采空区遗煤自燃升温过程的数值模型及其应用

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采空区场域自燃CO向工作面涌出的数值模拟

采空区场域自燃Ｃ向工作面涌出的数值模拟Ｏ
李宗翔吴志君马友发，，
（．１辽宁工程技术大学职业技术学院，阜新１３０；．２００２阜新矿业集团五龙煤矿，阜新１３０）２００
摘要：针对采空区遗煤氧化产生的ＣＯ气体问题，建立了采空区自燃和ＣＯ释放与运移的数学模型．结合综放工
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＴｅｐｉｏｏｓＣＯｉｈｏｋｎａｅｉｍｏｔｅｖｄｆｏｔｅｓｏｔｎｏｓｃｍｂｓｉｎｏｅａｔｃａｎｈｏｓｎｕｎｔｅｗｒｉｇｆｃｓｓｙｄｒｅｒｍｈｐｎａｅｕｏｕｔｏｆｒｍｎｎｏｉｌｉｌｇａ．Ａｔｅｔａｄｌａｓｂｉｈｄ，ｆｒｓｏｔｎｏｓｃｍｂｓｏｎｈｅｅｓｎｖｍｅｔｏＯｈｃｅｅ－ｏｆｍａｍａｉｌｍｏｅｓｅｔｌｅｈｃｗａｓｏｐｎａｅｕｏｕｔｎａｄｔｅｒｌａｅａｄｍｏｅｎｆＣｗｉｈｇｎｒｉａｅｒｍｏｘｇｎｔｎｉ０ｆＣｍｂｎｄｗｔｎｔｎｅｆｃｍｐｅｅｓｖｃａｉｔｎａｄｃｖｎｒｉｇｆｃｓｈｔｄｆｏｃａｏｙｅａｉｎｇａ．ｏｉｅｉｉｓｃｓｏｏｒｈｎｉｅｍｅｈｚｉｎａｉｇｗｏｋｎａｅ，ｔｅｌｏｈａｎａｏｒｇｏａｉｒｂｔｎｓｌｔｎｆｅｅｙｖｒｂｅｗｒｂａｎｄｂｓｎｎｔｌｍｅｔｍｅｈｄ．ｄｔｅｇｎｒｌｆ－ｅｉｎｄｓｉｕｉｏｕｉｓｏｖｒａｉｌｅｅｏｔｉｅｙｕｉｇｆｉｅｅｅｎｔｏＡｎｅｅａｒｅｏｌｔｏｏａｉｈｌｏＣＯｒｅｌａｅ，ａｄｔｅａｓｌｔｕｈｎｕｎｉｆＣｅａｙｅ．ｅｑａｔａｉｅｉｆｕｎｅｆｓｍｅｆｃｏｓｕｈａｏｌｇｓｅｓｎｈｂｏｕｅｇｓｉｇｑａｔｙｏＯｗｒａｌｚｄＴｕｎｉｔｎｅｃｓｏｏａｔｒ，ｓｃｓｇａａｔｅｎｈｔｖｌ

煤自燃过程的实验及数值模拟研究

煤自燃过程的实验及数值模拟研究
煤层自燃严重影响着煤炭工业发展，给矿井生产带来极大安全隐患。

由于实际条件下的煤自燃过程很难描述清楚，使得煤层自然发火预测预报技术的发展受到严重制约。

本文根据现场实际条件，抓住煤体氧化放热和环境散热这对主要矛盾，根据多孔介质渗流力学和传热传质学理论，建立了煤自燃过程数学模型。

依据模型确定出煤自燃过程数值模拟所需的关键参数为煤的耗氧速度和放热强度及松
散煤体内的氧气扩散系数和渗透系数，通过实验对其进行了研究和测试。

提出了实际条件下煤体放热强度和耗氧速度的计算方法，并通过实验得出了煤体粒度影响函数。

设计建造了国内最大的(装煤量15t)煤自然发火实验台，首次实现了煤自然发火全过程的实验模拟，掌握了煤自燃高温点的发生、发展、变化过程及停止供氧后高温点的降温规律。

根据实验台条件，建立了数学模型，通过数值模拟，解决了煤自然发火实验模拟条件单一的问题。

针对现场应用，提出了实际条件下漏风强度的测算方法及煤自燃危险区域的判定准则，通过煤自燃过程的数值模拟研究，发展了综放面采空区及巷道自然发火预测理论。

采用实验测定的关键参数，结合现场可测参数，并考虑这些参数的实际变化情况，运用理论与实践相结合的方法，通过数值模拟再现了综放面采空区和巷道松散煤体自燃的发生及发展过程，首次解决了实际条件下煤自然发火条件、地点和时间的判定及预测问题。

该理论成果经受了现场多次煤层自燃火灾预测预报和防灭火工作的检验，在该成果的指导下，成功地预防和扑灭了几十次矿井煤层火灾。

数值模拟预测综放面采空区遗煤自燃程度

关键词：采空区；ＣＯ；流场模拟；自燃程度
中图分类号：ＴＤ７５２．２
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７１ — ７４９Ｘ（２０１３）０２— ００１１— ０４
０引言
通常采用采空区预铺设束管监测来实测采空区ＣＯ等指标气体浓度分布，进而根据采空区ＣＯ等指标气体的分布情况来预测采空区遗煤自燃情况Ｊ。但该方法采空区预铺设束管监测，工作量
明显，在１２０ ℃ 一１４０ ℃时，ＣＯ产生率增加明显加快，随后急剧增加。用指数函数进行曲线拟合，见图
收稿日期：２０１２—０９— ２６作者简介：夏海斌（１９８５一），男，湖北京山人，２０１１年毕业于西安科技大学安全工程专业，工程师，主要从事煤矿安全与管理工作。
４个测点随着工作面的推进向前移动，经过连续１４
ｄ的监测，监测结果见图４，从图可看出，１２２０７综放
工作面概况：宁夏回族自治区灵武矿区枣泉煤矿１２２０７首采综放面位于１２采区南翼，工作面下顺
流不易到达工作面上隅角，ＣＯ气体会在工作面上隅角处积聚，ＣＯ浓度会较大，此处ＣＯ来源于采空区
遗煤氧化产生，上隅角ＣＯ浓度的大小一定程度上可以反映采空区内部遗煤自燃程度。

回采情况下采空区煤自燃温度场理论与数值分析

Goaf coal spontaneous combustion temperature field theory and numerical analysis under mining conditions
TAN Bo1, 2, NIU Huiyong3, HE Chaonan2, FENG Shiliang2
第 44 卷第 1 期 2013 年 1 月
中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University (Science and Technology况下采空区煤自燃温度场理论与数值分析
谭波 1, 2，牛会永 3，和超楠 2，冯世梁 2 (1. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083； 2. 中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京，100083； 3. 湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭，411201)
摘要：为了从理论基础上研究煤自燃基础参数对煤自燃的影响，通过建立动坐标系下采空区煤自燃数学模型来掌握工作面回采时采空区煤自燃的过程。该模型结合煤自燃极限参数计算方法和热传导理论，计算简化后的自燃数学一维模型解析解，利用一维数值计算，分析不同参数对采空区煤自燃的影响。研究结果表明：增大回采速度，可以有效地减低煤温；浮煤越厚，漏风速度越大，煤越易自燃；当遗煤放热量与温度成正比时，距离工作面越远的点其温度越高，且呈指数形式增加；当发热量为常数时，采空区距离工作面越远的点其温度越高，且呈线性形式增加；考虑到沿采空区的深部方向，氧气浓度逐渐降低，遗煤放热量随着深度增加而逐渐减少，该数值结果与实际结果较接近；由于采空区是一个立体几何空间，采空区温度场与氧气浓度场、速度场存在耦合作用，因此，有必要基于三维或二维数值模拟技术继续深入研究回采情况下采空区煤自燃。关键词：采空区；温度场；回采速度；浮煤厚度；数值分析中图分类号：TD75+2 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2013)01−0381−07

