工程科学学报，第38卷，第8期：1050-1058,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1050-1058,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.002:http://journals..ustb.edu.cn 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 张英华12》，周佩玲12，黄志安12区，高玉坤2)，袁飞3) 1）)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学矿山避险技术研究中心，北京100083 3)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000834)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:huang_za(@qg.com 摘要在·+L型通风条件下，联络巷的存在对采空区遗煤自燃有重要的影响，为保证矿井安全生产，并为预防遗煤自燃 提供依据，根据煤体低温氧化的反应机理，使用UDF将煤氧反应的机理编入FLUENT,对联络巷存在时采空区氧化升温带的 分布规律进行多场耦合数值模拟研究·结果表明：联络巷的存在使采空区内风流场、氧浓度场及温度场都发生变化，氧化升 温带不仅向回风侧偏移，而且向采空区深部移动且变宽：联络巷与工作面的距离影响氧化升温带的宽度，联络巷距工作面 20m时氧化升温带宽度最大约为25m:反应进行10d后，0+L型通风下采空区高温点的升温速率可达1.24K·d',是U型通 风的1.5倍，但联络巷相对工作面的位置对高温点几乎没有影响：与U型通风时相比，U+L通风时回风侧的温度场中联络巷 口温度最高，而且比U型通风时相同坐标位置的温度平均每天高出4K,随着联络巷与工作面距离的不断增加，联络巷口升温 速率由0.1K·d可升至0.9Kd,这在整体温度场中虽然不属于高温区域，但具有很好的升温潜质. 关键词联络巷：采空区：氧化：升温；数值模拟 分类号TD752 Multi-field coupling numerical simulation of the crossheading effect on oxidization and heat accumulation zones in gob areas ZHANG Ying-hua,ZHOU Pei-ing,HUANG Zhi-an,GAO Yu-kun'),YUAN Fei) 1)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mine Emergeney Technology Research Center,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:huang_za@qq.com ABSTRACT Under the ventilation condition of U+L,a crossheading has important impact on spontaneous combustion of residual coal in a gob area.In order to ensure mine safety and obtain parameters to prevent spontaneous combustion of residual coal,on the basis of the mechanism of coal oxidation and using UDF to incorporate the reaction mechanism into FLUENT,multi-field coupling numerical simulation was performed to study the distribution law of the oxidization and heat accumulation zone in a gob with a cross- heading.The results show that the air flow field,oxygen concentration field and temperature field all change when the crossheading exists,the oxidization and heat accumulation zone not only offsets to the return-side but also becomes deeper and wider.The distance between the crossheading and working surface affects the width of the oxidization and heat accumulation zone,and when it is 20 m,the maximum width is approximately 25m.After 10 d of reaction,the heating rate at the high temperature point can reach 1.24 Kdin 收稿日期：20150906 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474017)
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1050--1058，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1050--1058，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 张英华1，2) ，周佩玲1，2) ，黄志安1，2) ，高玉坤1，2) ，袁 飞3，4) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学矿山避险技术研究中心，北京 100083 3) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 4) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: huang_za@ qq． com 摘 要 在 U + L 型通风条件下，联络巷的存在对采空区遗煤自燃有重要的影响． 为保证矿井安全生产，并为预防遗煤自燃 提供依据，根据煤体低温氧化的反应机理，使用 UDF 将煤氧反应的机理编入 FLUENT，对联络巷存在时采空区氧化升温带的 分布规律进行多场耦合数值模拟研究． 结果表明: 联络巷的存在使采空区内风流场、氧浓度场及温度场都发生变化，氧化升 温带不仅向回风侧偏移，而且向采空区深部移动且变宽; 联络巷与工作面的距离影响氧化升温带的宽度，联络巷距工作面 20 m时氧化升温带宽度最大约为 25 m; 反应进行 10 d 后，U + L 型通风下采空区高温点的升温速率可达 1. 24 K·d － 1，是 U 型通 风的 1. 5 倍，但联络巷相对工作面的位置对高温点几乎没有影响; 与 U 型通风时相比，U + L 通风时回风侧的温度场中联络巷 口温度最高，而且比 U 型通风时相同坐标位置的温度平均每天高出 4 K，随着联络巷与工作面距离的不断增加，联络巷口升温 速率由 0. 1 K·d － 1可升至 0. 9 K·d － 1，这在整体温度场中虽然不属于高温区域，但具有很好的升温潜质． 关键词 联络巷; 采空区; 氧化; 升温; 数值模拟 分类号 TD75 + 2 收稿日期: 2015--09--06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474017) Multi-field coupling numerical simulation of the crossheading effect on oxidization and heat accumulation zones in gob areas ZHANG Ying-hua1，2) ，ZHOU Pei-ling1，2) ，HUANG Zhi-an1，2) ，GAO Yu-kun1，2) ，YUAN Fei3，4) 1) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines ( Ministry of Education) ，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Mine Emergency Technology Ｒesearch Center，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 4) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: huang_za@ qq． com ABSTＲACT Under the ventilation condition of U + L，a crossheading has important impact on spontaneous combustion of residual coal in a gob area． In order to ensure mine safety and obtain parameters to prevent spontaneous combustion of residual coal，on the basis of the mechanism of coal oxidation and using UDF to incorporate the reaction mechanism into FLUENT，multi-field coupling numerical simulation was performed to study the distribution law of the oxidization and heat accumulation zone in a gob with a crossheading． The results show that the air flow field，oxygen concentration field and temperature field all change when the crossheading exists，the oxidization and heat accumulation zone not only offsets to the return-side but also becomes deeper and wider． The distance between the crossheading and working surface affects the width of the oxidization and heat accumulation zone，and when it is 20 m，the maximum width is approximately 25 m． After 10 d of reaction，the heating rate at the high temperature point can reach 1. 24 K·d － 1 in
