地下煤火回风裂隙火风压分布实验研究*

王文才 张根源 王鑫宙 赵晓坤 苏彦斌

（内蒙古科技大学 内蒙古包头014010）

地下煤火回风裂隙火风压分布实验研究*

王文才 张根源 王鑫宙 赵晓坤 苏彦斌

（内蒙古科技大学 内蒙古包头014010）

利用煤田露头火区模拟实验装置，通过对煤火燃烧过程中出风裂隙内气体温度的监测，发现裂隙内气体的温度沿裂缝逐渐降低并成指数衰减分布。通过分析得到火区裂隙温度的分布方程并计算得到了裂隙内火风压分布方程，得出煤田火区火风压的影响因素主要有自燃煤层温度、自燃深度和裂隙倾角。

露头火区 模拟实验 回风裂隙 温度 火风压

0 引言

煤田露头火区是一个在开放系统中风流和温度相互影响相互作用、不断发展变化的多场耦合体［1］。在煤田露头火区中，高温使煤层上覆岩层中裂隙内的气体与外界气体产生密度差，产生火风压。火风压是为煤炭自燃通风供氧的动力 ，与火区的温度有密切关系，是反应煤火发展变化情况的重要指标［2］。在利用火风压和火区裂隙温度对煤田火区进行动态观测方面已经有了成功应用，针对煤田火区火风压的影响因素和数值计算，已有了大量的理论研究［3－5］，并且提出了一些火风压关于火区温度的新计算模型［6］。黄恒栋［7］在建筑火灾方面 ，对烟气温度和火风压的沿程变化做了理论分析。本文拟利用煤田露头火区的模拟实验装置，模拟煤火燃烧过程并通过对煤田火区的温度进行监测，研究煤田火区回风裂隙内气体温度的变化规律 ，进而分析火区火风压的计算方法和影响因素。

1 火风压的计算

假设气体压强不变，根据盖·吕萨克定律可以得到火风压关于温度的表达式［8］：

式中，Hf为火风压，Pa；ρ0为火灾前高温区域气体密度，kg／m3；H为火区高温影响高度 ，m；g为重力加速度，m／s2；T0，Ts分别为火灾前后气体温度 ，K。

由式（1）可以看出火区的火风压主要由燃烧区温度和燃烧深度决定。在煤田露头火区中，受高温影响的主要是燃烧区上部裂隙构成的出风路线上的气体。由于裂隙内气体温度分布并不均匀，因此得到温度的分布方程，成为计算火区火风压的关键。

2 火区裂隙内气体温度分布实验研究

2.1 模拟实验装置

实验装置是自制的煤田露头火区燃烧过程模拟装置，该装置能对燃烧过程中温度变化进行实时监测。实验装置由主箱体和模拟塌陷区滑块组成 ，箱体边长分别为1.5，2.0，2.5m，倾角为15°。滑块下方铺装煤样和破碎岩样模拟煤层和顶板破碎带 ，箱体表面布置有测孔，其中1～8号孔间距0.25m，9号孔到煤层和9～11号孔间距均为0.3 m，如图1所示。利用铠装热电偶和智能无纸记录仪监测火区温度。

图1 煤田露头火区模拟实验装置

2.2 实验步骤

按图1所示铺装火区模型箱体，用石膏将除塌陷区裂缝之外的其他缝隙密封。使用变频风机对模型供风，使用加热棒引燃煤层，引燃后撤去加热棒，使煤层自主向内燃烧。利用温度监测系统，对1～11号测孔温度进行监测，每隔1 h记录1次温度值，直到煤火熄灭。

2.3 实验数据分析

煤火燃烧过程中，9～11号测孔的温度在燃烧初期并没有明显变化。当煤火燃烧至5～6号测孔之间，6号测孔温度开始快速升高时，9～11号测孔的温度开始出现明显变化。煤火蔓延至6号测孔时，9～11号测孔的温度变化情况如图2所示。

图2 出风裂隙的温度变化

由图2可以分析得到在煤火燃烧至6号孔时，随着煤层温度的升高，煤层上方出风裂隙内的空气温度逐渐升高，并且变化趋势相同，都是在经过缓慢升高后温度急剧上升 ，达到稳定。在出风裂隙内，气体温度是不断降低的，越接近燃烧区的位置温度越高，越靠近出风口温度越低。

裂隙内气体温度的降低是由于火区的高温气体在通过裂隙向外流动的过程中不断地通过对流和热辐射向外界散失热量。在特定的物理模型中，我们认为气体的散热系数只与气体温度有关。由此可以认为在裂隙内的气体温度只与裂隙下方煤层温度和到煤层的距离有关。

选取3个不同的时间点，分析沿回风裂隙的温度分布规律，如图3所示。

图3 不同温度条件下回风裂隙温度分布

由图3可以看出，在相同煤层温度条件下，沿着回风裂隙，气体的温度逐渐减小并且减小的速度逐渐降低。温度的分布符合指数衰减规律。对数据进行指数衰减拟合，可以得到不同温度条件下的回风裂隙气体温度分布方程，结果如表1所示。

表1不同温度条件下回风裂隙温度分布方程

3 回风裂隙内气体的温度分布

对比实验数据和现场观测并且参照 A·Ф· Bopoпoв公式［8］，煤田露头火区回风裂隙的温度分布满足公式：

式中，ts，tf，t0分别为煤田露头火区回风裂隙内气体温度、燃烧煤层温度、外界大气温度 ，℃；L为回风裂隙某点距高温煤层距离，m；A为温度衰减指数。

由式（2）可以看出，在煤田露头火区中，回风裂隙内的气体温度按指数衰减规律逐渐降低，无限接近外界大气温度，这与实验数据和现实情况是吻合的。当L＝0时，Ts＝Tf，也是符合实际情况的。式中温度衰减指数A的取值受火源温度、裂隙尺寸、裂隙高度、火区地质条件等诸多因素影响，在某一特定火区，可以认为A只与火区温度有关。

利用得到的火区回风裂隙的温度分布规律，在工程实际中，可以通过测量裂隙内气体的温度来了解煤田火区的自燃状况，并可以预测煤层燃烧深度，为煤田火区范围圈划和治理提供理论依据。

4 回风裂隙内火风压分布

由式（1）得回风裂隙中某点的火风压为

将式（2）代入式（3），如果回风裂隙倾角为θ，得回风裂隙内火风压的分布方程，再对方程两边进行积分计算就可得到煤田露头火区的火风压值：

Research on the Distribution of Fire Pressure in the Crack of Coalfield Fire Area

WANGWencai ZHANG Genyuan WANG Xinzhou ZHAO Xiaokun SU Yanbin
（Inner Mongolia University of Science and TechnologyBaotou，InnerMongolia014010）

The coalfield outcrop firearea simulation experiment device isused tomonitor the temperatureofgas in thewind out crack，finding that the temperature of the gas decreasesgradually along the crack and shows exponential decay distribution.The equation of temperature distribution and the firewind pressure distribution areobtained by analyzing.By formula，the influence factorsof firewind pressure ismainly composed of spontaneous combustion temperature，the depth of the coal seam and the crack angle.

outcrop fire area simulation experiment wind out crack temperature fire pressure

国家自然科学基金（51364028，51064018）。