双指标划分采空区自燃三带的数值模拟

采空区内氧浓度随时间变化由 3 部分组成：由于气体对流带入的 O2 ，由于气体扩散带入的 O2 ，由于遗煤的氧化而消耗掉的 O2 。因此，氧浓度平衡控制方程
［4 ］
可以表达为式（ 3 ）：
2
（ ερc）（ ερcu）（ ερcv） c = －〔 + 〕+ ερD 〔 2 + t x y x c －r 2〕 y 式中 r— — —单位体积浮煤的 O2 消耗速率； c— — —O2 的质量浓度； — —采空区多孔介质孔隙率； ε— D— — —采空区 O2 的扩散系数。式（ 3 ）中，左边 1 项表示采空区内 O2 浓度随时右边的 3 项依次表示由于对流、扩散导致间变化量，的氧浓度变化量和由于遗煤的氧化而使氧浓度减少的量。 1． 4 1． 4． 1 采空区边界条件的设置采空区多孔介质的边界条件
试验·研究
指标划分散热带和氧化带分界。 2． 2 氧气浓度划分氧化带与窒息带边界氧浓度指标划分“三带 ” 在现场工作中容易实，现这种方法在现场实测中常用。一般认为氧气浓而自燃带与窒息带的氧气度＞ 18% 为散热带范围，浓度指标由于煤的变质程度和赋存环境不同有所差异，一般在 5% ～ 10% 范围取值。这里按氧气浓度＜ 5% 为指标划分氧化带与窒息带的界限。 2． 3 温度指标的适用性分析除了上述Байду номын сангаас2 个指标以外，有的学者也提出了将
（ 6）
通过上述内容可以看出，模拟采空区多孔介质条件的关键是确定采空区渗透率，而这个参数又和采空区平均粒子直径和孔隙率有关，孔隙率又可以通过采空区岩石碎胀系数得到。因此，模拟采空区内风流流动，主要任务就是通过实测或经验计算得出采空区内遗煤和冒落矸石的平均粒子直径和岩石碎胀系数。 1． 4． 2 采空区内瓦斯涌出的边界条件对于采空区内靠近工作面区域由于冒落时间短，遗煤中瓦斯还未完全释放完毕，可将瓦斯释放视计算时采空区域内初始条件设为采动后连续释放，置瓦斯释放源项；而对于采空区后部压实区域，遗煤冒落时间较长，赋存瓦斯已基本上释放完毕，构建模型时可设置采空区后部压实区域瓦斯浓度为 100% 或为实测到一定浓度值。 1． 4． 3 工作面通风量的边界条件根据对采空区二维空间的假设条件，在数值模拟时，一般设置进风巷为确定风速条件，回风巷为自由压力出口条件，风流从进风巷进入采空区多孔介质，从回风巷出口自由释放。 2 2． 1 “三带” 采空区自燃划分指标适用性分析风速划分散热带与氧化带边界