张英华等：联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 *1051· the U+L ventilation system,which is 1.5 times that in the U ventilation system.However,the position of the crossheading has little effect on the high temperature point.The temperature nearby the crossheading is the highest in the return-side temperature field of the U+L ventilation system,and the average temperature is 4K higher than the same location temperature in the U system per day.With increasing distance from the crossheading to working face,the heating rate in the crossheading rim increases from 0.I K.d"to 0.9K'd-.Although the crossheading does not belong to the high temperature region in the whole temperature field,it has good warming potential. KEY WORDS crossheading:gob areas;oxidization:temperature rise:numerical simulation 采空区遗煤自燃是煤矿灾害的主要来源之一，严 + 重威胁煤矿安全生产，在U+L通风下，联络巷对采空 区自燃的影响不容忽视.目前，对于采空区自燃“三 带”的研究，国内外许多学者都主要集中在·型通风 采空区”，通过理论分析、实验研究和数值模拟四对风 华)-m 流场和氧浓度场中自燃“三带”的分布规律进行研究， 在一定程度上反应了实际情况B,而温度场的研究 成果则较少 同时，苏全治可就U+L通风条件下，联络巷的存 ps(+0,+0) 在对压力场和风流场的影响进行研究-0，结果表明 是K盟)+品K+(K出)-0 联络巷的存在使采空区内的压力场发生变化，从而导 (1) 致风流场中自燃带向联络巷偏移并且变宽，自燃的危 该多元方程组为结合了扩散与对流扩散的传质、 险性增加，联络巷对采空区自燃的影响不可忽视.然 化学反应、传热和动量传输的控制方程，其定解的条件 而，单一的研究压力场或者风流场，并不能从根本上反 如表1.其中，x、y和z为三维空间坐标，Q为漏风的比 映采空区的自燃特性.遗煤的自燃主要是由于煤氧反 流量，是在与流动方向垂直的每个截面上的单位流量， 应放热使温度达到自燃点，从而导致自燃，所以温度作 ms:K为绝对渗透率，假设多孔介质为各向同性，根 为自燃的指标之一，具有更重要的研究意义.采空区 据实验数据K,=K=K.=1×106ms:C为02的质 作为多孔介质，遗煤的自燃是孔隙率、漏风流、煤氧反 量分数，取24%；D为氧气在煤体中的扩散系数，cm2· 应、传热导热之间相互作用的结果.因此，将流场 s:T为温度，℃：V(T)为实际耗氧速率，mol·s· 和温度场结合起来，从多场耦合的角度，对联络巷存在 cm3;H为热力分压，Pa;q(T)为煤氧氧化反应放热热 时，采空区的氧化升温带进行研究，更接近实际情况， 源项，Jp。和p。分别为固相和气相密度，gcm3;c.和 对生产具有重要的意义 c,分别为固相和气相比热容，J·gK:入。为固相导 热系数，Jcm·slKl:x为时间，s.定解条件中，s 1采空区多场耦合模型的建立 是漏风边界，Q。是由系统压差、巷道起伏、局部阻力等 1.1采空区多场耦合的数学模型 引起的漏风量总和，Q,是由热力风压引起的漏风量； 采空区是由冒落岩体和遗煤组成的多孔介质体 C。为初始氧气质量分数；C,为煤体供风表面氧气质量 系，其自然发火是内部压力场、风流场1四、氧浓度 分数；T。为煤层初始温度，℃；T.为煤体表面温度，℃： 场、温度场等相互作用和相互耦合的结果.气体 T,为气体温度，℃，h对流换热系数，W·m2℃： dn 的流动影响氧气及气体温度的迁移扩散：氧气浓度影 响煤氧复合反应放热而对体系温度产生作用：体系温 和C分别为风量梯度及浓度梯度. d 度的变化导致空气密度的改变，又反过来影响采空区 1.2煤氧低温氧化化学动力学的机理 的压力与速度分布，因此采空区的自燃必须放在多场 采空区遗煤在漏风流存在时会进行低温氧化并 耦合的条件下研究.6一网.将采空区的渗流场、温度 放出热量，这是煤自燃过程发展的主要热源，是煤自 场、氧浓度场及压力场控制方程联立，从而建立多场耦 燃的主导因素.煤氧发生低温氧化，消耗氧气，产生 合的数学模型. 热量，产生C0、C0,等产物，是一个复杂的氧化动力 综上所述，可得构成煤体低温氧化的三维数学模 学过程9如.根据煤氧化学反应动力学中反应速率 型为： 方程：
张英华等: 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 the U + L ventilation system，which is 1. 5 times that in the U ventilation system． However，the position of the crossheading has little effect on the high temperature point． The temperature nearby the crossheading is the highest in the return-side temperature field of the U + L ventilation system，and the average temperature is 4 K higher than the same location temperature in the U system per day． With increasing distance from the crossheading to working face，the heating rate in the crossheading rim increases from 0. 1 K·d － 1 to 0. 9 K·d － 1 ． Although the crossheading does not belong to the high temperature region in the whole temperature field，it has good warming potential． KEY WOＲDS crossheading; gob areas; oxidization; temperature rise; numerical simulation 采空区遗煤自燃是煤矿灾害的主要来源之一，严 重威胁煤矿安全生产，在 U + L 通风下，联络巷对采空 区自燃的影响不容忽视． 目前，对于采空区自燃“三 带”的研究，国内外许多学者都主要集中在 U 型通风 采空区［1］，通过理论分析、实验研究和数值模拟［2］对风 流场和氧浓度场中自燃“三带”的分布规律进行研究， 在一定程度上反应了实际情况［3--6］，而温度场的研究 成果则较少． 同时，苏全治［7］就 U + L 通风条件下，联络巷的存 在对压力场和风流场的影响进行研究［8--10］，结果表明 联络巷的存在使采空区内的压力场发生变化，从而导 致风流场中自燃带向联络巷偏移并且变宽，自燃的危 险性增加，联络巷对采空区自燃的影响不可忽视． 然 而，单一的研究压力场或者风流场，并不能从根本上反 映采空区的自燃特性． 遗煤的自燃主要是由于煤氧反 应放热使温度达到自燃点，从而导致自燃，所以温度作 为自燃的指标之一，具有更重要的研究意义． 采空区 作为多孔介质，遗煤的自燃是孔隙率、漏风流、煤氧反 应、传热导热之间相互作用的结果［11］． 因此，将流场 和温度场结合起来，从多场耦合的角度，对联络巷存在 时，采空区的氧化升温带进行研究，更接近实际情况， 对生产具有重要的意义． 1 采空区多场耦合模型的建立 1. 1 采空区多场耦合的数学模型 采空区是由冒落岩体和遗煤组成的多孔介质体 系，其自然发火是内部压力场、风流场［11--12］、氧浓 度 场、温度场等相互作用和相互耦合的结果［13--15］． 