非达西渗流 李宗翔，吴强，肖亚宁.采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研 新迭代算法.力学与实践，2007,29(2片28) 究.中国矿业大学学报，200837(1)：38) 【1 Zhang X H XiG Xu JC Paniti知of pontaneous combusti知 【习Li Z G Computer Si加uhta知and Forecast of Ventilation and dangeous ame and predicton of spon taneous conbustion based Sa fety Eng ineering Beijing Coal Industry Press 1996 on numerically modeling he flow fiel at fullym echanized cav ing (刘泽功.通风安全工程计算机模拟与预测.北京：煤炭工业 ace JUniv SciTechnol Beijng 2005.27(6):641 出版社，1996) (张辛亥，席光徐精彩.基于流场模拟的综放面自燃危险区 【9 LiZX MengX C JiCR NonDarcy seepar您iemtive a poritm 域划分及预测.北京科技大学学报，200527(6)：641)

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