复杂沟通条件下遗煤自燃规律的数值模拟

第31卷第5期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2012年10月V ol.31No.5Journal of Liaoning T echnical University （Natural Science ）Oct.2012收稿日期：2012-04-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（51074086）；.国家自然科学基金资助项目（51174109）；.辽宁省教育厅重点实验室基金资助项目（2008S112-08-219）.作者介绍：题正义（1957-），男，吉林长春人，教授，主要从事爆破、“三下”采煤，矿井灾害防治等面的研究.本文编校：曾繁慧文章编号：1008-0562(2012)05-0577-04复杂沟通条件下遗煤自燃规律的数值模拟题正义1，张春2，李宗翔2（1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新,123000;2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新,123000）摘要：为了解决复杂沟通条件下遗煤自燃的防治问题，应用数值模拟方法对放顶煤采空区遗煤自燃规律进行了研究.建立了放顶煤采空区遗煤自燃数学模型，并对复杂沟通条件下的放顶煤采空区遗煤自燃规律进行了数值模拟研究.在深部内部漏风边界有高氧浓度时，采空区自燃位置有两处，当考虑老空区内部瓦斯浓度很高和老空区耗氧情况，采空区自燃位置只有一处.只有注氮与阻化联合使用，才能避免放顶煤采空区遗煤自燃的发生.遗煤自燃发火期与工作面推进速度成正比关系，与工作面风量、遗煤氧化速度常数成反比关系.该研究对放顶煤采空区遗煤自燃的防治具有一定的指导意义.关键词：综放采空区；数值模拟；复杂沟通；遗煤自燃；自然发火期；边界条件；氧化速度；漏风量中图分类号：X 936文献标志码：ANumerical simulation on spontaneous combustion of residualcoal with complicated contactsTI Zhengyi 1,ZH ANG Chun 2,LI Zongxiang 2（1.School of Mines,Lia oning Technical University,Fuxin 123000,China;2.College of Safety Science a ndEngineer ing,Liaoning Technica l University ,Fuxin 123000,China ）Abstra ct:In order to solve the problem of preventing spontaneous combustion of residual coal in the goaf of a fully mechanized top-coal caving face with complicated connections and contacts,a numerical simulation method was applied to model the spontaneous combustion characteristics of residual coal in the goaf of a fully mechanized top-coal caving face.A mathematical model of the spontaneous combustion of residual coal at a fully mechanized top-coal caving face was ing the model developed,the spontaneous combustion characteristics of residual coal with complicated contacts were simulated.The spontaneous combustion of residual coal occurs in two locations when oxygen concentration is high in goaf.The spontaneous combustion of residual coal occurs in one location when the mine gas and the consumption of oxygen are conditioned.When both nitrogen injection and negative catalyzer are used together,the spontaneous combustion of residual coal can be prevented.The spontaneous combustion period of residual coal is positively proportional to the advance rate of working face and is inversely proportional to the ventilation air quantity of working face and the oxidation rate of residual coal.This paper provides a good reference for preventing the spontaneous combustion of residual coal in the goaf of a fully mechanized top-coal caving mining face.Key wor ds:goaf of fully mechanized top-coal caving face;numerical simulation;complicated contact;spontaneous combustion of residual coal;spontaneous combustion period;boundary conditions;oxidation rate;air leakage quantity0引言随着工业的发展，放顶煤开采方法在中国的应用范围逐渐扩大.在提高煤炭产量的同时，放顶煤开采也给煤矿的安全生产带来了一些新问题.文献[1-9]对这些新问题进行了较深入的研究.其中，放顶煤采空区遗煤的自燃一直是威胁煤矿安全生产的主要问题，尤其是复杂沟通条件下的放顶煤采空区遗煤自燃问题，显得更加复杂，更加难以解决.本文通过数值模拟的方法并结合放顶煤开采采空区的特点，对复杂沟通条件下放顶煤采空区遗煤自燃规律进行数值模拟研究与分析.1放顶煤采空区遗煤自燃的数学模型采空区内的冒落是非均质的，在不同位置，其辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷578冒落介质的空隙率、渗透特性、流场的冒落高度等都有所不同.假设采空区充分冒落、老顶板块和底板为不透气边界，不可压缩气体稳定的渗流模型为：渗流方程0)grad (div p kH ，（在Ω上）(1)式中，3p p (0)pp (1),1K K M k bHK K ；风压边界条件：)(211y L Q r a py（工作面边界上）.在采空区Ω上，氧浓度变化方程为Wc n V c c n )grad (div )(div d d )O ()O ()O (222D ，(2)浓度边界条件：212(O )(O ),0c c （在漏入新风处）.初始条件：2(O )b c c .式中，Ω代表计算区域；Γ1、Γ2分别代表第1、2类边界.p 为风压，Pa ；k 为采空区渗透系数，m 2/(Pa s)；b 是与k 同单位的待定系数；M 为采高，m ；K P 为冒落碎胀系数，K P (x ,y)=max '(0)'pp p {()e}a l dK K K ，式中，K P (0)为初始冒落碎胀系数，K`P 为压实碎胀系数，l 代表某一边界；a l 为l 边界衰减率，d 为与l 边界的距离.r 1为单位长度工作面的风阻，N s 2/m 9；L y 为工作面长度，m ；H 为采空区冒落高度，2(O )m c 为氧浓度，mol/m 3，2(O ),0c 为新风流中氧浓度（9.375mol/m 3），c b 为自燃初始时刻的氧浓度；n 为空隙度；τ为时间变量，h.V 是渗流速度场，对二维问题V =n(v x ,v y )；W 是耗氧汇项，mol/(m 3h)；D 是气体弥散系数张量，m 2/h.在计算出速度场和氧浓度场的基础上，采空区的温度场可表示为e g es div()div(t)+(),f t C C tV grad Q h t T (3)边界条件：23ee,()f ttq h t T nn，)(3f eT th nt ；初始条件：00T t，01T t.式中，t 为采空区煤矸体温度，℃；λe 为多孔介质有效热传导系数，W/(m ℃)；λe =n λg +(1-n)λs ，其中λs 、λg 分别为多孔骨架、空隙气体的热传导系数；C e 为多孔介质有效热容量，J/(m 3℃)，C e =nC g +(1-n)C s ，其中C s 、C g 分别为多孔骨架、空隙气体的当量热容，J/(kg ℃)；T 0为温度场初始温度，℃；q 为热通量，W/m 2；T f 为风流温度，℃，在新风侧T f =T 0；Q s 代表源汇项；h 为对流换热系数，W/(m 2℃).2放顶煤采空区遗煤自燃数值模拟2.1复杂沟通漏风采空区自燃的数值模拟分析复杂沟通漏风采空区是老矿区、多煤层开采必然带来的问题，由于复杂的漏风沟通关系，使采空区漏风供氧条件复杂化，对自燃发生具有较大影响.此处以阜新矿区海州立井3316工作面采空区为例进行研究分析.该工作面因自燃导致CO 浓度超限而封闭，使矿井不能正常生产，造成了严重的经济损失，并严重威胁矿井安全生产.为了方便分析，将该工作面按二维模型条件进行简化，如图 1.图13316采空区流场几何模型Fig.1the seepage field geometrical model and crackedexpansion coefficient distribution in 3316goaf通过模拟，3316自燃温度场如图2.图23316采空区温度分布场Fig.2the temperature field of 3316goaf （温度等值线差距10℃）在深部内部漏风边界有高氧浓度时，采空区自燃位置有两点，即工作面漏风入口附近和内部漏风附近.当考虑老空区内部瓦斯浓度很高和老空区耗氧情况，采空区自燃位置只有一点，就是工作面漏风入口附近.2.2边界条件和氧化因素变化对自燃的影响通常防灭火技术手段可分为两类：惰化和阻化.187623450m温度分布<91.6952,time:18d 14.6h[16]50m第5期题正义，等：复杂沟通条件下遗煤自燃规律的数值模拟579模拟结果见图3至图7.模拟四种情况：无措施工作面停顿状态；无措施工作面推进1.2m/d ；阻化、注氮工作面停顿；阻化工作面推进1.2m/d.图3注氮气不阻化的采空区氧浓度分布Fig.3distribution of oxygen concentration in goaf on the condition of nitrogen injection and no negative catalyzer图4注氮气不阻化的采空区温度分布场Fig.4the temperature field of goaf on the condition ofnitrogen injection and no negative catalyzer图5注氮气同时阻化采空区温度分布Fig.5the temperature field of goaf on the condition ofnitrogen injection and negative catalyzer由于放顶煤开采工作面推进度很慢（日进度在1.2m 左右），所以，工作面推进与否，对自燃抑制的作用影响不大.有推进时，自燃发火期延迟几天.单纯注氮时，由于流量有限，且注氮口位置不能过浅，在工作面附近仍可能自燃(图3、图4)；注氮与阻化联合使用，可避免自燃发火的发生(图5、图6).图63316采空区自燃高温点的变化曲线Fig.6the change curve of temperature of 3316goaf2.3放顶煤采空区自燃影响因素分析以80℃作为遗煤自燃的标志，对模拟所得数据进行回归分析，结果表明遗煤的自然发火期(τ1)与其氧化速度(γ0)及风量(Q)均呈反比关系，即：10,1/,10,1/Q Q ,式中，对于模拟事例γ=2.576，1=12.53（R=0.99，如图7）；Q =7.974，ω1=7186.85（R=0.98，如图8）.式中，τ0,γ和τ0,Q 值反映了在能够充分提供氧气的情况下遗煤自燃的时间过程，即温度达到80℃.工作面风量对采空区遗煤自然发火期存在较大影响，对模拟条件，当风量水平处于下缘，工作面风量对自然发火期的影响不再明显(图9)，但可以增大遗煤自燃危险性.根据阻化剂的作用原理，对于实施喷洒阻化剂的阻化煤氧化的工作面，煤氧化速度倍数与实施喷洒阻化剂的阻化率有直接关系，即K=1–E ，式中,K 为煤氧化速度倍数；E 为阻化剂阻化率，%.1—3232工作面2—3231工作面12图7自然发火期与煤氧化速度常数变化的关系Fig.7relationship between spontaneous combustion periodand the oxidation rate of residual coal20%2%注氮流量15m 3/min 浓度等值线差距2%注氮流量15m 3/min ，温度等值线差距10℃20℃102030405060708090010203040时间/d温度/℃12341—阻化剂注氮工作面停顿2—阻化剂推进1.2m/d 3—工作面推进1.2m/d 4—工作面停顿氧浓度分布O 26.08315<9.37550m50m20℃温度等值线差距10℃50m温度分布<43.375,time:35d26h[27]温度分布<140.836,ti me:18d 14.6h[16]>辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷5801—3232工作面2—3231工作面12图8自然发火期与工作面风量的关系Fig.8relation between spontaneous combustion period andthe blast volume of workingface1—3232工作面2—3231工作面12图9自然发火期与工作面推进度的关系Fig.9relation between spontaneous combustion period andthe velocity of working face随着工作面推进度增加，采空区遗煤自然发火期也随之延长(图9).两者关系为*111exp()da v ，a 、d 为回归系数；显然τ*1为最短自然发火期.对模拟事例，τ*1=14.62d ，a =0.01045，d=2.74（R=0.98）.各图中，3231代表工作面向采空区漏风量143.64m 3/min 的情况，3232代表工作面向采空区的漏风减小到103m 3/min 时的情况.3结论(1)建立了放顶煤采空区遗煤自燃数学模型；(2)以阜新矿区海州立井3316工作面采空区为例，利用二维模型对复杂沟通漏风采空区自燃进行数值模拟，得到放顶煤复杂沟通条件下采空区的温度场、瓦斯浓度场；(3)对采空区遗煤自燃边界条件及氧化条件发生改变时，采空区氧浓度场、温度场及自燃点升温过程的变化规律进行模拟，得到只有注氮与阻化联合使用，才可以避免自然发火的发生；(4)分析了放顶煤采空区遗煤自燃发火的影响因素，得到了工作面风量、采空区遗煤氧化速度及工作面推进速度对遗煤自燃发火期的影响规律.参考文献：[1]张春,题正义,李宗翔.综放支承压力峰值位置的理论及回归分析[J].中国安全科学学报,2011,21(9):88-93.Zhang Chun,Ti Zhengyi,LI Zongxiang.Theoretical and regres sive analysis of the location of peak stress on fully mechanized caving mining[J].China Safety Sci ence Journal,2011,21(9):88-93.[2]侯庆凯.放顶煤开采自燃发火的综合防治[J ].煤炭技术,2005,24(8):91-93.Hou prehensive preventi on for s pontaneous ignition in roof coal mining[J].C oal Technology,2005,24(8):91-93.[3]李宗翔.综放采空区防灭火注氮数值模拟与参数确定[J].中国安全科学学报2003.13(5):53-57.Li Zongxiang.Numerical si mulation and parameter determinat ion ofnitrogen injecti on process in fire prevent ion and exti nguishing i n ful ly mechanized longwal l t op-coal goaf[J].China Safety Science Journal,2003.13(5):53-57.[4]罗新荣,李增华,张迎第,等.综采放顶煤采场漏风与采空区氧化三带研究[J].煤炭学报,1998,23(5):480-485.Luo Xinrong,Li Zenghua,Zhang Yingdi,et al.Air l eakage in workings and three oxidation zones in the goaf of a fully-mechanized sub-level caving face[J].J ournal of China Coal Society,1998,23(5):480-485.[5]李宗翔.Y 形通风采空区开区注氮防火的数值模拟[J].煤炭学报，2005,30(5):593-597.Li Zongxiang.Numerical simul ation of preventing spontaneous combustion by nitrogen injection in goaf of y-type ventilation face[J].Journal of Chi na Coal Society,2005,30(5):593-597.[6]祝经康.综采放顶煤工作面自燃火灾防治技术[J].煤矿开采,2003,8(1):27-28.Zhu Jingkang.Preventi on and extinguishment t echnology of fi re in longwall top coal caving face[J].Coal Mining Technolog,2003,8(1):27-28.[7]李宗翔.采空区遗煤自燃过程及其规律的数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2005,15(6):15-19.Li Zongxiang.Numerical simulation of spontaneous combustion process of residual coal in goaf[J].China Safet y Science Journal,2005,15(6):15-19.[8]谢军,薛生.综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究[J].煤炭科学技术,2011,39(1):65-68.Xie Jun,Xue Sheng.Study on division index and method of three spontaneous combustion zones in goaf of full y mechanized top coal caving mi ning face[J].Coal Sci ence and Technology,2011,39(1):65-68.[9]李宗翔.采空区场流安全理论与研究新进展[J].中国安全科学学报2005,15(12):85-88.Li Zongxiang.New progress of theory of field flow safety in goaf and its study[J].China Safety Science Journal,2005,15(12):85-88.。