气体 的流动影响氧气及气体温度的迁移扩散; 氧气浓度影 响煤氧复合反应放热而对体系温度产生作用; 体系温 度的变化导致空气密度的改变，又反过来影响采空区 的压力与速度分布，因此采空区的自燃必须放在多场 耦合的条件下研究［11，16--18］． 将采空区的渗流场、温度 场、氧浓度场及压力场控制方程联立，从而建立多场耦 合的数学模型． 综上所述，可得构成煤体低温氧化的三维数学模 型为: Qx x + Qy y + Qz z = 0， C τ + Qx ·C x + Qy ·C y + Qz ·C z = D ( 2 C x 2 + 2 C y 2 + 2 C z 2 ) － V( T) ， ρe ce T τ = q( T) + λe ( 2 T x 2 + 2 T y 2 + 2 T z 2 ) － ρg cg ( Qx ·T x + Qy ·T y + Qz ·T ) z ， ( x Kx H ) x + ( y Ky H ) y + ( z Kz H ) z = 0 ． ( 1) 该多元方程组为结合了扩散与对流扩散的传质、 化学反应、传热和动量传输的控制方程，其定解的条件 如表 1． 其中，x、y 和 z 为三维空间坐标，Q 为漏风的比 流量，是在与流动方向垂直的每个截面上的单位流量， m·s － 1 ; K 为绝对渗透率，假设多孔介质为各向同性，根 据实验数据 Kx = Ky = Kz = 1 × 10 － 6 m·s － 1 ; C 为 O2的质 量分数，取 24% ; D 为氧气在煤体中的扩散系数，cm2 · s － 1 ; T 为温 度，℃ ; V ( T) 为 实 际 耗 氧 速 率，mol·s － 1· cm － 3 ; H 为热力分压，Pa; q( T) 为煤氧氧化反应放热热 源项，J; ρe 和 ρg 分别为固相和气相密度，g·cm － 3 ; ce 和 cg 分别为固相和气相比热容，J·g － 1·K － 1 ; λe 为固相导 热系数，J·cm － 1·s － 1·K － 1 ; τ 为时间，s． 定解条件中，s 是漏风边界，Qc 是由系统压差、巷道起伏、局部阻力等 引起的漏风量总和，Qr 是由热力风压引起的漏风量; C0为初始氧气质量分数; Cw为煤体供风表面氧气质量 分数; T0 为煤层初始温度，℃ ; Tw 为煤体表面温度，℃ ; Tg 为气体温度，℃，h 对流换热系数，W·m － 2·℃ － 1 ; dQ dn 和dC dn 分别为风量梯度及浓度梯度． 1. 2 煤氧低温氧化化学动力学的机理 采空区遗煤在漏风流存在时会进行低温氧化并 放出热量，这是煤自燃过程发展的主要热源，是煤自 燃的主导因素． 煤氧发生低温氧化，消耗氧气，产生 热量，产生 CO、CO2 等产物，是一个复杂的氧化动力 学过程［19--21］． 根据煤氧化学反应动力学中反应速率 方程: · 1501 ·
·1052· 工程科学学报，第38卷，第8期 表1三维数学模型的定解条件 Table 1 Setting conditions of the three-dimensional mathematical model 定解条件 风流压力场方程 温度场方程 氧浓度场方程 初始边界条件 T八l,-0=T。 C1,-0=C0 第一类边界条件 l,=0.+0 Tl,.,=T. Cl,=C. 第二类边界条件 -0 dc =0 dn 第三类边界条件 =h(T.-T) C.=kCCCZ (2) 100 75 d 50 式中，C为反应物a的消耗速率，C,C,和C,分别指反 0 10 dr 应物a、b和c的质量分数，aB和y是指反应级数，k。 75 进风巷 50 是反应速率常数.温度对反应速率的影响就是温度对 25 一回风巷 反应速率常数的影响，根据阿累尼乌斯方程，温度对反 联络巷0 应速率的影响P国，可以表示为 图1计算模型图（单位：m) 城，s- RT+In4. (3) Fig.1 Computational model (unit:m) 公式 式中，A为指前因子，E为活化能，R为摩尔气体常数， T为温度.将式(2)代入式(1)中，可以得到煤氧化学 B=%+∑A-4h+m0-1-B] ,(5) 反应的速率方程(4).其中0为煤氧反应比表面积. ∑h 由于煤体氧化反应发生在多孔介质内，所以还应考虑 表2工作面现场数据表 煤体结构影响因子ω. Table 2 Working face data dC=Ae奇C0. 参数 现场数值 (4) d 采煤机机采厚度，m1/m 2.5 综上所述，影响煤氧反应速率的因素主要有温度、 直接顶厚度，Σh/m 6.14 氧浓度及孔隙结构，化学反应中组分变化及放热量又 放煤高度，m2/m 4.5 是反应速率的函数.建立U+L型通风方式的采空区 垮落带岩体与顶板间隙，△h/m 0 几何模型，基于化学动力学机制，将煤氧反应的机理编 工作面控顶距离，L/m 4.6 写成UDF程序，导入模拟软件FLUENT中，为数值计 周期来压步距，L/m 17 算增加化学反应的组分源项和能量源项，研究采空区 顶煤回收率，/% 79 的流场及温度场分布规律，力求减小计算误差，提高仿 真模拟的真实性. 采空区遗煤碎胀系数，B 1.3 1.30+L型采空区模型的建立 得到各区的碎胀系数分别为B.=1.94、B2=1.87和 本文以某矿为原型，建立采空区的几何模型。针 对自燃危险，采空区走向选取100m进行研究，工作面 B。=15.孔隙率和醉胀系数的关系为a=1一官所 长度为100m,模型高度选取10m,进、回风巷宽度为 以各区的孔隙率n分别为0.484、0.465和0.333.使 4.4m,高度为2.6m,长度取10m.联络巷巷宽度为 用Ergun公式计算通过多孔介质的阻力系数.其中， 3.5m,高度为2.2m,长度取5m计算模型如图1. 黏性阻力系数和惯性阻力系数分别为 距离工作面由近及远，将采空区内冒落带划分为 1150(1-n)2 横三区，分别为自然堆积区、载荷影响区和压实稳定 adn3 (6) 区，范围分别为10、30和60m,记为1、2和3.工作面 1=35-m 现场采集的数据如表2所示. d。n3 (7) 碎胀系数是顶板岩体破坏冒落后处于松散状态下 式中：d为平均粒子直径.结合现场数据可得：自然堆 的体积与整体状态下的掩体体积之比.所以，根据 积区，dm=0.35,黏性阻力系数1/a1=2850,惯性阻力
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 表 1 三维数学模型的定解条件 Table 1 Setting conditions of the three-dimensional mathematical model 定解条件 风流压力场方程 温度场方程 氧浓度场方程 初始边界条件 T | τ = 0 = T0 C| τ = 0 = C0 第一类边界条件 Q| s = Qc + Qr T | τ = s = Tw C| s = Cw 第二类边界条件 dQ dn s = 0 dC dn s = 0 第三类边界条件 － λe dT dx s = h( Tw － Tg ) dCa dτ = k0Cα a Cβ bCγ c ． ( 2) 式中， dCa dτ 为反应物 a 的消耗速率，Ca、Cb和 Cc分别指反 应物 a、b 和 c 的质量分数，α、β 和 γ 是指反应级数，k0 是反应速率常数． 温度对反应速率的影响就是温度对 反应速率常数的影响，根据阿累尼乌斯方程，温度对反 应速率的影响［2，13］，可以表示为 lnk0 = － E ＲT + lnA． ( 3) 式中，A 为指前因子，E 为活化能，Ｒ 为摩尔气体常数， T 为温度． 将式( 2) 代入式( 1) 中，可以得到煤氧化学 反应的速率方程( 4) ． 其中 θ 为煤氧反应比表面积． 由于煤体氧化反应发生在多孔介质内，所以还应考虑 煤体结构影响因子 ω． dCa dτ = Ae － E ＲTCα Cβ Cγ ωθ． ( 4) 综上所述，影响煤氧反应速率的因素主要有温度、 氧浓度及孔隙结构，化学反应中组分变化及放热量又 是反应速率的函数． 建立 U + L 型通风方式的采空区 几何模型，基于化学动力学机制，将煤氧反应的机理编 写成 UDF 程序，导入模拟软件 FLUENT 中，为数值计 算增加化学反应的组分源项和能量源项，研究采空区 的流场及温度场分布规律，力求减小计算误差，提高仿 真模拟的真实性． 1. 3 U + L 型采空区模型的建立 本文以某矿为原型，建立采空区的几何模型． 针 对自燃危险，采空区走向选取 100 m 进行研究，工作面 长度为 100 m，模型高度选取 10 m，进、回风巷宽度为 4. 4 m，高度为 2. 6 m，长度取 10 m． 联络巷巷宽度为 3. 5 m，高度为 2. 2 m，长度取 5 m． 计算模型如图 1． 距离工作面由近及远，将采空区内冒落带划分为 横三区，分别为自然堆积区、载荷影响区和压实稳定 区，范围分别为 10、30 和 60 m，记为 1、2 和 3． 工作面 现场采集的数据如表 2 所示． 碎胀系数是顶板岩体破坏冒落后处于松散状态下 的体积与整体状态下的掩体体积之比． 所以，根 据 图 1 计算模型图( 单位: m) Fig． 1 Computational model ( unit: m) 公式 Br = m1 + ∑h － Δh + m2［1 － ( 1 － η) Brc］ ∑h ，( 5) 表 2 工作面现场数据表 Table 2 Working face data 参数 现场数值 采煤机机采厚度，m1 /m 2. 5 直接顶厚度，∑h /m 6. 14 放煤高度，m2 /m 4. 5 垮落带岩体与顶板间隙，Δh /m 0 工作面控顶距离，L /m 4. 6 周期来压步距，L0 /m 17 顶煤回收率，η /% 79 采空区遗煤碎胀系数，Brc 1. 3 得到各区的碎胀系数分别为 Br1 = 1. 94、Br2 = 1. 87 和 Br3 = 1. 5． 孔隙率和碎胀系数的关系为 n = 1 － 1 Br ，所 以各区的孔隙率 n 分别为 0. 484、0. 465 和 0. 333． 使 用 Ergun 公式计算通过多孔介质的阻力系数． 其中， 黏性阻力系数和惯性阻力系数分别为 1 α = 150 d2 m ( 1 － n) 2 n3 ， ( 6) I = 3. 5 dm ( 1 － n) n3 ． ( 7) 式中: dm为平均粒子直径． 结合现场数据可得: 自然堆 积区，dm1 = 0. 35，黏性阻力系数 1 /α1 = 2850，惯性阻力 · 2501 ·
