D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.06.001 第27卷第6期 北京科技大学学报 VoL27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2005 基于流场模拟的综放面自燃危险区域划分及预测 张辛亥1)席光》徐精彩)周金生》 张健》 1)西安交通大学能源动力学院，西安7100612)西安科技大学能源学院，西安7100543)双鸭山矿业集团，双鸭山155100 摘要通过对采空区渗流场的数值模拟，得到采空区渗流速度及氧气体积分数的分布.结 合实验测得的煤自燃发火期和自燃临界参数，对采空区“三带”进行划分，并得到了采空区不 自燃的工作面最小推进度.该方法计算量比模拟采空区煤自燃全过程少得多，预测精度却能 够满足实际防灭火需要， 关键词采空区：自燃：危险区：数值模拟：预测 分类号TD752.2 放采放顶煤工作面采空区容易发生自燃.以 接顶发生冒落，形成松散的多孔介质，空气可以 往对采空区自燃“三带”的划分主要通过向采空 沿着松散介质渗流到采空区深部，根据经验，发 区预埋观测管或传感器，观测采空区氧气及其他 生渗流的破裂带主要在工作面进、回风侧煤柱之 气体体积分数分布及漏风强度来实现：.在现场 间，煤层底板以上6m高的范围.在与工作面水 观测不能实现的情况下，空区自燃危险区域难以 平距离150m外的采空区深部，渗流阻力非常大， 判定，采用数值模拟的方法可以预测采空区煤体 可以认为无渗流发生.渗流区域如图1所示. 氧化升温过程，但由于采空区范围很大，数值模 采空区松散煤体及岩体各为均匀多孔介质， 拟计算量非常大，需要用大型计算机和较长时间 但岩体与煤体内滲流参数不同.采空区遗煤和渗 完成.在正常开采过程中，采空区煤体自燃的 流经过的氧气发生化学反应，导致采空区氧气浓 发展非常缓慢，是准静态过程.因此，可将采空区 度分布不均匀，进一步引起氧气从浓度高处向低 的渗流场和浓度场近似看成稳态的，采用数值方 处扩散。由于煤自燃过程非常缓慢，认为在正常 法求解采空区渗流、氧化及扩散的稳态模型，得 生产过程中采空区氧的扩散与反应达到动态平 到氧浓度及漏风强度的分布，据此可划分采空区 衡，并且温度不发生变化. “三带”，预测采空区煤自燃危险性， 118m 2.0m 150m 1综放面空气渗流物理模型 3.2m 破醉岩体 0.8m 双鸭山矿业集团东荣三矿综一面为轻型放 一松散煤体 顶煤回采工作面.该工作面走向长度960m,倾斜 长度为118m,煤厚5m.受地质构造影响，综一面 顺槽破碎岩体工作面 顺槽 倾斜长度随工作面推进不断缩小，因而向采空区 m 预埋管观测时，观测管经常被压断导致观测失 图1渗流区威模型 Fig.1 Geometric model for flow field 败.为此，采用数值方法计算采空区氧浓度及漏 风强度分布，采煤工作面开采过程中，顶煤及直 2采空区渗流及扩散数值模拟 收稿日期：2005-04-20修回日期：2005-07-12 2.1采空区渗流控制方程 基金项目：“十五”科技攻关项目(No,2004BA803B0114):国家 假设计算区域内流体密度不变，空气中的氧 杰出青年基金项目QNo.50125414:陕西省教育厅自然科学基 气与煤反应而被消耗，同时有CO2等气体产生， 金项目No.05K261) 作者简介：张辛亥(1971一)，男，副教授，博士研究生 气体消耗量与产生量湘等，使空气质量不发生变第 27 卷 第 6期 2 0 5 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt o f s e el n e e a n d l艳c h n o l o yg B eij ni g 从 , L 2 7 N O 一 6 D e C 。 2 0 0 5 基于流场模拟的综放面 自燃危险区域划分及预测 张辛 亥 ’ ,2) 席 光 ” }盔五玉} 2 , 周金 生 ” 张 健 3 , l) 西 安交 通大学 能源 动力 学院 , 西安 71 0 0 61 2) 西 安科 技大 学能源 学 院 , 西 安 71 005 4 3) 双鸭 山 矿 业集 团 , 双 鸭 山 15 5 10 摘 要 通过 对采 空 区渗流 场 的数值模拟 , 得 到采 空 区渗流 速度 及氧 气 体积 分数 的分 布 . 