尾巷瓦斯抽采下采空区煤自燃升温的数值模拟

考虑因素较多不便于应用到数值模拟中。Ｓｉ和Ｇａｅ进行了大煤样的绝热反应实验，ｍｔｈｌｓｒｓ并根据热量平
收稿日期：０１— ６—１２１０５
基金项目：国家自然科学基金项目（１７１８５０４６）通讯作者：红青（９９一）男，朱１６，湖南双峰人，教授，士生导师，博主要从事矿井通风、火灾与瓦斯防治理论、山重大灾害救援技术矿等方面的研究工作．
ｃ为煤体中活化位置浓度的无量纲参数；ｍ分别是关于氧气和煤的反应级数。。和活化位置浓度［。］ｃ。是１个抽象参数，通常与煤样的粒径、比表面积等煤样自身性质有关。这里引
速度。王树斌，苗应星从工程实践角度分析了高瓦斯矿井采空区煤自燃的特点和治理难点，定了采确用含氮气三相泡沫是解决自燃与瓦斯共存条件下进行火区治理的有效办法］。目前为止，于抽放条件下采空区升温规律研究还鲜有报道。由于采空区内部气体参数及温度变化对很难通过仪器直接测量，且小尺寸的相似材料试验无法反映实际的采空区的氧化环境和整体放热能并
的耦合规律。褚廷湘，明高，余杨胜强等研究了ｕ＋ＩＩ型通风方式下瓦斯抽采与煤自燃之间的关系，提
出加剧采空区浮煤加速氧化的原因主要来自瓦斯抽采提供的漏风动力及上覆岩层发育提供的漏风通
道。张辛亥，陈曦等根据综作面的极限推进

孔隙尺度下煤自然发火过程的数值模拟研究

孔隙尺度下煤自然发火过程的数值模拟研究煤炭的自燃是矿井开采和煤储运过程中的主要事故之一,一旦发生,将会造成巨大的危害。

煤低温氧化发热作用是自燃现象的根源,在适宜的通风、供氧条件下,积累的热量促使煤体温度升至着火点温度,最终引发燃烧。

为了达到预防自燃的目的,有必要从微观的尺度上开展研究,明确各外界因素对煤升温过程的作用。

基于上述背景,本文旨在将颗粒孔隙内的数值模拟方法引入到煤自然发火的研究领域中,结合化学反应动力学理论,探究煤自燃机理。

首先,为了证明微观尺度模拟计算的可行性,本文使用计算流体力学软件FLUENT分别计算了由填料床颗粒构成的孔隙空间内的速度分布和温度分布,将其与已有文献中实验研究结果相比较,两者符合情况良好。

随后,将具有发热性质的球形煤颗粒按真实规律排列,用形成的堆积结构表示宏观的多孔介质。

在对煤氧化反应自热作用采取合理的简化之后,设定满足煤堆漏风状况的边界条件,求解出孔隙内速度场、温度场,分析风速对热量积聚或者耗散的影响作用。

在研究实际煤堆升温过程时,以位于孔隙内风流背景下的单个煤颗粒作为基础,考虑固体内部扩散和渗流空气传热传质过程的共同作用,深入分析颗粒表面的氧化反应过程,求解出准确的化学反应速率。

将以上结果应用于煤堆整体中,建立包含有气体消耗源项和反应生成热源项的三维非稳态煤堆自热模型。

随后以文献报道的大型露天煤堆为模拟对象,使用数值计算软件FLUENT对煤堆内的升温过程进行模拟,求解出流场、温度场、氧浓度场等详细信息,并利用现场实际测量得到的数据结果与模拟值对比分析。

从对比的结果来看,模拟值与实验值一致性较好：不同位置处的测点温度变化趋势相同,数值相差不大,模型预测的自然发火期与现场测得值十分接近。

这说明本文建立的数值计算模型具有较高的可信度。

应用所建三维非稳态煤堆自热模型,分别针对不同风速、孔隙率和煤颗粒直径等条件进行求解计算,获得不同外部环境下同一煤堆内部的温度场分布,分析关键性参数对煤堆自然发火期的影响。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言随着煤炭开采的深入进行，采空区遗煤问题日益凸显。

采空区遗煤作为煤矿开采后遗留的煤体，具有复杂的多孔介质特征，其自燃问题不仅对矿井安全生产构成威胁，同时也对环境造成严重影响。

因此，研究采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型，对于预防和控制煤矿火灾具有重要意义。

本文旨在探讨采空区遗煤的多孔介质特性及其自燃机理，以期为煤矿安全生产提供理论支持。

二、采空区遗煤的多孔介质特征采空区遗煤是一种特殊的多孔介质，其多孔结构复杂且具有以下特点：1. 孔隙结构：采空区遗煤具有复杂的孔隙结构，包括大孔、中孔和小孔。

这些孔隙的形成与煤炭的成因、开采过程及环境因素密切相关。

2. 表面性质：遗煤表面具有吸附性和化学活性，能吸附空气中的氧气、水蒸气等物质，为自燃提供条件。

3. 组成成分：遗煤的化学成分复杂，主要包括碳、氢、氧、氮、硫等元素，这些元素在一定的条件下可能发生氧化反应，导致自燃。

三、采空区遗煤自燃模型研究采空区遗煤自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及热量传递、化学反应、多孔介质内的气体流动等多个方面。

为了研究采空区遗煤的自燃机理，需要建立合适的自燃模型。

本文提出了一种基于多孔介质理论和化学反应动力学的采空区遗煤自燃模型，该模型主要包括以下几个部分：1. 热量传递模型：考虑到多孔介质的导热性能和热量传递过程，建立热量传递模型，描述采空区遗煤内部温度分布及变化规律。

2. 化学反应动力学模型：根据采空区遗煤的化学成分和氧化反应机理，建立化学反应动力学模型，描述遗煤的氧化过程及热量释放规律。

3. 气体流动模型：考虑到多孔介质内的气体流动对自燃过程的影响，建立气体流动模型，描述氧气和其他气体在多孔介质中的传输和分布。

4. 自燃预测模型：综合《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇二合同甲方：________乙方：________一、合同正文鉴于甲乙双方就采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究项目达成合作意向，现就双方权利与义务事宜达成如下条款：一、项目背景采空区遗煤是一种具有复杂多孔介质特性的物质，其自燃问题一直是煤炭开采过程中的重要安全风险。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言随着煤炭开采的深入进行，采空区遗煤问题日益突出。

采空区遗煤具有多孔介质的特性，其自燃风险高，对矿井安全生产和环境造成了严重影响。

因此，深入研究采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型，对于预防和控制煤炭自燃、保障矿井安全具有重要意义。

二、采空区遗煤的多孔介质特征采空区遗煤是一种典型的多孔介质，其多孔性、比表面积大、孔隙结构复杂等特点使得其具有独特的物理化学性质。

（一）多孔性采空区遗煤的多孔性主要表现为其内部存在着大量的孔隙和裂隙。

这些孔隙和裂隙的大小、形状、连通性等因煤炭类型、开采方式和环境条件等因素而异。

多孔性是影响煤炭自燃的重要因素之一。

（二）比表面积大采空区遗煤的比表面积大，即单位质量煤炭所具有的表面积大。

这使得煤炭表面能够吸附更多的氧气和水分，从而影响其氧化反应和自燃过程。

（三）孔隙结构复杂采空区遗煤的孔隙结构复杂，包括大孔、中孔和小孔等。

不同大小的孔隙对煤炭的自燃过程具有不同的影响。

大孔和中孔有利于氧气和水分在煤炭内部的扩散和传输，而小孔则对自燃过程起到一定的阻碍作用。

三、采空区遗煤的自燃模型研究采空区遗煤的自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及多种因素的作用。

为了更好地了解和控制采空区遗煤的自燃过程，需要建立相应的自燃模型。

（一）自燃模型的建立自燃模型是描述采空区遗煤自燃过程的数学模型，包括反应动力学模型、传热传质模型等。

这些模型能够描述煤炭自燃过程中的化学反应、热量传递、氧气和水分传输等过程，从而预测和控制煤炭的自燃风险。

（二）影响因素分析采空区遗煤的自燃过程受多种因素影响，包括煤炭类型、含水量、氧气浓度、温度等。

这些因素通过影响煤炭的氧化反应、热量传递和水分传输等过程，进一步影响自燃过程。

因此，在建立自燃模型时需要考虑这些因素的影响。

四、实验研究与结果分析为了更好地了解采空区遗煤的多孔介质特征及自燃过程，需要进行实验研究。

通过实验可以获取煤炭的物理化学性质、自燃特性等数据，为建立自燃模型提供依据。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言采空区遗煤的分布及处理一直是煤矿开采过程中重要的一环。