张英华等：联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 ·1053· 系数1=45.1：载荷影响区，d。=0.2,黏性阻力系数 联络巷处于氧化升温带之中，但由于风流流出的影响， 1/a,=10700,惯性阻力系数12=93.1：压实稳定区， 氧化升温带在回风侧宽度较小 d=0.1,黏性阻力系数1/a=181000,惯性阻力系数 a 13=632 2模拟结果及分析 氧化升温带 2.1U+L型通风时联络巷对采空区的影响 在采空区建立监测点阵列，点阵位于垂直工作面 走向的不同直线上，监测点布置如图2所示.以下所 进风只 有图中均以L1、L2、L3等表示对应的监测点所在的直 1.6x1032.6x10-33.5×1034.0x101.6x102.6x103.5x104.0×10 线位置.运用多场耦合的数值模拟方法，对比U型通 速度m·s0 40.00m 速度/m·s少0 40.00m 风及U+L型通风条件下各场的分布规律 20.00 20.00 6 图3速度场中氧化升温带分布对比.(a)U型通风采空区：(b) 进风巷 U+L通风采空区 ◆1中一中中t中++4中*++ Fig.3 Distribution contrast of the oxidization and heat accumulation 75 zone in the velocity field:(a)U-ype ventilation:(b)U+Ltype ventilation 0 一3 a +2 一一带货常带南卡帝中价一卡参带卡带一 联络巷、回风巷、 0 LI 100 75 0若0 氧化白然带 图2采空区监测点位置图（单位：m) Fig.2 Location map of monitoring points in the gob area (unit:m) 氧气质量分数/% 氧气质量分数/% 由图3的模拟结果可知：在速度场中，由于壁面的 101215 18 101215 18 40.00m 40.00m 摩擦阻力，氧化升温带在进风侧和回风侧宽度较小，中 20.00 20.00 间区域宽度较大.联络巷存在时，氧化升温带宽度增 图4氧浓度场中氧化升温带分布对比.(a)U型通风采空区： 加且向深部移动，同时偏向回风侧：然而，在回风侧深 (山)U+L通风采空区 度增加，宽度却减小.风流速度场中氧化升温带宽度 Fig.4 Distribution contrast of the oxidization and heat accumulation 的增加，使采空区氧浓度和温度都发生变化，如图4和 zone in the oxygen concentration field:(a)U-ype ventilation:(b) 图5所示.与无联络巷时相比，联络巷存在时有以下 U+Ltype ventilation 特点： (2)氧浓度带深度的增加，使采空区深部煤氧反 (1)在氧浓度场中，氧化升温带整体变宽并后移， 应的频率因子增大，反应放热量增加，温度升高，所以 310 310 306 304 302 30405060 300 20 10 20 3040 50 60 采空区深疲/m 采空区深度/m 图5采空区内温度场分布.(a)U型通风条件下：(b)U+L通风条件下 Fig.5 Temperature distribution in the gob area:(a)U-type ventilation:(b)U+Ltype ventilation
张英华等: 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 系数 I1 = 45. 1; 载荷影响区，dm2 = 0. 2，黏性阻力系数 1 /α2 = 10700，惯性阻力系数 I2 = 93. 1; 压实稳定区， dm3 = 0. 1，黏性阻力系数 1 /α3 = 181000，惯性阻力系数 I3 = 632． 2 模拟结果及分析 2. 1 U + L 型通风时联络巷对采空区的影响 在采空区建立监测点阵列，点阵位于垂直工作面 走向的不同直线上，监测点布置如图 2 所示． 以下所 有图中均以 L1、L2、L3 等表示对应的监测点所在的直 线位置． 运用多场耦合的数值模拟方法，对比 U 型通 风及 U + L 型通风条件下各场的分布规律． 图 2 采空区监测点位置图( 单位: m) Fig． 2 Location map of monitoring points in the gob area ( unit: m) 由图 3 的模拟结果可知: 在速度场中，由于壁面的 摩擦阻力，氧化升温带在进风侧和回风侧宽度较小，中 图 5 采空区内温度场分布． ( a) U 型通风条件下; ( b) U + L 通风条件下 Fig． 5 Temperature distribution in the gob area: ( a) U-type ventilation; ( b) U + L-type ventilation 间区域宽度较大． 联络巷存在时，氧化升温带宽度增 加且向深部移动，同时偏向回风侧; 然而，在回风侧深 度增加，宽度却减小． 风流速度场中氧化升温带宽度 的增加，使采空区氧浓度和温度都发生变化，如图 4 和 图 5 所示． 与无联络巷时相比，联络巷存在时有以下 特点: ( 1) 在氧浓度场中，氧化升温带整体变宽并后移， 联络巷处于氧化升温带之中，但由于风流流出的影响， 氧化升温带在回风侧宽度较小． 图 3 速度场中氧化升温带分布对比． ( a) U 型通风采空区; ( b) U + L 通风采空区 Fig． 3 Distribution contrast of the oxidization and heat accumulation zone in the velocity field: ( a) U-type ventilation; ( b) U + L-type ventilation 图 4 氧浓度场中氧化升温带分布对比． ( a) U 型通风采空区; ( b) U + L 通风采空区 Fig． 4 Distribution contrast of the oxidization and heat accumulation zone in the oxygen concentration field: ( a) U-type ventilation; ( b) U + L-type ventilation ( 2) 氧浓度带深度的增加，使采空区深部煤氧反 应的频率因子增大，反应放热量增加，温度升高，所以 · 3501 ·
·1054. 工程科学学报，第38卷，第8期 高温带也随着后移和扩大.同时，由于联络巷处于多 图6为气相温度场云图.高温区域深度主要在 孔介质内部，有一部分热量从联络巷流出，将热量传递 28~45m处，靠近进风侧，这与刘伟的结果吻合 给联络巷口的煤体，所以联络巷附近温度升高明显，回 在本文中，高温区域更靠近进风侧是由孔隙率设置不 风侧的温度场中联络巷口温度最高，高出周围温度约 同导致，也与现场采空区自燃多发生在进风侧相符合 3.3K 联络巷作为热量散失的另一个出口，随着联络巷与工 综上所述，无论是速度场、氧浓度场还是温度场， 作面距离的不断增大，高温区域扩大并不断向回风侧 联络巷的存在都会对其产生影响，并且各场之间是相 延伸，但高温核心区域位置不变，依据放顶煤的开采流 互耦合的影响关系.联络巷处于采空区内，其位置的 程，在两巷位置遗煤厚度最大，所以氧化升温带的偏移 不同对流场及温度场也会产生影响，下面对联络巷的 和变宽，使得自燃的危险性增大 位置与温度场的影响关系进行研究 采空区内漏风流的存在，既可以与煤体发生氧化 2.2联络巷的位置对氧化升温带的影响 反应产生热量，同时又可以带走热量，具有助燃和冷却 2.2.1联络巷的位置对氧化升温带位置的影响 的双重矛盾作用，而自燃的发生主要是由于热量的积 随着联络巷的使用，联络巷距工作面的距离不断 聚导致体系温度升高，当达到燃点时将会发生自燃，所 增大，如果每40m设置一个联络巷，对开采过程中，联 以用温度场来衡量煤体的低温氧化阶段，更符合实际 络巷与工作面的距离分别为5、10、15、20和30m时， 情况.下面从温度场出发，对联络巷在不同位置时，采 采空区氧化升温带变化规律进行研究.进风口风速设 空区内的温度场进行分析. 置为1.4m·s且保持不变，建立监测点，所得数据如 2.2.2联络巷的位置不同时温度场的变化规律 表3所示. 对联络巷在不同位置的采空区进行非稳态模拟， 计算10d时间内温度场的变化规律.下面从高温点和 表3联络巷位置与氧化升温带宽度的关系 联络巷口温度的变化两个方面分析和研究联络巷对采 Table 3 Relationship between the crossheading position and the width of the oxidization and heat accumulation zone 空区温度场的影响规律 (1)采空区高温点的温度变化规律.在孔隙率和 联络巷与 速度场自燃带 温度场高温带 位置/m 分布/m 风速一定的条件下，对联络巷与工作面的距离不同时， 工作面 距离/m 进风 中间 回风 进风 中间 采空区温度场进行分析，提取高温点的温度及位置如 表4所示 无联络巷 20-3028-43 20-32 2533 通过模拟结果（表4和图7(a))可知：(I)风速 5 28-40 34-53 3042 27~41 不变时，在低温范围内，采空区内部高温点温度与时间 10 294136~583042 29.42 呈线性关系.（Ⅱ）对比U与U+L型采空区的温度 15 2942 37-60 40~51 28~43 29-37 场，联络巷的存在对高温点的位置及温度值有较大的 20 29-43 37-6241-51 2745 29-41 影响.①反应进行10d后，与无联络巷的通风条件相 30 32-45 4464 49-58 25~5127~50 比，存在联络巷时，高温点向深处至少移动3m;②无联 络巷时平均升温速率为0.8K·d,有联络巷时升温速 由表3可以看出：速度场中，随着联络巷与工作面 率为1.24K·d,增加幅度可达35%，反应10d后温度 距离的增大，氧化升温带在进风侧深度基本不变，宽度 可升高4K.