周佩玲等：非均质孔隙率采空区氧化升温规律四维动态模拟 ·1353· 0s020160300 200 150 2计算结果及分析 100 50 0 10 2.1非均质孔隙率分布及四维变化 进风巷 在建立了采空区四维动态变化模型的基础上，对 岩层 煤层 回风巷 采空区模型进行解算，得到孔隙率时空演化过程如 联络巷 y 图3所示.图3是推进速度为2.4m·d时，1=2、9 图2计算模型示意图（单位：m) 和16d时孔隙率的时空演化过程.可见孔隙率在空间 Fig.2 Schematic diagram of the calculation model (unit:m) 以非均质形式分布，工作面附近及两巷位置由于支护 表1煤与空气的物理参数 及巷道的作用，孔隙率较大，中间压实区域孔隙率较 Table 1 Physical parameters of coal and air 小，符合“0”形圈理论 量名称 数值 单位 图4为采空区距底板1m高截面孔隙率动态变 煤的密度 1300 kg'm-3 化.随着开采的不断进行，采空区纵深增长，孔隙率的 煤的比热容 1003.2 J小kglK 同一等值线随着工作面向前移动，深部孔隙率不断减 煤的热传导率 0.1998 W.m-1.K-1 小，根据相对运动原理，相当于近工作面前端100m范 反应热(1mol02) 300 ◇ 围内孔隙率始终不变.如图5所示，采空区某一空间 空气的比热容 1.0 J.kg-1.K- 点(10,10,1)的孔隙率随时间以负指数形式不断减 空气的热传导率 2.6×10-2 Wml…Kl 小，这与实际采空区孔隙率不断被压实变化更接近 空气动力黏度 1.8×10-5 kg'm-1.s-1 2.2动态推进采空区氧化升温规律 2.2.1工作面推进速度对采空区温度场的影响 气体扩散系数 1.5×10-5 m2s-1 由于工作面的不断推进，采空区是一个动态地不 初始温度 300 K 断扩大地空间，所以影响煤氧反应的主要因素有遗煤 进口风速 1.4 厚度、孔隙率、工作面风量、工作面推进速度等.其中， 孔隙率 (b) ■0.76 0.63 0.52 0.38 d 0.25 0.13 0 图3孔隙率时空演化图.(a)t=2d,z=7m截面：(b)t=2d,空间图：(ct=9d,z=7m截面：(d)t=9d,空间图：(e)t=16d,z=7m 截面：(0t=16d,空间图 Fig.3 Porosity temporal and spatial evolution:(a)t=2d,:=7m,section:(b)t=2d,space:(c)t=9d,z=7m,section:(d)t=9d,space: (e)t=16d,z=7m,section:(f)t=16d,space 遗煤厚度、工作面风量等对采空区升温的影响已有前 风侧.工作面推进速度越大采空区升温速率越小，温 人做出部分研究，本文主要针对工作面推进速度对采 度越低，v=1.2m·d-时最高温度为313.39K,v= 空区升温规律的影响进行研究 3.6md-时最高温度为305.46K,主要是因为推进相 工作面推进速度是影响煤体氧化升温过程的主要 同的距离，如果推进速度大则采空区内物质输运速度 因素，决定了高温点的温度及位置.下面分别对推进 增加，工作面附近低温煤体温度增加速度加快，同时温 速度为1.2、2.4、3.6和6md-时煤氧低温氧化升温 度较高的煤体将迅速进入室息带，从而抑制了温度的 规律进行模拟计算。 升高，对预防遗煤的自燃具有显著作用.然而，工作面 图6是工作面推进18m时，距底板1m高度处采 推进速度越大，高温区域深度越大，如表2所示，高温 空区温度场等值线分布.可知高温区域主要集中在进 区域深度的增加又不利于对遗煤自燃的防治，所以对周佩玲等: 非均质孔隙率采空区氧化升温规律四维动态模拟 图 2 计算模型示意图( 单位: m) Fig． 