642· 北京科技大学。学报 2005年第6期 化.空气渗流符合达西定律，空气中各组分按照 空区渗流速度在靠近进风和回风顺槽处比较高， Fick定律从浓度高处向低处扩散，由于煤自燃过 而采空区中部相对较低.在采空区两侧距离工作 程非常缓慢，认为在正常生产中采空区的渗流、 面18m左右处，渗流速度的大小达到1.8× 扩散及化学反应是稳态过程，采空区温度保持不 102ms:在距工作面26m处达到1.6×102ms: 变，则得到如下控制方程2： 60m处达到102ms':90m处为2×10-ms. 「盟8}… o-长H (1) 40% ac+osS+oS 三6.06 DSCDCDA-Kn 10.0m 120 式中，x,y,z为三维空间坐标：卫为漏风强度（通过 单位面积煤样的漏风量)：夏，②互分别为x,y,z方 1609 向上的漏风强度分量H为压力；k为绝对渗透率， 根据实验，煤层中k=1.44×10-m2,岩体中仁1.00× 1发0时% 10m2;4为空气粘性系数，取常温下4=1.7894× 10kgm's':C为氧气的质量浓度kgm’:D为 20.6 氧气在煤体中的扩散系数，常温下D=2.88× 105m2s';心T)为煤的耗氧速度，根据煤自燃发 图2采空区煤层中部氧体积分数等值线图 Fig.2 Contour of oxygen in the center of gob coal seam 火实验结果，东荣二矿煤样在23℃下的新鲜风流 中，(T)=1.28×10-kgm3.s:在临界温度的80℃ 下，T=130x10kgm3s'. 2.2定解条件 根据现场测定，采煤工作面压力分布（以工 作面中部为坐标原点，向进风侧方向为x方向， 向采空区深部为y方向，垂直向上为z方向)为： .00 P=107420+0.22x:工作面氧气体积分数为21%.计 0.004 算区域其他边界为壁面①=0. -0.006 23数值模拟结果 0.008 漏风区域为高6m,长118m,深150m的六面 0.010 0.012 体，根据工作面结构特点，采用六面计算元体，在 0.014 垂直方向，网络步长为0.2m,水平方向沿工作面 1.016 二0.018 及垂直工作面方向网格步长为1m.根据上述数 图3采空区煤层中部渗流速度大小等值线图（单位：ms) 学模型，利用Fluent模拟软件进行求解.从进风 Fig3 Contour of the velocity of air flow in the center of gob coal 侧开始计算，经过约80次迭代后，速度及氧体积 sea 分数相对误差均小于10'，已能够满足自燃危险 3 东荣三矿采空区“三带”划分 区域划分要求.此后，随着迭代次数增加，误差变 化不明显. 31采空区“三带”划分依据 通过数值计算得到的采空区氧体积分数及 采空区煤自燃的“三带”即散热带、氧化升温 渗流速度分布如图2~3所示.从图可以看出，在 带和室息带.在散热带，由于漏风速度较大，煤体 与工作面距离相同的采空区内，靠近进风侧氧体 表面对流换热量很大，煤氧化放出的热量能很快 积分数比回风侧更高.在采空区进风侧距离工作 被带走，因而煤温不会升高，不会发生自燃：室息 面30m处，氧气体积分数达到18%，50m左右达 带内氧体积分数较低，煤氧化速度很慢，煤温也 到16%，110m处达到下限氧体积分数5%左右.采 不会升高：只有氧化升温带内，氧体积分数较高，. 创 2 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 6 期 化 . 空气 渗流 符合 达 西 定律 , 空气 中各 组 分按 照 iF ck 定律 从 浓度 高处 向低 处 扩 散 . 由于 煤 自燃 过 程 非常 缓慢 , 认 为在 正常 生 产 中采 空 区的渗 流 、 扩散 及化 学反 应是 稳态 过程 , 采 空 区温 度 保持 不 变 , 则得 到 如下 控 制方 程。 一 习: 空 区渗流 速度 在靠 近进 风和 回风 顺槽处 比较高 , 而采 空 区中部 相对 较低 . 