(Ⅲ)U+L型通风条件下，联络巷的位置 逐渐增大；在回风侧的宽度逐渐减小：采空区深部压实 对高温点的位置及温度值影响很小.①随着联络巷与 导致孔隙率很小，阻力大且风压小，所以中间区域的宽 工作面距离的不断增大，高温点的位置有向深部移动 度先增大后减小，在联络巷与工作面距离为20m时中 间区域的宽度最大为25m,最不利于预防自燃 的趋势，但变化很小，保持在距工作面37m深度范围： 依据苏全治可的结论：采空区漏风流的大小与采 ②联络巷的位置对高温点的升温速率没有显著的影 响，联络巷距工作面的距离为5、10、15、20和30m时， 空区可能自燃带宽度呈线性关系，而风量Q与联络巷 升温速率分别为1.09、1.11、1.13、1.15和1.24Kd, 到工作面的距离X的四次方根成正比，从而将漏风流 变化并不大 中对“三带”的稳定影响因素设为专，联络巷位置变化 综上所述，与无联络巷相比，联络巷的存在对高温 对“三带”的影响因子设为2，可能自燃带的边界位置 点的位置及温度影响较大，但联络卷的位置对高温点 为Y,则Y=点+点沉 几乎没有影响. 根据表3的结果，进行回归计算得出，模拟计算的 (2)联络巷口温度变化规律.结合前文2.1中的 结果符合Y=台：+52仄.其中，52=6.7，在进风侧为 计算结果，没有联络巷时，在整个温度场中，回风侧属 30,中间为43，说明表3中的模拟数据是可靠的. 于低温区域：对于U+L型通风条件下，有联络巷存
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 高温带也随着后移和扩大． 同时，由于联络巷处于多 孔介质内部，有一部分热量从联络巷流出，将热量传递 给联络巷口的煤体，所以联络巷附近温度升高明显，回 风侧的温度场中联络巷口温度最高，高出周围温度约 3. 3 K． 综上所述，无论是速度场、氧浓度场还是温度场， 联络巷的存在都会对其产生影响，并且各场之间是相 互耦合的影响关系． 联络巷处于采空区内，其位置的 不同对流场及温度场也会产生影响，下面对联络巷的 位置与温度场的影响关系进行研究． 2. 2 联络巷的位置对氧化升温带的影响 2. 2. 1 联络巷的位置对氧化升温带位置的影响 随着联络巷的使用，联络巷距工作面的距离不断 增大，如果每 40 m 设置一个联络巷，对开采过程中，联 络巷与工作面的距离分别为 5、10、15、20 和 30 m 时， 采空区氧化升温带变化规律进行研究． 进风口风速设 置为 1. 4 m·s － 1且保持不变，建立监测点，所得数据如 表 3 所示． 表 3 联络巷位置与氧化升温带宽度的关系 Table 3 Ｒelationship between the crossheading position and the width of the oxidization and heat accumulation zone 联络巷与 工作面 距离/m 速度场自燃带 位置/m 温度场高温带 分布/m 进风 中间 回风 进风 中间 无联络巷 20 ～ 30 28 ～ 43 20 ～ 32 25 ～ 33 — 5 28 ～ 40 34 ～ 53 30 ～ 42 27 ～ 41 — 10 29 ～ 41 36 ～ 58 30 ～ 42 29 ～ 42 — 15 29 ～ 42 37 ～ 60 40 ～ 51 28 ～ 43 29 ～ 37 20 29 ～ 43 37 ～ 62 41 ～ 51 27 ～ 45 29 ～ 41 30 32 ～ 45 44 ～ 64 49 ～ 58 25 ～ 51 27 ～ 50 由表 3 可以看出: 速度场中，随着联络巷与工作面 距离的增大，氧化升温带在进风侧深度基本不变，宽度 逐渐增大; 在回风侧的宽度逐渐减小; 采空区深部压实 导致孔隙率很小，阻力大且风压小，所以中间区域的宽 度先增大后减小，在联络巷与工作面距离为 20 m 时中 间区域的宽度最大为 25 m，最不利于预防自燃． 依据苏全治［7］的结论: 采空区漏风流的大小与采 空区可能自燃带宽度呈线性关系，而风量 Q 与联络巷 到工作面的距离 X 的四次方根成正比，从而将漏风流 中对“三带”的稳定影响因素设为 ξ1，联络巷位置变化 对“三带”的影响因子设为 ξ2，可能自燃带的边界位置 为 Y，则 Y = ξ1 + ξ2 4 槡X． 根据表 3 的结果，进行回归计算得出，模拟计算的 结果符合 Y = ξ1 + ξ2 4 槡X． 其中，ξ2 = 6. 7，ξ1在进风侧为 30，中间为 43，说明表 3 中的模拟数据是可靠的． 图 6 为气相温度场云图． 高温区域深度主要在 28 ～ 45 m 处，靠近进风侧，这与刘伟［11］ 的结果吻合． 在本文中，高温区域更靠近进风侧是由孔隙率设置不 同导致，也与现场采空区自燃多发生在进风侧相符合． 联络巷作为热量散失的另一个出口，随着联络巷与工 作面距离的不断增大，高温区域扩大并不断向回风侧 延伸，但高温核心区域位置不变，依据放顶煤的开采流 程，在两巷位置遗煤厚度最大，所以氧化升温带的偏移 和变宽，使得自燃的危险性增大． 采空区内漏风流的存在，既可以与煤体发生氧化 反应产生热量，同时又可以带走热量，具有助燃和冷却 的双重矛盾作用，而自燃的发生主要是由于热量的积 聚导致体系温度升高，当达到燃点时将会发生自燃，所 以用温度场来衡量煤体的低温氧化阶段，更符合实际 情况． 下面从温度场出发，对联络巷在不同位置时，采 空区内的温度场进行分析． 2. 2. 2 联络巷的位置不同时温度场的变化规律 对联络巷在不同位置的采空区进行非稳态模拟， 计算 10 d 时间内温度场的变化规律． 下面从高温点和 联络巷口温度的变化两个方面分析和研究联络巷对采 空区温度场的影响规律． ( 1) 采空区高温点的温度变化规律． 在孔隙率和 风速一定的条件下，对联络巷与工作面的距离不同时， 采空区温度场进行分析，提取高温点的温度及位置如 表 4 所示． 通过模拟结果( 表 4 和图 7( a) ) 可知: ( Ⅰ) 风速 不变时，在低温范围内，采空区内部高温点温度与时间 呈线性关系． ( Ⅱ) 对比 U 与 U + L 型采空区的温度 场，联络巷的存在对高温点的位置及温度值有较大的 影响． ①反应进行 10 d 后，与无联络巷的通风条件相 比，存在联络巷时，高温点向深处至少移动 3 m; ②无联 络巷时平均升温速率为 0. 8 K·d － 1，有联络巷时升温速 率为1. 24 K·d － 1，增加幅度可达35% ，反应10 d 后温度 可升高 4 K． ( Ⅲ) U + L 型通风条件下，联络巷的位置 对高温点的位置及温度值影响很小． ①随着联络巷与 工作面距离的不断增大，高温点的位置有向深部移动 的趋势，但变化很小，保持在距工作面 37 m 深度范围; ②联络巷的位置对高温点的升温速率没有显著的影 响，联络巷距工作面的距离为 5、10、15、20 和 30 m 时， 升温速率分别为1. 09、1. 11、1. 13、1. 15 和1. 24 K·d － 1， 变化并不大． 综上所述，与无联络巷相比，联络巷的存在对高温 点的位置及温度影响较大，但联络巷的位置对高温点 几乎没有影响． ( 2) 联络巷口温度变化规律． 结合前文 2. 1 中的 计算结果，没有联络巷时，在整个温度场中，回风侧属 于低温区域; 对于 U + L 型通风条件下，有联络巷存 · 4501 ·
张英华等：联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 ·1055· (a) (b) 308.9 309.2 309.2 308.3 308.3 308.3 307.2 307.1 307.4 306.4 306.3 306.7 305.5 305.0 306.2 304.6 304.2 305.0 303.8 303.5 304.3 303.3 302.8 303.2 302.5 302.1 302.1 301.2 3014 301.4 300.0 300.0 300.0 温度K 温度/K 温度/K 0 30.00 60.00m 0 30.00 60.0m 0 30.00 15.00 45.00 15.00 45.00 15.00 45.00 d (c) ( 311.1 311,7 313.2 310.1 310.4 312.4 308.8 309.2 310.7 308.0 308.3 309.5 307.2 307.4 308.4 306.2 306.2 306.9 304.6 305.2 305.7 303.4 303.6 304.2 302.4 302.3 303.5 301.0 301.0 301.3 300.0 300.0 300.0 温度/K 温度K 温度K 0 30.00 60.00m 0 30.00 60.00m 0 30.00 60.00m 15.0045.00 15.0045.00 15.0045.00 图6联络巷距工作面不同距离时温度场分布云图.联络巷与工作面的距离为：(a)无：(b)5m:(c)10m;(d)15m:(e)20m:()30m Fig.6 Temperature distribution with different distances between the crossheading and working face:(a)none:(b)5m;(c)10m:(d)15 m:(e) 20m:(f030m 表4联络巷在不同位置时高温点位置及温度值 随着联络巷与工作面距离的增大，联络巷口温度 Table 4 Position and temperature of high temperature points when the 不断升高，升温速率也不断增大，在整个温度场中虽然 crossheading is at different positions 不是高温区域，但具有很好的升温潜质. 联络巷与工作面距离/m高温点温度/K 高温点深度/m 无联络巷 307 32.8 3结果验证 5 310 36.2 由于生产和成本的限制，无法进行现场验证，在实 10 311 36.8 验室建立相似模拟实验进行模型的验证.因为采空区 15 311.1 37.4 升温规律的计算是由采空区多场状态及物性参数模拟 市 311.3 38.2 出的结果，所以如果采空区升温规律这一模拟结果是 30 312 38.9 正确的，那么采空区的多场状态及物性参数就是正确 的，模型就是正确的，在这种情况下，相应更换模拟材 在，使得回风侧的温度场中在联络巷附近温度最高 料物性参数后的模拟结果也会是正确的.考虑到煤的 联络巷口的温度变化规律如图7(b)所示 氧化升温速率较慢，在大量堆积并具备良好的蓄热条 (I)对比U与U+L型通风条件下温度场，联络 件下，才会出现明显的自热现象，因此选择氧化放热较 巷的存在使回风侧在联络巷口附近温度升高 快的硫铁矿作为模拟材料. 在联络巷的使用后期时，回风侧在联络巷口附近 根据量纲分析导出相似准则，结合现场实际情况， 的温度与无联络巷时同一位置的温度相比，平均每天 按照相似比为1：200设计模型，采用不锈钢外壳，内有 温度升高4K,升温速率从0.1K·d变成0.9K·d, 30mm厚的挤塑板保温材料，内容量为520mm× 如果开采速度不合理，滞留时间过长，联络巷口将处于 500mm×50mm,进出风▣为尺寸为50mm×50mm× 自燃带中，增加自燃的危险性 50mm. (Ⅱ)U+L型通风条件下，联络巷与工作面的距 验证的思路是采用前文数值计算的模型及多场参 离对回风侧温度具有很重要的影响 数，按比例缩小模型体积至与相似实验模型等体积，将