遗煤由于被封闭在地下或地下空隙内，其多孔介质特征及自燃特性对煤矿安全及环境保护具有重要影响。

本文旨在研究采空区遗煤的多孔介质特征及其自燃模型，为煤矿安全管理和环境保护提供理论依据。

二、采空区遗煤的多孔介质特征1. 遗煤的物理性质采空区遗煤的物理性质主要包括其颗粒大小、形状、孔隙度等。

这些性质决定了遗煤在多孔介质中的分布和运动规律。

遗煤的颗粒大小和形状影响其堆积密度和孔隙结构，而孔隙度则决定了多孔介质的透气性和传热性能。

2. 遗煤的化学性质采空区遗煤的化学性质主要包括其成分、含氧量、含硫量等。

这些性质与遗煤的自燃特性密切相关。

例如，含硫量高的遗煤在地下环境中容易与氧气反应，产生热量，进而引发自燃。

3. 遗煤的多孔介质结构采空区遗煤的多孔介质结构是由其物理和化学性质共同决定的。

这种结构具有复杂的孔隙网络和连通性，使得气体和热量在其中的传递和扩散变得复杂。

三、自燃模型研究1. 热量传递与积累在采空区内，遗煤在复杂的环境条件下容易发生热量传递和积累。

当热量积累到一定程度时，可能引发自燃。

因此，研究热量在多孔介质中的传递和积累过程对于预测和控制自燃具有重要意义。

2. 自燃机理分析采空区遗煤的自燃机理主要涉及化学反应和热传导过程。

在一定的环境条件下，遗煤中的可燃成分与氧气发生化学反应，产生热量。

当热量积累到一定程度时，超过介质的导热能力，便可能引发自燃。

因此，分析自燃机理有助于了解自燃的触发条件和影响因素。

3. 自燃模型构建基于热量传递和自燃机理的分析，可以构建采空区遗煤的自燃模型。

该模型应包括遗煤的物理性质、化学性质、环境条件等因素对自燃过程的影响，以及热量传递和积累的数学描述。

通过自燃模型，可以预测采空区遗煤的自燃风险，为煤矿安全管理和环境保护提供理论依据。

四、结论本文研究了采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言随着煤炭开采的深入进行，采空区遗煤问题日益突出。

采空区遗煤作为煤矿开采过程中的重要产物，其多孔介质特征及自燃特性对煤矿安全生产和环境保护具有重要意义。

因此，对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型进行研究，不仅有助于了解煤的自燃机理，还能为煤矿的安全生产和环境保护提供理论支持。

二、采空区遗煤的多孔介质特征1. 孔隙结构采空区遗煤的孔隙结构复杂，包括大孔、中孔和小孔。

这些孔隙的形成与煤炭的成因、地质条件、开采方式等因素有关。

大孔主要分布在煤体的表面和裂隙中，中孔和小孔则分布在煤体的内部。

孔隙结构的复杂性对煤的吸附性能、渗透性能以及自燃特性具有重要影响。

2. 表面性质采空区遗煤的表面性质包括表面化学性质和表面物理性质。

表面化学性质主要指煤表面的化学组成和官能团，这些官能团对煤的吸附性能和氧化反应具有重要影响。

表面物理性质主要指煤表面的形态和粗糙度，这些性质影响煤的热量传递和气体扩散。

3. 物理性质采空区遗煤的物理性质包括密度、硬度、热导率等。

这些性质与煤的成因、地质条件、开采方式等因素有关，对煤的自燃特性具有重要影响。

例如，密度大的煤具有较高的热容量，有利于散热；热导率高的煤则有利于热量传递。

三、采空区遗煤的自燃模型研究1. 自燃机理采空区遗煤的自燃机理主要包括氧化反应和热量积聚。

在一定的环境条件下，煤体表面的官能团与氧气发生氧化反应，产生热量。

当热量无法及时散失时，将导致热量积聚，使煤体温度升高。

当温度达到煤的着火点时，煤体将发生自燃。

2. 自燃模型针对采空区遗煤的自燃特性，建立了多种自燃模型。

其中，典型的多孔介质自燃模型包括热量传输模型、氧化反应模型等。

这些模型能够描述煤体的热量传递、氧化反应以及自燃过程，为预测和防控煤的自燃提供了理论依据。

四、研究方法与实验手段1. 研究方法针对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言煤炭开采过程中，采空区遗煤是一个普遍存在的现象。

这些遗煤由于长时间在地下环境中，其物理和化学性质会发生变化，特别是其多孔介质特征和自燃特性。

对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型进行研究，不仅有助于理解煤炭自燃的机理，还能为煤矿安全生产和环境保护提供理论支持。

本文将详细探讨采空区遗煤的多孔介质特征及其自燃模型。

二、采空区遗煤的多孔介质特征采空区遗煤的多孔介质特征主要表现在以下几个方面：1. 孔隙结构：采空区遗煤的孔隙结构复杂，包括大孔、中孔和小孔。

这些孔隙的形成与煤炭的沉积环境、成煤过程及后期地质作用有关。

大孔主要起到储气和传热的作用，中孔和小孔则对煤炭的吸附性能和化学反应过程有重要影响。

2. 表面性质：遗煤表面具有较高的活性，能够吸附空气中的氧气和水蒸气等物质。

这些物质的吸附对煤炭的自燃过程有重要影响。

3. 物理性质：遗煤的密度、比表面积、热导率等物理性质与新鲜煤炭相比有所变化。

这些性质的改变会影响煤炭的传热和氧化过程。

三、采空区遗煤的自燃模型研究采空区遗煤的自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及热传导、氧化反应、热量积聚等多个方面。

目前，针对采空区遗煤的自燃模型研究主要集中在以下几个方面：1. 热传导模型：研究煤炭内部的热传导过程，包括热量的传递、散失和积聚等。

通过建立热传导模型，可以了解煤炭内部的温度分布和变化规律。

2. 氧化反应模型：研究煤炭与氧气之间的化学反应过程，包括反应速率、反应产物等。

通过建立氧化反应模型，可以了解煤炭自燃的化学机理。

3. 综合模型：将热传导模型和氧化反应模型相结合，建立综合的自燃模型。

该模型能够更好地反映采空区遗煤自燃的实际过程，为预测和防治煤炭自燃提供理论依据。

四、研究方法与实验设计针对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究，可以采用以下研究方法和实验设计：1. 样品采集：在煤矿采空区收集遗煤样品，确保样品具有代表性。

《2024年采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》范文

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言煤炭是我国的主要能源之一，而在煤炭开采过程中，遗留在采空区的煤炭（以下简称“遗煤”）经常成为矿井安全的隐患之一。

特别是当遗煤在多孔介质中自燃时，不仅可能引发火灾，还会释放出有害气体，对矿工的生命安全和矿井的生产环境构成严重威胁。

因此，研究采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型，对于预防和控制煤矿火灾具有重要意义。

二、采空区遗煤的多孔介质特征采空区遗煤的多孔介质特征主要表现在其物理和化学性质上。

首先，遗煤的物理性质包括其孔隙结构、比表面积、密度等。

这些性质决定了遗煤的透气性、吸湿性以及与氧气、热量的交换能力。

其次，遗煤的化学性质则主要体现在其化学组成和反应活性上，如含碳量、含硫量、含氧量等。

这些性质决定了遗煤在特定环境下的氧化反应速度和自燃倾向性。

三、自燃模型研究采空区遗煤的自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及到热传导、热对流、热辐射、氧化反应等多个方面。

为了更好地理解和预测遗煤的自燃过程，我们建立了自燃模型。

该模型主要包括以下几个部分：1. 热量传递模型：描述了采空区内温度场的变化，包括热传导、热对流和热辐射等过程。

2. 氧化反应模型：描述了遗煤的氧化过程及其与温度的关系，包括反应速率常数、活化能等参数的确定。

3. 自燃预测模型：基于热量传递模型和氧化反应模型，预测采空区内遗煤的自燃时间和地点。

四、实验研究为了验证自燃模型的准确性，我们进行了实验室和现场实验。

在实验室中，我们模拟了采空区的环境条件，研究了遗煤在不同温度、湿度、氧气浓度等条件下的氧化反应过程。

在现场，我们则对采空区进行了温度监测和气体分析，验证了自燃模型的预测结果。

五、结论通过对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型的研究，我们得到了以下结论：1. 采空区遗煤的多孔介质特征对其自燃过程具有重要影响，包括孔隙结构、比表面积、密度、化学组成和反应活性等。