2 Schematic diagram of the calculation model ( unit: m) 表 1 煤与空气的物理参数 Table 1 Physical parameters of coal and air 量名称 数值 单位 煤的密度 1300 kg·m － 3 煤的比热容 1003. 2 J·kg － 1·K － 1 煤的热传导率 0. 1998 W·m － 1·K － 1 反应热( 1 mol O2 ) 300 kJ 空气的比热容 1. 0 J·kg － 1·K － 1 空气的热传导率 2. 6 × 10 － 2 W·m － 1·K － 1 空气动力黏度 1. 8 × 10 － 5 kg·m － 1·s － 1 气体扩散系数 1. 5 × 10 － 5 m2 ·s － 1 初始温度 300 K 进口风速 1. 4 m·s － 1 2 计算结果及分析 2. 1 非均质孔隙率分布及四维变化 在建立了采空区四维动态变化模型的基础上，对 采空区模型进行解算，得到孔隙率时空演化过程如 图 3 所示． 图 3 是推进速度 v 为 2. 4 m·d － 1 时，t = 2、9 和 16 d 时孔隙率的时空演化过程． 可见孔隙率在空间 以非均质形式分布，工作面附近及两巷位置由于支护 及巷道的作用，孔隙率较大，中间压实区域孔隙率较 小，符合“O”形圈理论． 图 4 为采空区距底板 1 m 高截面孔隙率动态变 化． 随着开采的不断进行，采空区纵深增长，孔隙率的 同一等值线随着工作面向前移动，深部孔隙率不断减 小，根据相对运动原理，相当于近工作面前端 100 m 范 围内孔隙率始终不变． 如图 5 所示，采空区某一空间 点( 10，10，1) 的孔隙率随时间以负指数形式不断减 小，这与实际采空区孔隙率不断被压实变化更接近． 2. 2 动态推进采空区氧化升温规律 2. 2. 1 工作面推进速度对采空区温度场的影响 由于工作面的不断推进，采空区是一个动态地不 断扩大地空间，所以影响煤氧反应的主要因素有遗煤 厚度、孔隙率、工作面风量、工作面推进速度等． 其中， 图 3 孔隙率时空演化图 . ( a) t = 2 d，z = 7 m 截面; ( b) t = 2 d，空间图; ( c) t = 9 d，z = 7 m 截面; ( d) t = 9 d，空间图; ( e) t = 16 d，z = 7 m 截面; ( f) t = 16 d，空间图 Fig． 3 Porosity temporal and spatial evolution: ( a) t = 2 d，z = 7 m，section; ( b) t = 2 d，space; ( c) t = 9 d，z = 7 m，section; ( d) t = 9 d，space; ( e) t = 16 d，z = 7 m，section; ( f) t = 16 d，space 遗煤厚度、工作面风量等对采空区升温的影响已有前 人做出部分研究，本文主要针对工作面推进速度对采 空区升温规律的影响进行研究． 工作面推进速度是影响煤体氧化升温过程的主要 因素，决定了高温点的温度及位置． 下面分别对推进 速度为 1. 2、2. 4、3. 6 和 6 m·d － 1时煤氧低温氧化升温 规律进行模拟计算． 图 6 是工作面推进 18 m 时，距底板 1 m 高度处采 空区温度场等值线分布． 可知高温区域主要集中在进 风侧． 工作面推进速度越大采空区升温速率越小，温 度越低，v = 1. 2 m·d － 1 时最 高 温 度 为 313. 39 K，v = 3. 6 m·d － 1时最高温度为 305. 46 K，主要是因为推进相 同的距离，如果推进速度大则采空区内物质输运速度 增加，工作面附近低温煤体温度增加速度加快，同时温 度较高的煤体将迅速进入窒息带，从而抑制了温度的 升高，对预防遗煤的自燃具有显著作用． 然而，工作面 推进速度越大，高温区域深度越大，如表 2 所示，高温 区域深度的增加又不利于对遗煤自燃的防治，所以对 · 3531 ·