地质条件和地表风对煤火蔓延特征的影响研究

王海燕 徐祚卉 张敏敏 刘振乾 高瑞浩

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

中国北方煤田每年因自燃烧失大量的煤炭资源，危害煤矿安全生产，造成巨大经济损失。自燃既是煤矿防火的治理重点，也是火灾的重要研究方向。孙宝亮对攀枝花大宝鼎4号露头煤层进行煤自燃数值模拟，得出露头与井口均漏风和只有露头漏风情况下各温度、浓度、流场，以及不同漏风速度下煤自燃的发展规律；邸建友通过模拟煤层自燃，得出自然发火期与风速及矿井深度变化的规律；王文才等对不同条件下的煤田露头火区进行模拟，得出了进风通道风速和孔隙率对火区的影响；张培等对煤层露头火区自然通风系统特征以及风流运动规律分析，得出煤田露头火区风流运动基本方程，并通过模拟得出露头火区风流运动规律；于涛等对不同煤层埋藏深度、孔隙率及渗透率的煤田露头火区进行模拟，得出了多孔介质速度场、温度场变化规律；徐佳对汝箕沟煤田上一火区进行数值模拟，得出不同火源温度和入口风速下火区氧浓度场、温度场及漏风流场变化规律；肖旸对乌达煤田火区进行数值模拟，得出煤田火区上覆岩层监测点温度场和应力场随时间的变化规律，以及火区煤岩体氧浓度、渗流速度场和压力场的分布。上述研究成果对丰富煤自燃理论及满足火区治理实践发挥了重要作用，但是针对外部环境对煤层自燃中的热作用深度研究还比较少，本文主要研究煤自燃的蔓延特性，并从蔓延深度研究外部环境对煤层自燃的影响，为尽早发现火灾、查明火源位置及其范围、熄灭火区奠定坚实基础。

1 模型建立及参数设定

1.1 研究对象

新疆某煤田火区由于新构造运动作用，煤层露出地表与空气氧化作用引起煤炭自燃。火区燃烧剧烈，地表发育成排裂隙，地面冒青烟，局部有明火。该火区地形属中低山及丘陵地形，地层平缓，倾角10°～65°，含主要煤层三层，平均总厚度24.44 m。可采煤层二层，平均可采厚度22.15 m，主要可燃煤层平均总厚度18.95 m，属于特厚煤层，含灰分平均12.30%，挥发分44.94%，硫分0.734%，发热量31.2 MJ/kg。煤质大多属于长焰煤及不粘煤，具有较易自燃、烟浓、火焰略长、白灰等特点。火区属大陆性气候，春秋为风季，风向以西北风为主。

1.2 煤层自燃的物理模型及模拟参数

该火区有平原、山地两种地形，根据新疆示范火区地形资料，将山地区含煤山体简化为一个等腰梯形，山底宽290 m、高70 m、煤层厚20 m，并假设该梯形沿走向长度足够长。将平原区含煤山体简化为坡度统一0°、宽290 m、高70 m、地表以上大气高80 m的几何体。

本文主要研究煤层倾角、地形地貌及地表风向、风速对煤火高温区蔓延的影响。设定模拟工况及主要参数见表1。根据新疆主要火区所在地区风速，确定地表模拟风速为2.1 m/s、4 m/s、8 m/s 3种状态。该火区地质报告显示，火区内无大的裂隙和断层，故煤层取单一孔隙率0.1，岩层取单一孔隙率0.05。火区内有开采历史，因此采空区漏风简化为一条漏风通道，漏风速度取0.01 m/s。初始火区半径3 m，火区中心半径1 m区域温度1500 K，向外温度递减，最外围温度500 K，自燃初始位置距露头侧20 m，地表大气压为101.325 kPa(1个标准大气压)。

表1 模拟工况及主要参数

2 模拟结果及分析

2.1 煤层倾角对于火区蔓延的影响

为研究煤层倾角对露头煤火发展动态的影响差异，模拟煤层露头山体坡度45°，煤层厚20 m，煤层倾角分别设定为7°、13°、30°、51° 4种情况。煤层和露头区域均为多孔介质，地表风速2.1 m/s，底端存在采空区轻微漏风，漏风速度0.01 m/s，煤火高温区域温度为500～1500 K。模拟结果如图1和图2所示。

高温区由于受到露头散热的影响，在露头一侧温度梯度较大；倾角较小时，高温区沿倾向向露头蔓延速度较快；随着倾角增大，高温区向露头蔓延的速度减缓。这主要是由于火风压的作用使得高温烟流流向上方，预热上方途经地区，而煤层倾角越陡，烟流流过预热煤炭的范围越大，加上热气有上行的特性，进而使燃烧区域上方的露头内渗流速度场发生改变，从而有利于传热和供氧。高温区的这种变化趋势说明煤层倾角大小对推动自燃的火风压有影响，倾角越大，火风压越大。结果与国内部分学者关于煤田露头自燃火风压变化特点结论一致。

随着自燃时间的进行，露头煤火高温区域将逐渐向煤层内部蔓延，但到达一定深度后，高温区将不再向更深部位蔓延。不同倾角下高温区沿倾向向煤层深部的极限蔓延深度呈现出随煤层倾角加大高温区极限蔓延深度降低的现象。产生这种变化规律的原因，除受选择几何模型建立时差异性的影响，还受传热与氧气供应、渗流难易的联合影响。煤层倾角大，主要热量向露头方向传递，热量向深部传递变难，新鲜空气通过煤岩向内部渗流供氧能力将受限。