2. 建立的自燃模型能够较好地描述采空区内遗煤的自燃过程，包括热量传递、氧化反应等过程。

《2024年采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》范文

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言采空区遗煤问题一直是煤矿安全生产和环境治理的重要课题。

遗煤作为多孔介质，其复杂的物理化学性质对矿井的安全和环境具有深远影响。

特别是遗煤的自燃现象，不仅威胁着矿工的生命安全，还对矿区环境造成严重污染。

因此，对采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型进行研究，对于预防和控制煤矿火灾具有重要意义。

二、采空区遗煤的多孔介质特征采空区遗煤是一种典型的多孔介质，其特征主要表现在以下几个方面：1. 孔隙结构：采空区遗煤具有复杂的孔隙结构，包括大孔、中孔和小孔。

这些孔隙为空气、水分和煤的氧化反应提供了空间。

2. 表面性质：遗煤表面具有吸附性，能够吸附空气中的水分和气体，影响煤的氧化反应速率。

3. 化学组成：遗煤的化学组成复杂，含有可燃的有机物和无机物，这些物质在一定的条件下能够发生氧化反应，导致自燃。

三、自燃模型研究采空区遗煤的自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及热传导、气体扩散、化学反应等多个方面。

为了更好地研究这一过程，建立自燃模型是必要的。

目前，常见的自燃模型主要包括热传导模型、气体扩散模型和化学反应模型。

1. 热传导模型：该模型主要研究采空区遗煤内部的热传导过程。

通过分析遗煤的导热性能、孔隙结构和温度分布等因素，可以预测煤的自燃温度和自燃区域。

2. 气体扩散模型：该模型主要研究空气中的氧气等气体在遗煤孔隙中的扩散过程。

通过分析气体的扩散速率、浓度分布和反应速率等因素，可以揭示煤的氧化反应过程和自燃机理。

3. 化学反应模型：该模型主要研究遗煤的氧化反应过程。

通过分析煤的化学组成、反应速率和反应热等因素，可以预测煤的自燃潜力和自燃风险。

四、研究方法为了更好地研究采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型，可以采用以下方法：1. 实验室测试：通过实验室测试，可以获取遗煤的物理性质、化学组成和孔隙结构等数据，为研究提供基础。

2. 数值模拟：通过建立数学模型，运用计算机软件进行数值模拟，可以分析采空区遗煤的自燃过程和自燃风险。

采空区煤自然发火的规律研究方法(二)

