一種確定采空區(qū)發(fā)火過程的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及礦業(yè)工程，特別是涉及分析采空區(qū)自燃發(fā)火位置及發(fā)展過程。
【背景技術(shù)】
[0002]井工開采是煤礦生產(chǎn)的主要方式之一，回采后可能留有遺煤層，而遺煤層由于氧化作用可能產(chǎn)生自燃。近幾年來，隨著放頂煤技術(shù)得到普及，端頭支架處的頂煤放出率偏低，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，采空區(qū)自然發(fā)火危險程度逐步增大?？梢姳M管對于該類型自燃及其升溫過程以開始深入研究，但達(dá)到的效果并不理想。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)大約有56%的礦井有自燃隱患，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余其他國家，而采空區(qū)是發(fā)生自燃災(zāi)害最頻繁的區(qū)域。
[0003]針對該問題，目前有幾個方向予以研究。I)可通過實(shí)際對遺煤層溫度及其升溫區(qū)域進(jìn)行測量，結(jié)合相關(guān)物理參量進(jìn)行擬合和參數(shù)反演，得到某一方面的解析式。這樣的分析方法思路清晰，便于理論研究，但是無法進(jìn)行復(fù)雜的耦合分析，也無法實(shí)例化建模。2)基于流體方面的研究，通過氣體溫度等關(guān)系進(jìn)行研究，使用fluent等流體模擬軟件。但是這樣分析也存在問題，例如如何控制固體與流體之間的熱交換，熱量如何在固體中傳播等。3)使用連續(xù)性巖土軟件模擬，多數(shù)巖土模擬軟件提供了熱力模型，以研究升溫對固體應(yīng)力應(yīng)變的影響。但是氣體如何影響固體熱傳遞，巖體裂隙中氣流如何模擬也存在問題。
[0004]為選擇一種新的解決該問題的方法，嘗試使用基于顆粒流理論的PFC3D，將氧氣等效成為顆粒滲入遺煤的顆粒，模擬煤與氧氣反應(yīng)并發(fā)出熱量，從而得到自然發(fā)火過程中的采空區(qū)遺煤內(nèi)溫場分布及其特點(diǎn)。同時對該采空區(qū)進(jìn)行了長時間監(jiān)測，根據(jù)溫度及其升溫區(qū)域變化對模型進(jìn)行修正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種確定采空區(qū)發(fā)火過程的方法，以便能夠有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種確定采空區(qū)發(fā)火過程的方法，其特征在于,％飛歡U型通風(fēng)下采空區(qū)遺煤層自然發(fā)火過程中，不同時間的溫度和升溫區(qū)的變化，提出使用顆粒流理論為基礎(chǔ)的模型X其包括勿步1:基本模型建立，相關(guān)參數(shù)設(shè)置，遺煤發(fā)火的細(xì)觀模型構(gòu)建，結(jié)果分析；本發(fā)明可皮無分析采空區(qū)自燃發(fā)過位置及發(fā)展過程。
[0007]在上述方法中，基本模型原點(diǎn)為左下角采空區(qū)(O點(diǎn))，X軸方向從左到右(橫向，300m)，Y軸方向從下到上(縱向，200m)，對于煤顆粒的設(shè)置:顆粒的摩擦系數(shù)為0.3，煤的密度為1400kg/m3，彈性模量和剪切模量為3.5 X 18Pa,顆粒半徑范圍[0.05m, 0.075m]，孔隙率0.3。
[0008]在上述方法中，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為:氣體常數(shù)Rs /(J.mol 1.K ^=8.314 ;空氣動力黏性系數(shù)μ/ kg/(m.s)=1.8X105;空氣擴(kuò)散系數(shù)D/ m 2/s=l.5X 10 5;活化能E a /(J.mol:)= 5 X 14;煤導(dǎo)熱系數(shù) As / (J.mol 1.K ^=0.2 ;放熱量 AQ / ( J.mol:)=4.2 X 14;遺煤滲透系數(shù)k /m2=8X10 7;煤的線性熱膨脹系數(shù)a /(K ')= 3.0X 16;煤的定容比熱Cv/(J.kg 1.K ')=1100 ;模型處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。
[0009]在上述方法中，遺煤發(fā)火的細(xì)觀模型構(gòu)建包括:將空氣中的氧按比例等效為顆粒的過程，模擬氧氣在采空區(qū)內(nèi)的流動，煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧。
[0010]在上述方法中，將空氣中的氧按比例等效為顆粒的過程，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Imol氣體=22.4L，所以 lm3=44.64mol，O2濃度=44.64X21%X32=0.3kg/m3;因?yàn)槟Ｐ秃?0.5 m，設(shè) I m3氣體模型內(nèi)有100個氧氣顆粒，02顆粒濃度=ImXlmX0.3 kg/m3X0.5 m/100=0.0015 kg/m2=0.0469 mol ;氧氣相對空氣的密度(去掉空氣對氧氣的浮力)為3 g/mol，每個O2顆粒的相對質(zhì)量為0.0469 mol/X3 g/mol/1000=l.407X 10 4 kg ;為了氧在煤堆里充分?jǐn)U散，設(shè)氧顆粒半徑 R132=0.003 m，則球的密度=1.407 X 10 4 (kg) / (4/3 Ji R023) =3.9 kg/m3。