张英华等: 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 图 6 联络巷距工作面不同距离时温度场分布云图． 联络巷与工作面的距离为: ( a) 无; ( b) 5 m; ( c) 10 m; ( d) 15 m; ( e) 20 m; ( f) 30 m Fig． 6 Temperature distribution with different distances between the crossheading and working face: ( a) none; ( b) 5 m; ( c) 10 m; ( d) 15 m; ( e) 20 m; ( f) 30 m 表 4 联络巷在不同位置时高温点位置及温度值 Table 4 Position and temperature of high temperature points when the crossheading is at different positions 联络巷与工作面距离/m 高温点温度/K 高温点深度/m 无联络巷 307 32. 8 5 310 36. 2 10 311 36. 8 15 311. 1 37. 4 20 311. 3 38. 2 30 312 38. 9 在，使得回风侧的温度场中在联络巷附近温度最高． 联络巷口的温度变化规律如图 7( b) 所示． ( Ⅰ) 对比 U 与 U + L 型通风条件下温度场，联络 巷的存在使回风侧在联络巷口附近温度升高． 在联络巷的使用后期时，回风侧在联络巷口附近 的温度与无联络巷时同一位置的温度相比，平均每天 温度升高 4 K，升温速率从 0. 1 K·d － 1变成 0. 9 K·d － 1， 如果开采速度不合理，滞留时间过长，联络巷口将处于 自燃带中，增加自燃的危险性． ( Ⅱ) U + L 型通风条件下，联络巷与工作面的距 离对回风侧温度具有很重要的影响． 随着联络巷与工作面距离的增大，联络巷口温度 不断升高，升温速率也不断增大，在整个温度场中虽然 不是高温区域，但具有很好的升温潜质． 3 结果验证 由于生产和成本的限制，无法进行现场验证，在实 验室建立相似模拟实验进行模型的验证． 因为采空区 升温规律的计算是由采空区多场状态及物性参数模拟 出的结果，所以如果采空区升温规律这一模拟结果是 正确的，那么采空区的多场状态及物性参数就是正确 的，模型就是正确的，在这种情况下，相应更换模拟材 料物性参数后的模拟结果也会是正确的． 考虑到煤的 氧化升温速率较慢，在大量堆积并具备良好的蓄热条 件下，才会出现明显的自热现象，因此选择氧化放热较 快的硫铁矿作为模拟材料． 根据量纲分析导出相似准则，结合现场实际情况， 按照相似比为 1∶ 200 设计模型，采用不锈钢外壳，内有 30 mm 厚的挤塑板保温材料，内 容 量 为 520 mm × 500 mm × 50 mm，进出风口为尺寸为 50 mm × 50 mm × 50 mm． 验证的思路是采用前文数值计算的模型及多场参 数，按比例缩小模型体积至与相似实验模型等体积，将 · 5501 ·
·1056. 工程科学学报，第38卷，第8期 312 312 (a) b 310 无尾巷 310 无尾巷 距工作面5m 距工作面5m 距工作面10m 距工作面10m 308 距工作面15m 308 距工作面15m 距工作面20m 距工作面20m 306 距工作面30m ◇ 306 距工作面30m 304 304 302 302 300 300 4 6 时间d 时间A 图7联络巷位置不同时温度随时间变化曲线.()高温点温度：(b)联络巷口温度 Fig.7 Temperature rise curves when the crossheading is at different positions:(a)high temperature points;(b)points nearby the crossheading 模拟材料改为硫铁矿，进行数值模拟：同时，按照数值 图8(a)和(b)所示：最后用测试的数据验证模拟结果 模拟的多场参数设置相似模拟实验，模拟硫铁矿在采 的正确性.如果在硫铁矿作为模拟材料的情况下模拟 空区里的升温规律，在采空区埋设热电偶，测试采空区 结果验证正确，就说明模型是正确的，那么将模拟材料 模型各位置的温度，采用TPKO1型热电偶进行测温， 换为煤的模拟结果也会是正确的，从而本文模拟结果 精度为JSC16020.75级，模型实物图及测温点布置如 的正确性便能得以验证 3 6 9 5 8 图8采空区相似实验模型实物图()与测温点布置图(b) Fig.8 Similar experimental model of the gob area (a)and measuring point arrangement (b) 图8(b)中1、2和3号热电偶在进风侧，7、8和9 (2)随着联络巷与工作面距离的增大，速度场中 号热电偶在回风侧.验证分为两步：首先，对采空区内 氧化升温带在回风侧向深部移动，但宽度减小，中间区 温度随时间变化过程的模拟结果进行验证，选取特征 域宽度呈现先增加后减小的趋势，联络巷与工作面距 性明显的两个位置1和5号位置分析：其次，对反应 离为20m时氧化升温带宽度最大约为25m,可能自燃 10h之后的温度场分布进行验证.相似实验结果与数 带边界与联络巷的位置符合Y=东，+点：温度场中， 值模拟结果对比见图9和图10. 高温区域深度主要在28~45m范围内，靠近进风侧. 从图9和图10可以看出，相似实验的结果和数值 (3)联络巷的存在对高温点的位置及温度值有较 模拟的结果基本一致，从而验证了数值模拟模型的正 大的影响.对比U型和U+L型通风系统，联络巷的 确性，所以本文的数值模拟结果是正确的 存在使得采空区内高温点位置向深部移动，反应进行 4结论 10d至少移动3m,高温点升温速率可以达到1.5倍. 然而，在U+L型通风条件下，联络巷与工作面的距 (1)联络巷的存在使采空区内部速度场、氧浓度 离，对高温点的位置及温度值没有影响 场及温度场都发生变化.与U型通风条件下相比， (4)联络巷的存在使得回风侧的温度场中联络巷 U+L通风条件下氧化升温带整体宽度增加且向深部 口温度最高。在回风侧的温度场中，联络巷口温度高 移动，同时偏向回风侧：联络巷处于氧浓度自燃带中， 出周围约3.3K,联络巷使用后期，回风侧在联络巷口 自燃的危险性增加. 附近的温度与无联络巷时同一位置相比，平均每天温
工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 7 联络巷位置不同时温度随时间变化曲线． ( a) 高温点温度; ( b) 联络巷口温度 Fig． 7 Temperature rise curves when the crossheading is at different positions: ( a) high temperature points; ( b) points nearby the crossheading 模拟材料改为硫铁矿，进行数值模拟; 同时，按照数值 模拟的多场参数设置相似模拟实验，模拟硫铁矿在采 空区里的升温规律，在采空区埋设热电偶，测试采空区 模型各位置的温度，采用 TP-K01 型热电偶进行测温， 精度为 JISC1602 0. 75 级，模型实物图及测温点布置如 图 8( a) 和( b) 所示; 最后用测试的数据验证模拟结果 的正确性． 如果在硫铁矿作为模拟材料的情况下模拟 结果验证正确，就说明模型是正确的，那么将模拟材料 换为煤的模拟结果也会是正确的，从而本文模拟结果 的正确性便能得以验证． 图 8 采空区相似实验模型实物图( a) 与测温点布置图( b) Fig． 8 Similar experimental model of the gob area ( a) and measuring point arrangement ( b) 图 8( b) 中 1、2 和 3 号热电偶在进风侧，7、8 和 9 号热电偶在回风侧． 验证分为两步: 首先，对采空区内 温度随时间变化过程的模拟结果进行验证，选取特征 性明显的两个位置 1 和 5 号位置分析; 其次，对反应 10 h之后的温度场分布进行验证． 相似实验结果与数 值模拟结果对比见图 9 和图 10． 从图 9 和图 10 可以看出，相似实验的结果和数值 模拟的结果基本一致，从而验证了数值模拟模型的正 确性，所以本文的数值模拟结果是正确的． 4 结论 ( 1) 联络巷的存在使采空区内部速度场、氧浓度 场及温度场都发生变化． 与 U 型通风 条 件 下 相 比， U + L通风条件下氧化升温带整体宽度增加且向深部 移动，同时偏向回风侧; 联络巷处于氧浓度自燃带中， 自燃的危险性增加． ( 2) 随着联络巷与工作面距离的增大，速度场中 氧化升温带在回风侧向深部移动，但宽度减小，中间区 域宽度呈现先增加后减小的趋势，联络巷与工作面距 离为 20 m 时氧化升温带宽度最大约为 25 m，可能自燃 带边界与联络巷的位置符合 Y = ξ1 + ξ2 4 槡X; 温度场中， 高温区域深度主要在 28 ～ 45 m 范围内，靠近进风侧． ( 3) 联络巷的存在对高温点的位置及温度值有较 大的影响． 对比 U 型和 U + L 型通风系统，联络巷的 存在使得采空区内高温点位置向深部移动，反应进行 10 d 至少移动 3 m，高温点升温速率可以达到 1. 5 倍． 然而，在 U + L 型通风条件下，联络巷与工作面的距 离，对高温点的位置及温度值没有影响． ( 4) 联络巷的存在使得回风侧的温度场中联络巷 口温度最高． 在回风侧的温度场中，联络巷口温度高 出周围约 3. 3 K，联络巷使用后期，回风侧在联络巷口 附近的温度与无联络巷时同一位置相比，平均每天温 · 6501 ·