在 采 空区两 侧距 离工 作 面 18 m 左 右 处 , 渗 流 速 度 的 大 小 达 到 1 . x8 10 一 , m · s 一 ’ ; 在距工 作面 26 m 处 达到 l , x6 1o 一 , m · s 一 ’ : 60 m 处 达 到 1-0 , m · s 一 , ; 90 m 处为 x2 1-0 , m · s 一 , . 刁 ( , a H 、 , 刁 ( , 刁H 、 . a ( 二 刁H 、 _ 。 下t 凡币列勺万( ` 刁歹)气讯` 飞石 ~ 厂 ” 二 k 一 , , 公乙= 一 — V 月 一 户 奋釜己 . 箫忍 . 釜 ( l ) 一 城力 式 中 , x, y, z为三 维 空 间坐标 ; 口为 漏风 强度 (通 过 单位 面 积煤 样 的漏 风 量 ) ; 亘 , 己 , 互分 别 为 x , y , z 方 向上 的漏风 强度 分量 ;H 为 压力 ;k 为绝对 渗透 率 , 根据 实验 , 煤 层 中k = 1 . 4 x l0 “ 耐 , 岩 体 中卜 1 . 0 x0 1-0 ` 耐沼 为 空气 粘性 系 数 , 取 常温 下产月 . 7 8 9 4 x 1犷 , kg · m 一 ’ · s 一 , ; c 为 氧 气 的 质 量 浓 度 kg · m 一 , ; D 为 氧 气 在 煤 体 中 的 扩 散 系 数 , 常 温 下 D = 2 . 8 8 、 10 “ 耐 · s 一 , ; 双乃为 煤 的耗 氧 速度 , 根据 煤 自燃 发 火 实验结 果 , 东 荣二矿 煤样 在 23 ℃ 下的新 鲜风 流 中 , 城力二 1 . 2 8 xl 0 一 , kg · m 一 , · s 一 , : 在 临 界温 度 的 80 ℃ 下 , 城力= 1 . 30 、 10 一 ` kg · m 一 , · s 一 , . .2 2 定解 条 件 根据 现 场测 定 , 采 煤 工作 面压 力 分布 ( 以工 作 面 中部 为坐 标 原 点 , 向进 风 侧方 向为 x 方 向 , 向采 空区 深 部为 夕 方 向 , 垂 直 向上 为 z 方 向) 为 : 介 107 42 小 .0 2 2x ; 工 作面 氧气 体积 分数 为 21 % . 计 算 区域其 他 边 界为 壁 面乎0 . 2 3 数值 模 拟 结果 漏 风 区 域 为 高 6 m , 长 1 18 m , 深 1 50 m 的六 面 体 . 根 据工 作面 结构特点 , 采用 六 面计算元体 , 在 垂 直方 向 , 网络 步长 为 .0 2 m , 水平 方 向沿 工 作面 及 垂直 工 作面 方 向 网 格步 长 为 l m . 根 据上 述 数 学模型 , 利 用 F in ent 模 拟 软件进行 求 解 . 从 进 风 侧开 始计 算 , 经 过约 80 次迭 代后 , 速 度及 氧 体积 分 数 相对 误 差均 小于 1-0 4 , 己 能够 满足 自燃 危 险 区域划 分要 求 . 此 后 , 随着迭 代次 数增加 , 误 差变 化 不 明显 . 通 过 数值 计 算 得 到 的采 空 区 氧 体 积 分 数 及 渗 流速 度 分布 如 图 2~3 所 示 . 从 图可 以看出 , 在 与工 作面距 离相 同 的采空 区 内 , 靠近 进风 侧氧 体 积分 数 比回风 侧更 高 . 在采 空 区进风侧 距 离工 作 面 30 m 处 , 氧气 体积 分数 达 到 18 % , 50 m 左 右 达 到 16% , 110 m 处达 到下 限氧 体积 分数 5% 左 右 . 采 图 二 F ig s e 日` . 3 东荣 三矿采 空 区 “ 三 带 ” 划 分 .3 1 采 空 区 “ 三 带 ” 划 分依 据 采 空 区 煤 自燃 的 “ 三 带 ” 即 散热 带 、 氧 化 升温 带和 窒息 带 . 在 散热 带 , 由于 漏风 速度 较大 , 煤体 表面 对流 换热 量 很大 , 煤 氧化 放 出 的热量 能 很快 被带走 , 因而 煤温 不会 升高 , 不会 发生 自燃 ; 窒 息 带 内氧体 积 分数 较低 , 煤 氧 化速 度 很慢 , 煤 温 也 不会 升高 ; 只 有氧 化升 温带 内 , 氧 体积 分数 较高