采空区煤自然发火的规律研究方法(二)采空区煤自然发火的规律研究方法引言在煤矿开采过程中，采空区是指经过采煤后形成的空洞区域。

由于采空区内的煤体受到氧气、湿度等环境因素的影响，有可能自然发火，进而引发火灾事故。

因此，研究采空区煤自然发火的规律具有重要意义。

本文将介绍几种常用的研究方法。

方法一：理论研究法理论研究法是通过分析和归纳已有的理论知识，总结采空区煤自然发火的规律。

具体包括但不限于以下几个方面：•通过分析煤的化学成分、煤的发火点、煤的自燃温度等因素，探讨采空区煤自然发火的可能性。

•研究采空区煤自然发火与周围环境因素，例如氧气浓度、温度、湿度等之间的关系。

•探讨煤的自然发火机理，例如煤体内部温度升高、氧化反应等过程对采空区煤自然发火的影响。

实验模拟法是通过建立合适的实验模型，模拟采空区煤自然发火的过程，从而研究其规律。

具体步骤如下：1.设计实验模型，包括采空区的几何形状、煤体的性质、环境因素等参数。

2.设置合适的实验条件，例如氧气浓度、温度、湿度等，以及合适的观测方法和设备。

3.进行实验，记录和分析实验数据，观察采空区煤自然发火的规律。

4.结合实验结果，对采空区煤自然发火的规律进行总结和归纳。

方法三：现场观测法现场观测法是通过实地考察和观测采空区，研究其自然发火的规律。

具体步骤如下：1.选择合适的采空区煤自然发火风险较大的煤矿或采煤工作面。

2.在现场进行详细观测，包括环境因素、煤体情况等方面的记录和分析。

3.采集相关样品进行实验室化学分析，以确定煤体的自燃特性。

4.结合观测数据和实验结果，总结采空区煤自然发火的规律。

数值模拟法是通过建立数学模型和计算方法，模拟采空区煤自然发火的过程，研究其规律。

具体步骤如下：1.建立合适的数学模型，包括煤体的物理属性、热传导、气体流动等方面的参数。

2.选取适当的计算方法，例如有限元法、计算流体力学等数值模拟方法。

3.进行数值计算，模拟采空区煤自然发火的过程，并得到相应的数值结果。

综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟

文章编号:0253-9993(2002)01-0054-05综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟文虎(西安科技学院采矿系,陕西西安　710054)摘　要:综放工作面采空区浮煤自燃主要取决于浮煤厚度、氧浓度、漏风强度、工作面推进速度和自然发火期5个参量,工作面正常生产时,采空区自燃三带处于一个动态的稳定状态.根据综放工作面采空区自然发火特点,将松散煤体自然发火数学模型简化,建立了综放工作面采空区温度变化的动态数学模型,用计算机动态模拟采空区浮煤自然升温过程,及时反映采空区温度分布状态及其动态变化规律,对采空区浮煤自燃危险性进行超前预测,指导综放工作面的安全生产.关键词:综放工作面;采空区;煤自燃;动态数值模拟中图分类号:TD75211 文献标识码:A收稿日期:2001-03-02 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59974020) 特厚煤层综采放顶煤技术的兴起,使得矿井生产更为集中,设备投资更大,对工作面的安全水平提出了更高的要求.综放工作面推进速度相对较慢,采空区一次冒落空间大、端头支架处不放顶煤,在采空区两道遗留大量浮煤,易造成采空区浮煤氧化自燃.采空区按遗煤自燃情况可分为散热带、氧化带和窒熄带[1],浮煤自燃都起源于氧化带,氧化带的范围直接影响到浮煤自燃的危险程度.工作面正常生产时,采空区三带范围是动态变化的,浮煤自燃不但与氧化时间有关,还与工作面推进速度有关,是时间和空间的函数.国内外学者对采空区和地面煤堆自然发火进行了模拟和预测[2～5],对于一个特定的采煤工作面,采空区三带范围处于一个动态的稳定状态,浮煤自燃过程可以进行动态数值模拟,这对于采空区浮煤自燃危险性超前预测具有重要的指导意义.1　综放工作面采空区氧化自燃区域判定111　采空区三带范围的静态划分煤自燃危险性由内因和外因共同决定,煤自燃的内因是煤自身氧化放热性能的强弱,对于特定的煤层,煤自身的氧化放热性能一定,能否发生自燃,主要取决于外部蓄热环境.把能够引起煤自燃的必要条件的极限值称为煤自燃极限参数[6](此时煤自身氧化放热强度等于周围环境的散热强度),对于综放工作图1　采空区三带静态划分Fig 11　Static partition of three zones in goaf面采空区来说主要有:最小浮煤厚度h min ,下限氧浓度C min ,上限漏风强度Q max .综放工作面采空区氧化升温带必须具备能够使散热强度小于放热强度的外界条件,即采空区氧化升温带的范围满足(h >h min )∩(C >C min )∩(Q <Q max )的区域.综放工作面采空区窒熄带的范围满足C <C min的区域,散热带的范围满足(Q >Q max )∪(h <h min )的区域(图1).　第27卷第1期煤炭学报Vol.27　No.1 2002年2月J OURNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Feb.　2002　112　采空区氧化自燃区域判定采空区氧化升温带包含了采空区所有可能自燃的地点,只有氧化升温带范围内的浮煤才有可能发生自燃,采空区氧化自燃区域的范围小于或等于氧化升温带,它包含在氧化升温带中.煤自燃在低温阶段是一个煤蓄热升温的缓慢氧化放热过程,采空区浮煤自燃还需要有充足的时间,而且由于工作面不断推进,使得采空区三带动态移动.因此,还必须根据工作面实际推进速度及氧化升温带的动态变化情况,进一步确定出采空区氧化自燃区域. 根据煤层最短自然发火期[7]τmin 和工作面推进速度,可计算出工作面在最短自然发火期内的推进距离L 0,即L 0=τmin v 0,(1)式中,v 0为设计工作面推进速度或实际工作面平均推进速度,m/d. 综放工作面采空区内氧化升温带长度L <L 0的区域,浮煤不会发生自燃.氧化带长度大于L 0的区域,浮煤有可能发生自燃,采空区氧化升温带内长度L -L 0的区域即为采空区氧化自燃区域. 根据采空区氧化升温带长度和煤层最短自然发火期,可推算出工作面安全推进速度,即v a =L /τmin .(2) 当工作面的推进速度v (τ)≥v a 时,采空区浮煤就不会发生自燃.2　综放工作面采空区浮煤自燃的动态数学模型根据实验参数和现场资料,能够静态地预测出工作面采空区氧化升温带.随着工作面的推进,采空区图2　采空区示意Fig 12　Schematic diagram of goaf的右边界动态移动(图2),氧化升温带亦随之移动,采空区内各点氧浓度、漏风强度、空隙率、粒度、导热系数等参数均发生变化,即采空区浮煤自燃环境发生动态变化.因此,进行采空区自燃过程的动态模拟时,必须考虑采空区各点的氧浓度、漏风强度、粒度、空隙率等参数的分布. 基本假设:①氧气浓度及漏风强度等参数沿采空区走向一维变化,温度沿顶、底板及走向上二维变化;②对某一确定工作面正常生产期间,采空区漏风强度、氧气浓度分布规律动态稳定;③采空区浮煤厚度仅沿倾向变化,沿走向恒定不变. 根据综放工作面采空区自然发火特点,将松散煤体自然发火数学模型[8]简化,得到工作面从开切眼开始,第N 天采空区任一点I 的温度动态计算数学模型为X N I =X N -1I+v N ,C N I =C N I +1exp [-V 0(T N I +1)Ψ(d 50)C 0Q (X N I +1)n N I (X N I -X N I +1)],W N I =C N I q 0(T N -1I )Ψ(d 50)C 0ρe c e -8λe (T N -1I -T y )ρe c e h2-2ρg c g Q (X N I )(T N -1I -T N -1I -1)ρe c e h - λe (2T N -1I -T N -1I +1-T N -1I -1)ρe c e (X N I -X N I +1)(X N -1I -1-X N -1I),T N I =T N -1I +W NI ,(3)式中,X N I 为在第N 天I 点距工作面的距离,m ;T N I 为第N 天采空区内I 点的温度,℃;T y 为围岩温度,℃;Q (X )为采空区的漏风强度分布,m/min ;C N I ,C N I +1分别为第N 天I 点和I +1点的氧气浓度,mol ・m -3;C 0为新鲜风流中的氧气浓度,mol ・m -3;λe 为浮煤导热系数,J ・m -1・s -1・℃-1;ρe ,ρg 分别55第1期文　虎:综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟为浮煤和空气的密度,kg ・m -3;c e ,c g 分别为浮煤和空气的比热,J ・g -1・℃-1;V 0(T N I +1)为第N 天I +1点的耗氧速度,mol ・min -1・m -3;q 0(T N -1I )为第N -1天I 点的放热强度,J ・min -1・m -3;n N I 为第N天I 点的空隙率;v N 为工作面第N 天的日推进速度,m ・d -1;W N I 为采空区I 点第N 天的升温速度,℃・d -1;h 为采空区浮煤厚度,m.图3　采空区浮煤自燃过程的动态数值模拟程序Fig 13　Flow diagram of dynamic numeric simulation of float coal self 2ignite in goaf 采空区内热效应十分复杂,与许多因素有关,进行煤自燃动态模拟时,可忽略某些次要因素,确定初始及边界条件如下:①采空区浮煤初始温度为一定值;②采空区初始氧浓度可取工作面风流氧浓度;③开切眼处煤(岩)体原始温度恒定不变(第一类边界条件);④顶、底板岩层温度恒定不变(第一类边界条件);⑤工作面温度恒定不变(第一类边界条件);⑥工作面风流中氧浓度为定值(第一类边界条件).3　模型求解不同煤温时的氧化放热强度q 0(T )和耗氧速度v 0(T )可由煤低温自然发火实验[9]测定.综放工作面采空区浮煤厚度分布由工作面不同部位的顶煤采出率确定,采空区浮煤空隙率可由现场实际观测情况近似确定,采空区氧浓度可通过采空区埋管实测.综放工作面采空区漏风强度与采煤工作面供风量的平方成正比,即Q =R φ(n )l Q 2=R φQ 2.(4) 综放工作面采空区的漏风强度也可由实测氧浓度值按下式进行推算,即Q =x v 0(T )C 0ln (C 0/C ),(5)式中,C ,C 0分别为采空区测点的氧浓度和工作面氧浓度;x 为测点距工作面的距离,m. 新投产工作面根据开采条件相似工作面(采高、顶底板岩性、煤层自燃性基本相同的工作面)采空区漏风强度分布,按下式求得新投产工作面的漏风强度分布,即Q 1Q 2=R φ12Q 1Q 22,(6)式中,Q 1,Q 1和Q 2,Q 2分别为新投产工作面和参照工作面风量及漏风强度. 根据综放工作面采空区煤自燃的动态数学模型,用FOR TRAN 语言编制模拟计算程序(图3),代入实验室和现场测算的参数在微机上运行通过.4　应用实例大同矿务局忻州窑矿8916综放工作面平均煤厚9107m ,采高218m ,工作面长145m ,巷道沿底板掘进,在煤层顶板有2条松动巷.工作面两端头支架65煤炭学报2002年第27卷不放顶煤,松动巷附近顶煤采出率达80%以上,最低顶煤采出率约35%,采空区浮煤空隙率20%～30%.根据忻州窑矿煤自燃极限参数值和现场实际测算的浮煤厚度、氧气浓度和漏风强度分布,把采空区分为三大区域,即散热带、氧化升温带和窒熄带.采空区氧化升温带最长的区域为140m (在进风侧),实验测定煤层最短自然发火期为98d ,则由式(2)知,工作面最小安全推进速度为1143m/d.根据8916工作面最小日平均推进速度1m/d ,计算出工作面在最短自燃发火期内的推进距离为L 0=τmin v 0(τ)=98m.(7) 当工作面以最小安全推进度推进时,采空区内氧化升温带长度小于98m 区域的浮煤不会自燃.因此,可确定8916综放工作面采空区氧化自燃区域在进风侧为32m. 根据8916综放工作面实际开采条件和日平均推进速度(表1),在工作面风流及围岩温度为20℃的条件下,应用上述模型,沿采空区进风侧(取浮煤厚度为6m )模拟计算该面开采期间采空区内的温度分布变化情况(图4).图中曲线分别表示每月最后一天时,采空区内温度分布状况,假定线为1月和2月以假定的平均推进速度018m/d 推进时,采空区内的温度分布变化情况.表1　8916综放工作面日平均推进速度T able 1　Average advance velocity in the N o 18916fully mechanized caving face推进速度月份7月8月9月10月11月12月1月2月v 0/m ・d -111771197216011981119112511371142图4　8916工作面不同推进速度时采空区内的温度分布Fig 14　Temperature distribution in goaf in theNo 18916face as different advance velocity 1———假定线;2,3———1,2月;3～9———7～12月由图4知,工作面开采初期,采空区浮煤温度随工作面推进而升高,最高温度点在采空区后部;浮煤进入窒熄带后,温度逐渐下降,随着工作面推进,高温点开始前移;当推进速度较大(如9月和10月)时,高温点前移速度小于工作面推进速度,高温点相对于工作面后移;当工作面推进速度减小(如10月以后)时,高温点前移速度加大,即高温点相对于工作面前移;当工作面推进速度等于安全推进速度时,高温点移动速度将与工作面推进速度达到动态平衡;若工作面推进速度小于安全推进速度,计算2个月后的采空区温度分布如图4假定线,高温点前移,温度可超过临界温度(80℃),若不采取有效防火措施,高温点将迅速前移,几天后工作面将出现明火.5　结论(1)综放工作面采空区浮煤自燃主要取决于浮煤厚度、氧浓度、漏风强度、工作面推进速度和自然发火期5个参量,通过前3个参量可以静态的划分三带范围,确定出采空区氧化升温带的最大范围,从而得出工作面的安全推进速度.(2)由于工作面不断推进,采空区三带动态移动,氧化自燃区域的范围小于氧化升温带.采空区氧化升温带长度与工作面在最短自然发火期内推进距离之差才是采空区氧化自燃区域.(3)用计算机动态模拟采空区浮煤自然升温过程,能够及时反应采空区的温度分布状态及其动态变化规律,对采空区浮煤自燃危险性进行超前预测,指导综放工作面的安全生产.75第1期文　虎:综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟85煤炭学报2002年第27卷参考文献:[1]　王省身,张国枢.矿井火灾防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1990.33～34.[2]　Schmal Dick,Duyzer Jan H,Ven Heuven,et al.Model for the s pontaneous heating of coal[J].Fuel,1985,64(7):963～972.[3]　Brooks K evin,Svanas Nicoloas,G lasser David.Evaluating the risk of spontaneous combustion in coal stockpiles[J].Fuel,1988,67(5):651～656.[4]　Mingshan Zhu,Y ingqin Xu,Jiang puter simulation of spontaneous combustion in goaf[A].Proceeding of the5thUS Mine Ventilation Symposium[C].Missouri:University of Missouri-rolla Press,1999.88～93.[5]　Nordon P.S pontaneous combustion interactive heat and mass transfer driven by a chemical reaction[A].Third AustralasianConference on Heat&Mass Transfer[C].Aust:St Leonards,1985.363～370.[6]　徐精彩,文　虎,邓　军,等.煤自燃极限参数研究[J].火灾科学,2000,9(2):14～18.[7]　邓　军,徐精彩,张迎弟,等.煤最短自然发火期实验及数值分析[J].煤炭学报,1999,24(3):274～278.[8]　邓　军,徐精彩,文　虎,等.综放采煤法中沿空巷道煤层自然发火预测模型研究[J].煤炭学报,2001,26(1):62～66.[9]　徐精彩.煤炭自燃过程研究[J].煤炭工程师,1989(5):17～21.作者简介: 文　虎(1972-),男,新疆石河子人,博士,讲师,主要从事矿井重大灾害防治技术的研究工作,发表学术论文30余篇.Dynamic numeric simulation of coal self2ignitein goaf in f ully mechanized caving faceWEN Hu(Dept.of Mi ni ng Engi neeri ng,Xiπan U niversity of Science and Technology,Xiπan　710054,Chi na)Abstract:Float coal self2ignite mainly rests with float coal thickness,oxygen concentration,air leak intensity, advance velocity and spontaneous combustion period in goaf.As the production is normal in working face,the three zones are dynamic stable state in goaf.According to the characteristic of coal spontaneous combustion in goaf in fully mechanized caving face,simplified mathematical model of coal spontaneous combustion,dynamic mathematical model of temperature change is set up in puter dynamically simulates the process of coal spontaneous elevating temperature,and temperature distribution and its dynamic change rule is timely reflected in goaf.The risk of coal self2ignite is forecasted in advance by dynamic simulation in gob,and guide safety in production.K ey w ords:fully mechanized caving face;goaf;coal self2ignite;dynamic numeric simulation。