张英华等：联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 ·1057· 304 302 302 300 300 298 298 。一实验数据 一模拟数据 ·一实验数据 296 296 一模拟数据 29 1234 56 78910 294 1234 56 78910 时间 时间店 图9实验温度与模拟温度比较.(a)进风口处1号热电偶位置：(b)中部5号热电偶位置 Fig.9 Comparison between experimental and simulated temperatures:(a)Thermocouple 1*in the air intake:(b)Thermocouple 5*in the central section 308 lation theory of gob areas spontaneous combustion and a numerical ☐实验数据 simulation of the air leakage flow field.I Chin Unin Min Technol, 爱模拟数据 2009,38(6):769 304 (杨胜强，徐全，黄金，等.采空区自燃“三带”微循环理论及 最大温差05 漏风流场数值模拟.中国矿业大学学报，2009,38(6)：769) 300 最小混0.1K Zhang X H,Xu G,Xu JC,et al.Classification and prediction of spontaneous combustion danger zone in fully mechanized caving 296 face based on flow field simulation.J Unir Sci Technol Beijing, 2005,27(6):641 (张辛亥，徐光，徐精彩，等。基于流场模拟的综放面自燃危 292 2 4 5 6 险区域划分及预测.北京科技大学学报，2005,27(6)：641) 热电偶 [6]Li Z X,Jia J Z,Zhou Z L.Numerical simulation of the change process of field variables distribution in goaf caused by air revers- 图10反应9h后实验值与模拟值的比较 Fig.10 Comparison between experimental and simulated tempera- ing in working faces.J Unit Sci Technol Beijing,2010,32(6): 691 tures after 9 h of reaction (李宗翔，贾进章，周志林.工作面反风时采空区场量分布变 度可高约4K:联络巷与工作面的距离增大时，联络巷 动的数值模拟.北京科技大学学报，2010,32(6)：691) 口的升温速率会不断增大，由0.1Kd可升至0.9K· Su Q Z.Study on Variation Law of Spontaneous Combustion d,所以联络巷口在整个采空区温度场中虽然不是高 "Three-cone"in Gob Areas of fully Mechanized Coal Face [Disser- tation].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2012 温区域，但具有很好的升温潜质 (苏全治.综采面采空区自燃“三带”变化规律研究[学位论 文].太原：太原理工大学，2012) 参考文献 8] Shao H,Jiang S G,Wang L Y,et al.Numerical simulation of [Yan Y G,Yin B,Jia B S,et al.Research on distribution of re- effect of tail roadway on coal spontaneous combustion in the gob ar- sidual coal spontaneous combustion in gob areas by different classi- eas.J Min Saf Eng,2011,28(1)45 fication indexes.Shanxi Coking Coal Sci Technol,2012(3):20 (邵吴，蒋曙光，王兰云，等。尾巷对采空区煤自燃影响的数 (闫玉岗，尹彬，贾宝山，等.不同划分指标采空区遗煤自燃 值模拟研究.采矿与安全工程学报，2011,28(1)：45) “三带”的分布研究.山西焦煤科技，2012(3)：20) 9] Yang SQ,Cheng T,Xu Q,et al.Theoretical analysis and nu- 2]Taraba B,Michalee Z.Effect of longwall face advance rate on merical simulation of influence of change of negative pressure and spontaneous heating process in the gob area:CFD modelling. air volume of inner interlocked tail road of coal spontaneous com- Fuel,2011,90(8):2790 bustion.J Chin Coal Soc,2011,36(2):308 3]Li ZX,Zhang C.TiZ Y.A new method of preventing spontane- (杨胜强，程涛，徐全，等.尾巷风压及风量变化对采空区自 ous combustion of residual coal:periodically transforming the di- 然发火影响的理论分析与数值模拟.煤炭学报，2011,36 rection of ventilation.J Disaster Prer Mitigat Eng,2013,33(5): (2):308) 573 [10]Dong G F,Zou Y H,Wang Z,et al.Numerical simulation of the (李宗翔，张春，题正义.遗煤自燃防治的一种新方法：周期 influence of tail lane on gas flow in gob areas.Min Sof Enriron 变向通风.防灾减灾工程学报，2013,33(5)：573) Prot,2012,39(5):19 4]Yang Q,Xu Q,Huang J,et al.The "three zones"microcircu- (董钢锋，邹银辉，王振，等.尾巷对采空区瓦斯流场影响的
张英华等: 联络巷对采空区氧化升温带影响的多场耦合模拟研究 图 9 实验温度与模拟温度比较． ( a) 进风口处 1 号热电偶位置; ( b) 中部 5 号热电偶位置 Fig． 9 Comparison between experimental and simulated temperatures: ( a) Thermocouple 1# in the air intake; ( b) Thermocouple 5# in the central section 图 10 反应 9 h 后实验值与模拟值的比较 Fig． 10 Comparison between experimental and simulated temperatures after 9 h of reaction 度可高约 4 K; 联络巷与工作面的距离增大时，联络巷 口的升温速率会不断增大，由 0. 1 K·d － 1可升至 0. 9 K· d － 1，所以联络巷口在整个采空区温度场中虽然不是高 温区域，但具有很好的升温潜质． 参 考 文 献 ［1］ Yan Y G，Yin B，Jia B S，et al． Ｒesearch on distribution of residual coal spontaneous combustion in gob areas by different classification indexes． Shanxi Coking Coal Sci Technol，2012( 3) : 20 ( 闫玉岗，尹彬，贾宝山，等． 不同划分指标采空区遗煤自燃 “三带”的分布研究． 山西焦煤科技，2012( 3) : 20) ［2］ Taraba B，Michalec Z． Effect of longwall face advance rate on spontaneous heating process in the gob area: CFD modelling． Fuel，2011，90( 8) : 2790 ［3］ Li Z X，Zhang C，Ti Z Y． A new method of preventing spontaneous combustion of residual coal: periodically transforming the direction of ventilation． J Disaster Prev Mitigat Eng，2013，33( 5) : 573 ( 李宗翔，张春，题正义． 