图1 自燃高温区随煤层倾角变化时的温度场及速度场变化

2.2 地形地貌对火区蔓延的影响

火区蔓延主要考虑地形山体坡度以及山丘和平原两类地形对火区高温区的影响。本文模拟煤层倾角30°，煤层厚20 m，地表大气风速2.1 m/s，下部存在采空区漏风风速0.01 m/s，地表大气压力为101.325 kPa(1个标准大气压)，山体坡度分别设定为0°、30°、45° 3种。模拟结果如图3所示。

露头坡度对火区蔓延的影响特征为：坡度越陡，高温区向煤层深部的蔓延速度越快。这是因为山体坡度越大，越有利于空气向多孔介质中的煤层渗流。在倾斜的山坡，自然风压是导致空气对流的主要驱动力，山坡越陡，自然风压越大，使更多的空气流入坡度较陡的山体，影响空气在露头及煤层内的渗流速度，进而增加煤层中供氧量，最终对煤田火区的蔓延产生影响。

图2 自燃高温区的蔓延距离随倾角的变化曲线

根据模拟结果，提取高温区域沿煤层倾向向深部蔓延的距离，如图4所示。其结果同样表明山体陡峭的煤层露头利于煤火高温区向深部蔓延。总体上看，山体坡度增加，自燃高温区沿煤层倾向向下蔓延距离增加。但随着自燃时间的进行，高温区将停止向下蔓延。

2.3 地表风对火区蔓延影响

地表风速的大小直接影响露头煤层内的漏风速度和蔓延特性。模拟煤层露头山体坡度30°，煤层厚20 m，煤层倾角13°，露头在迎风侧，存在采空区漏风，地表大气压力为101.325 kPa(1个标准大气压)。对于地表风向与露头的相关性，选取坡度为30°，煤层厚20 m，煤层倾角为30°，地表大气风速(分迎风和背风)2.1 m/s、4 m/s和8 m/s进行模拟。

不同风速下高温区沿倾向的蔓延距离如图5所示。由图5可以看出，2.1 m/s、4 m/s和8 m/s 3种风速条件下高温区沿煤层倾向向深部的极限蔓延深度分别为4.977 m、3.98 m和3.355 m，与之对应的，平均蔓延速度为0.13 m/h，0.14 m/h和0.23 m/h。说明高温区的蔓延深度与外界风速大小呈反比。但风速高时，高温区向深部蔓延速度会增加，直至达到极限蔓延深度。产生这种现象的原因是煤层露头中的风流渗流具有两面作用，既可为煤的氧化反应提供充足的氧气，从而有利于自燃，但也会带走煤氧化反应产生的热量，导致蓄热困难，从而降低反应速度。

图3 不同坡度影响下的煤自燃高温区温度云图

图4 不同地形下的自燃高温区蔓延距离

不同风向下露头内温度场和速度场分布如图6所示。由图6可以看出，迎风时，火区向内部蔓延的速度大于背风，且迎风露头火区高温区沿煤层倾向向深部蔓延的极限距离和热作用深度也高于背风侧露头。主要原因是迎风时地表风速对迎风坡产生风压，提高了煤层深部的供氧速度和供氧范围，有助于火区的发展，进而加快高温区的迁移速度。

不同风向下高温区蔓延距离散点图见图7。由图7可知，迎风侧高温区蔓延深度达5.37 m，时间为40.77 h；背风侧蔓延深度达4.39 m，时间为32.29 h。即迎风侧高温区向内部蔓延的深度大于背风侧。地表风速对山坡产生风压，造成山体内部与地表两端的气压差，根据达西定律可知，多孔介质中的渗流速度与介质两端的气压差呈正比，迎风侧地表风压大于背风侧，其内部渗流速度大于背风侧，将更多的氧气带入煤层深部，供氧量增加有助于火区深部燃烧反应的持续进行，且加快燃烧速率、扩大高温区的范围，因此使迎风侧高温区蔓延深度大于背风侧。

图5 不同风速下高温区沿倾向的蔓延距离

图6 不同风向下露头内温度场和速度场分布

图7 不同风向下高温区蔓延距离散点图

3 结论

以新疆某煤田火区为背景，选取煤层倾角、地形地貌、地表风向为研究对象，建立物理模型，进行了实际煤田自燃的模拟分析。结果表明：高温区沿倾向向露头蔓延的速度随着煤层倾角的增大而减小；高温区蔓延极限深度随着煤层倾角的增加而减小。平原地形火区高温区最先到达露头侧；高温区沿倾向向煤层内部蔓延的极限深度随着山体坡度增加而增加。迎风侧露头高温区面积稍大于背风侧，且背风侧高温区主要向顶板处蔓延；露头位于迎风侧时高温区沿倾向向煤层内部蔓延极限深度大于背风侧。

煤田火区的发展和蔓延是国内乃至世界性的难点和亟需解决的问题之一。本研究结果尚需在未来的现场实践和应用中进一步补充和提高，并进行一定成果的验证，为我国大面积煤田火区预防和治理提供技术和理论支撑。

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