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 ·