[0011]在上述方法中，模擬氧氣在采空區(qū)內(nèi)的流動是通過FISH實(shí)現(xiàn)的，以通過采空區(qū)的進(jìn)氣口與出氣口兩點(diǎn)，構(gòu)造采空區(qū)內(nèi)的二次拋物線，模擬氣流在采空區(qū)的運(yùn)動軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量；同時為模擬氣流帶走煤層熱量的現(xiàn)象，與速度矢量成正比的減小氣流經(jīng)過區(qū)域煤顆粒的溫度值，實(shí)現(xiàn)模擬。
[0012]在上述方法中，將氧在遺煤中的流動分解成豎直方向和水平方向，分別如 P/x=(-y/k)u(l)和 P/ y=(_ μ/k) ν+Δ P g(l-Ta/T) (2)所示，氧的運(yùn)輸方程如 ε ( c/t)+ (UC)/ X+ (uc/ y) =D( W X2+ 2v/ y2)_(l_ ε )R (3)所示。
[0013]在上述方法中，煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧是通過FISH實(shí)現(xiàn)的，在這個過程中由于反應(yīng)，假設(shè)煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小于等于&2時，發(fā)生反應(yīng)并放出熱量，刪除氧顆粒后導(dǎo)致局部氧濃度降低，促使氧顆粒產(chǎn)生運(yùn)動，反應(yīng)遵循碳與氧反應(yīng)的化學(xué)方程式。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下將結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0015]工程背景及參數(shù)
某煤礦處于遼寧調(diào)兵山境內(nèi)，礦井田總面積大約是23.0432km2，其東西向長度約為4200m，南北方向上長約5350m。其18305回采工作面長200 m、采高4.8 m?，F(xiàn)以該工作面為例進(jìn)行U型通風(fēng)下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬。采空區(qū)深度取300m，工作面正常推進(jìn)速度約為3.6 m/d、通風(fēng)阻力58 Pa、傾角5°，工作面最大風(fēng)量700~810m3/min，進(jìn)風(fēng)溫度為19°C，原始巖溫為21.7°C，正常推進(jìn)時遺煤均厚為I m。模型原點(diǎn)為左下角采空區(qū)(O點(diǎn))，X軸方向從左到右(橫向，300m)，Y軸方向從下到上(縱向，200m)。對于煤顆粒的設(shè)置:顆粒的摩擦系數(shù)為0.3，煤的密度為1400kg/m3，彈性模量和剪切模量為3.5 X 18Pa,顆粒半徑范圍[0.05m, 0.075m]，孔隙率 0.3。
[0016]本發(fā)明用到的相關(guān)參數(shù)取值如下:
氣體常數(shù) Rs /(J.mol1.10=8.314;空氣動力黏性系數(shù) μ/ kg/(m.s) =1.8 X 10 5;空氣擴(kuò)散系數(shù) D/ m2/s=l.5X10/( J1l1)= 5X 14;煤導(dǎo)熱系數(shù) λ s /
(J -mol 1.K 3=0.2 ;放熱量 AQ /( J-mol ')= 4.2X 104；遺煤滲透系數(shù) k /m2=8X10 7；煤的線性熱膨脹系數(shù)α/(Κ ')= 3.0X10 6;煤的定容比熱Cv/(J.kg 1.K ')=1100 ;模型處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。
[0017]遺煤發(fā)火的細(xì)觀模型構(gòu)建及結(jié)果分析為解決遺煤層發(fā)火升溫過程的模擬，模型應(yīng)能解決如下三個問題。
[0018]I)將空氣中的氧按比例等效為顆粒的過程:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Imol氣體=22.4L，所以lm3=44.64mol，O2濃度=44.64X21%X32=0.3kg/m3。因?yàn)槟Ｐ秃?0.5 m，設(shè) I m3氣體模型內(nèi)有 100 個氧氣顆粒，O2顆粒濃度=ImX ImX 0.3 kg/m3X 0.5 m/100=0.0015 kg/m2=0.0469mol ο氧氣相對空氣的密度(去掉空氣對氧氣的浮力)為3 g/mol，每個02顆粒的相對質(zhì)量為0.0469 mol/X 3 g/mol/1000=l.407 X 10 4 kg。為了氧在煤堆里充分?jǐn)U散，設(shè)氧顆粒半徑 R132=0.003 m，則球的密度=1.407 X 10 4 (kg) / (4/3 π R023) =3.9 kg/m3。
[0019]2)模擬氧氣在采空區(qū)內(nèi)的流動是通過FISH實(shí)現(xiàn)的，以通過采空區(qū)的進(jìn)氣口與出氣口兩點(diǎn)，構(gòu)造采空區(qū)內(nèi)的二次拋物線，如拋物線模擬氣流在采空區(qū)的運(yùn)動軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量。同時為模擬氣流帶走煤層熱量的現(xiàn)象，與速度矢量成正比的減小氣流經(jīng)過區(qū)域煤顆粒的溫度值，實(shí)現(xiàn)上述模擬。將氧在遺煤中的流動分解成豎直方向和水平方向，分別如式(I)和式(2 )所