结 合实验 测得 的煤 自燃 发火 期和 自燃 临界 参数 , 对采 空 区 “ 三 带 ” 进 行划 分 , 并 得到 了采 空区 不 自燃 的工 作面 最小推 进 度 . 该 方法 计算 量 比 模拟 采 空区 煤 自燃 全过 程 少得 多 , 预测 精度 却 能 够满 足 实际 防灭火 需要 . 关键 词 采空 区 ; 自燃 ; 危 险 区 ; 数值 模 拟 : 预 测 分 类号 T D 7 5 + 2 . 2 放 采放 顶煤 工 作面 采 空 区容 易发 生 自燃 . 以 往 对 采 空 区 自燃 “ 三 带 ” 的划分 主 要 通过 向采 空 区预 埋观 测管或传 感器 , 观测采 空区氧 气及 其他 气体 体积 分数 分布 及 漏风 强度 来 实现『, · 2] . 在现场 观测 不 能实现 的情 况 下 , 空 区 自燃 危 险 区域难 以 判 定 . 采 用 数值 模拟 的方 法可 以预测 采空 区煤体 氧 化升 温 过程 , 但 由于 采 空 区范 围很 大 , 数值 模 拟 计算 量非 常 大 , 需要 用大 型计 算机 和较 长 时 间 完成 。司 . 在 正 常开 采 过程 中 , 采 空区 煤体 自燃 的 发展 非常 缓慢 , 是准 静态 过程 . 因此 , 可 将采 空 区 的渗 流场 和浓 度场 近似 看成 稳 态 的 , 采 用数 值 方 法求 解采 空 区渗流 、 氧化及 扩 散的稳 态模型 , 得 到氧 浓度 及漏 风 强度 的分 布 , 据此 可 划分 采空 区 “ 三带 ” , 预 测 采 空 区 煤 自燃 危 险性 . 1 综 放面 空 气 渗流 物 理 模型 双 鸭 山矿 业 集 团东 荣 三 矿 综 一 面 为 轻 型放 顶煤回采工 作面 . 该 工 作面 走 向长度 9 60 m , 倾 斜 长度 为 1 8 m , 煤 厚 s m . 受地 质 构造 影 响 , 综一 面 倾 斜长度 随工 作面推 进不 断缩小 , 因而 向采 空区 预 埋 管观测 时 , 观 测 管 经 常被压 断 导 致 观 测 失 败 . 为 此 , 采 用 数值 方法 计 算 采空 区 氧浓 度 及漏 风 强度 分布 . 采煤 工 作 面 开采 过程 中 , 顶煤 及 直 收稿 日期 : 2 0 05 一4 - 2 0 修 回 日期 : 20 05 刁 7 一 12 垂金 项 目 : “ 十 五 ” 科技攻 关项 目 (N .o 20 4 B A 8 03 B 0 114) ; 国家 杰 出青年基 金项 目 N( 0 . 50 12 5 41 4) ; 陕西省 教育 厅 自然 科学 基 金项 目N( 0 . 0 5刃K2 6 1) 作者 简介 : 张 辛亥 ( 19 71 一) , 男 , 副教授 , 博 士 研 究生 接顶 发 生 冒落 , 形 成松 散 的 多孔 介质 , 空气 可 以 沿着 松 散 介质 渗 流 到采 空 区 深 部 . 根 据 经 验 , 发 生渗 流 的破 裂 带主 要在工作 面进 、 回风侧 煤柱 之 间 , 煤 层底 板 以上 6 m 高 的范 围 . 在 与工 作面 水 平 距离 150 m 外 的采 空 区深 部 , 渗流 阻 力非常 大 , 可 以认 为无 渗 流发 生 . 渗 流 区 域如 图 1 所示 . 采 空 区松 散煤 体 及岩 体 各为 均 匀 多孔介 质 , 但 岩 体 与煤体 内渗 流 参数 不 同 . 采 空 区遗 煤和 渗 流经 过 的氧气 发 生化 学 反应 , 导 致采 空 区氧气 浓 度 分布 不均 匀 , 进一 步 引起 氧气 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 过程 中采 空 区氧 的扩 散与 反应 达 到 动态 平 衡 , 并且 温 度 不发 生 变化 . 1 1 8 m . O m . 2 m 破石 . s m 图 1 渗流 区域 模型 n .g 1 G eo m e 扮ic m o d e l fo r fl o w n e ld 2 采空 区 渗流 及 扩散 数值 模拟 .2 1 采空 区渗流 控 制 方程 假 设计 算 区 域 内流 体 密度 不变 , 空气 中的氧 气 与煤反 应 而被 消 耗 , 同时有 C 0 2 等气 体 产生 , 气 体消 耗量 与 产生量 相 等 , 使 空气质 量 不发 生变 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 06. 001