遗煤自燃防治的一种新方法: 周期 变向通风． 防灾减灾工程学报，2013，33( 5) : 573) ［4］ Yang S Q，Xu Q，Huang J，et al． The“three zones”microcirculation theory of gob areas spontaneous combustion and a numerical simulation of the air leakage flow field． J Chin Univ Min Technol， 2009，38( 6) : 769 ( 杨胜强，徐全，黄金，等． 采空区自燃“三带”微循环理论及 漏风流场数值模拟． 中国矿业大学学报，2009，38( 6) : 769) ［5］ Zhang X H，Xu G，Xu J C，et al． Classification and prediction of spontaneous combustion danger zone in fully mechanized caving face based on flow field simulation． J Univ Sci Technol Beijing， 2005，27( 6) : 641 ( 张辛亥，徐光，徐精彩，等． 基于流场模拟的综放面自燃危 险区域划分及预测． 北京科技大学学报，2005，27( 6) : 641) ［6］ Li Z X，Jia J Z，Zhou Z L． Numerical simulation of the change process of field variables distribution in goaf caused by air reversing in working faces． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 6) : 691 ( 李宗翔，贾进章，周志林． 工作面反风时采空区场量分布变 动的数值模拟． 北京科技大学学报，2010，32( 6) : 691) ［7］ Su Q Z． Study on Variation Law of Spontaneous Combustion “Three-zone”in Gob Areas of fully Mechanized Coal Face［Dissertation］． Taiyuan: Taiyuan University of Technology，2012 ( 苏全治． 综采面采空区自燃“三带”变化规律研究［学位论 文］． 太原: 太原理工大学，2012) ［8］ Shao H，Jiang S G，Wang L Y，et al． Numerical simulation of effect of tail roadway on coal spontaneous combustion in the gob areas． J Min Saf Eng，2011，28( 1) : 45 ( 邵昊，蒋曙光，王兰云，等． 尾巷对采空区煤自燃影响的数 值模拟研究． 采矿与安全工程学报，2011，28( 1) : 45) ［9］ Yang S Q，Cheng T，Xu Q，et al． Theoretical analysis and numerical simulation of influence of change of negative pressure and air volume of inner interlocked tail road of coal spontaneous combustion． J Chin Coal Soc，2011，36( 2) : 308 ( 杨胜强，程涛，徐全，等． 尾巷风压及风量变化对采空区自 然发火影响的理论分析与数值模拟． 煤 炭 学 报，2011，36 ( 2) : 308) ［10］ Dong G F，Zou Y H，Wang Z，et al． Numerical simulation of the influence of tail lane on gas flow in gob areas． Min Saf Environ Prot，2012，39( 5) : 19 ( 董钢锋，邹银辉，王振，等． 尾巷对采空区瓦斯流场影响的 · 7501 ·
·1058 工程科学学报，第38卷，第8期 数值模拟.矿业安全与环保，2012,39(5)：19) 动态数值模拟.中国安全科学学报，2012,22(5)：37) [1]Liu W.Multi-physics Coupling Mechanism and Three-dimensional [17]He QL Study on Experiment and Computer Simulation of Coal Numerical Simulation of Spontaneous Combustion of Gob Areas Oxidation of Low Temperature and Whole Spontaneous Process Dissertation].Beijing:China University of Mining Technology, [Dissertation].Beijing:China University of Mining Technology, Beijing,2014 2004 (刘伟.采空区自然发火的多场耦合机理及三维数值模拟研 (何启林.煤低温氧化性与自燃过程的实验及模拟的研究 究[学位论文].北京：中国矿业大学（北京），2014) [学位论文].北京：中国矿业大学，2004) [12]Zhai X W,Deng J,Wen H,et al.Research of the air leakage [18]Li ZX,Wu Q,WangZQ.Study on distribution characteristic of law and control techniques of the spontaneous combustion danger- remaining coal oxygen consumption and spontaneous combustion ous zone of re-mining coal body.Procedia Eng,2011,26:472 heating-up in goaf.J Chin Coal Soc,2009,34(5):667 [13]Zhao Y S,Yang D,Feng ZC,et al.Multi-field coupling theory (李宗翔，吴强，王志清.自燃采空区耗氧一升温的区域分布 of porous media and its application to resource and energy engi- 特征.煤炭学报，2009,34(5)：667) neering.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(7)1321 [19]Tan B,Niu H Y,He C N,et al.Gob areas coal spontaneous (赵阳升，杨栋，冯增朝，等.多孔介质多场耦合作用理论及 combustion temperature field theory and numerical analysis under 其在资源与能源工程中的应用.岩石力学与工程学报， mining conditions.J Cent South Unie Sci Technol,2013,44 2008,27(7):1321) (1):381 [14]Zhao Y S.Multi Field Coupling and Its Engineering Response of (谭波，牛会永，和超楠，等.回采情况下采空区煤自燃温度 Porous Media.Beijing:Science Press,2010 场理论与数值分析.中南大学学报（自然科学版），2013,44 (赵阳升.多孔介质多场耦合作用及其工程响应.北京：科 (1):381) 学出版社，2010) [20]Guo X Y,Wang D M,Li J S.Study on the characteristics of car- 5]Wen H.Suudy on Experimental and Numerical Simulation of Coal bon monoxide gas produced during the low temperature oxidation Self-ignition Process [Dissertation].Xi'an:Xi'an University of of coal.Sci Technol Inf,2011(3):19 Science and Technology,2003 (郭小云，王德明，李金帅.煤低温氧化阶段一氧化碳气体 (文虎.煤自燃过程的实验及数值模拟研究[学位论文].西 的产生特性研究.科技信息，2011(3)：19) 安：西安科技大学，2003) 21]Lu W,Hu Q T.Relationship between the change of structural of [16]Zhang C,Ti Z Y,Li Z X.Three-dimension heterrogeneity dy- coal and coal spontaneous combustion process.J Chin Coal Soc, namic numerical simulation of top coal spontaneous combustion in 2007,32(9):939 limit equilibrium zone.Chin Saf Sci J,2012,22(5):37 (陆伟，胡千庭.煤低温氧化结构变化规律与煤自燃过程之 (张春，题正义，李宗翔.极限平衡区顶煤自燃三维非均质 间的关系.煤炭学报，2007,32(9)：939)
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