采空区遗煤自燃升温过程的数值模型及其应用

3收稿日期:2003210227作者简介:李宗翔(1962-),男,副教授,从事煤层注水,采空区瓦斯、自然发火等流场数值模拟研究。

文章编号:100926094(2004)0620058204采空区遗煤自燃升温过程的数值模型及其应用3李宗翔1,吴志君2,王振祥2(1辽宁工程技术大学职业技术学院,辽宁阜新123000;2阜新矿业集团五龙煤矿,辽宁阜新123000)摘　要:基于漏风渗流方程、氧浓度渗流-扩散-消耗方程和传热方程,建立了采空区自然发火非定常数值模型,并用迎风格式的有限元方法联立求解。

结合实例,从理论上描绘了采空区漏风渗流、氧浓度分布和温度分布,以及它们随时间的加速变化过程,同时给出自燃的附产物CO 的分布情况,重点给出了遗煤的自燃耗氧与升温的量化关系。

结果表明,通常情况下采空区高温区偏在入风一侧,边界漏风对高温区有一定影响。

与传统的采空区冷却带、自燃带和窒息带的三带划分相比,该模型能对自然发火问题给出更准确的解。

模拟的自燃升温是加速的过程,同基于实验分析和实际观测得到的规律基本一致。

关键词:安全工程;氧浓度分布;温度场;自然发火期;有限元中图分类号:TD 75212 文献标识码:A0　引　言回采工作面采空区遗煤的自然发火是漏风供氧、散煤耗氧、瓦斯涌出以及温度等多种因素综合作用的结果。

在用数值模拟方法对其定量化描述时应将这些因素综合加以考虑。

该问题求解上较为复杂。

采用迎风格式的有限元方法,能有效避免数值解振荡失真[1],同时,数值解的可视化处理,突出了对采空区遗煤自燃过程(即温度分布及其变化)的直观描述。

本文结合算例,就自燃热力学模型的建立,自燃升温及CO 涌出等变化过程做详细分析。

1　采空区渗流和自燃的数学模型建立采空区冒落程度是非均匀的,随位置的不同差异很大。

因此,冒落介质的空隙度、渗透特征、流场的自由冒落高度是不同的。

由矿压理论,这些量的分布函数均可以通过冒落碎胀系数K p 反映出来。

《2024年采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》范文

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言煤炭采空区内的遗煤管理，在保障煤矿安全高效开采过程中占据重要地位。

尤其遗煤作为采空区内易积聚煤炭资源的一种状态，其物理特性和化学反应特性的研究对矿井的稳定运营及矿井内环境污染与火势控制的难度起着关键性影响。

本文主要围绕采空区遗煤的多孔介质特征以及自燃模型进行详细探讨。

二、采空区遗煤的多孔介质特征多孔介质指包含众多相互连通或封闭的孔隙的固体材料。

采空区遗煤作为一种多孔介质，其特征主要表现在以下几个方面：1. 孔隙结构：遗煤的孔隙结构复杂，包括大孔、中孔和小孔等，这些孔隙为空气、水分和煤的氧化反应提供了空间和条件。

2. 渗透性：遗煤具有较低的渗透性，这一特性使采空区内积聚的瓦斯、水等不易流经煤层。

3. 比表面积：比表面积是指单位体积或质量物质的表面积，对化学反应的速度影响极大。

采空区遗煤的比表面积较大，这使得氧化反应的表面和热源接点更加集中。

三、遗煤自燃的物理与化学基础自燃现象指因内在原因或外在诱因，而发生自发燃烧的过程。

就遗煤而言，其自燃过程主要基于物理吸附和化学氧化两个过程。

1. 物理吸附：遗煤在多孔介质中吸附氧气和水蒸气等物质，为后续的氧化反应提供条件。

2. 化学氧化：在一定的温度和氧气浓度下，煤中的有机物与氧气发生化学反应，产生热量。

当热量积累到一定程度时，便可能引发自燃。

四、自燃模型研究为了更好地理解并预测采空区遗煤的自燃现象，我们需要构建自燃模型。

这种模型可以解释多孔介质中的煤自燃过程中，热量如何生成和积累以及热流的传输规律等。

一个常见的自燃模型主要包括了物理-化学参数如孔隙度、渗透性、温度场以及物理化学吸附模型与化学反应速率模型的联合模拟等。

这些模型能够帮助我们理解自燃过程的主要影响因素及其作用机制。

五、研究方法与结论研究主要采用实验研究和模拟研究相结合的方法。

首先通过实验测量多孔介质的物理特性，如孔隙结构、渗透性等；然后利用化学反应动力学理论分析自燃过程，通过数学模型描述该过程；最后利用计算机模拟软件对自燃过程进行模拟，分析影响因素及热流传输规律等。

丁集首采面采空区遗煤自燃动态数值模拟

丁集首采面采空区遗煤自燃动态数值模拟
曹承平
【期刊名称】《淮南职业技术学院学报》
【年(卷),期】2008(8)3
【摘要】通过对影响煤炭自燃因素的分析,建立了采空区内遗煤自燃过程数学模型,可随时预测不同漏风强度和不同推进速度条件下,采空区遗煤自然发火的危险性,对丁集煤矿1262(1)首采面采空区遗煤自燃过程中,氧化时间、工作面推进速度对煤温的影响进行了计算机模拟,成功预报了在回采过程中采空区遗煤不自燃,确保了该工作面安全回采.
【总页数】3页(P1-3)
【作者】曹承平
【作者单位】安徽理工大学能源与安全学院,安徽,淮南,232001;淮沪煤电有限公司丁集煤矿,安徽,淮南,232141
【正文语种】中文
【中图分类】TD75
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