不同风速下采空区火源温度分布规律数值模拟

沈亚楠，张嘉勇,2，武建国，冯培云，沈逸飞

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；3. 开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063210)

引言

采空区火灾是煤矿生产中普遍存在的风险[1-2]，不仅影响周围的环境质量，甚至会危害作业人员的健康和生命[3]，因此，精确定位采空区火源对于矿井火灾防治具有极为重要的作用。

目前采空区火源探测研究中温度变化是自然火灾的最直观体现，国内外专家学者采用理论分析、有限元软件数值模拟以及相似试验等手段[4]，对采空区温度场的分布规律进行了相对全面的研究[5-10]。在理论分析方面，建立基于傅里叶定律的采空区遗煤氧化放热能量方程[11]，利用FLUENT模拟非稳态采空区的温度分布，通过设置不同开采工艺参数，研究采动影响下采空区内部漏风量与温度场和气体浓度场分布的关联性[12-16]。根据煤体氧化升温的三维流场分布，得到了煤体的热量传递规律[17]，拟合得到耗氧速率等影响参数与温度的函数关系式[18]，奠定了采空区温度场分布规律研究的理论基础。在实验应用方面，基于几何相似原则及煤自燃原理，设计研发了采空区自然发火模拟试验和采空区温度场分布规律模拟试验装置[19,20]，通过试验验证了采空区自燃火源温度对于煤体热量传递规律和采空区温度场时空分布规律的合理性[21]，并将其研究成果应用于现场监测，确定了实际条件下采空区各参数变化对于采空区火灾严重程度的影响[22]。

目前，针对工作面不同进风风速，优化采空区火源监测点布置方案研究较少，导致采空区火灾治理效果不理想。因此，该项研究采用数值模拟的方法，分析不同风速下采空区火源温度分布规律，确定火源监测点的最佳布置方案，为采空区自燃火灾的监测与防治提供了重要的设计思路。

1数值模拟理论模型

1.1 瓦斯浓度方程

采空区瓦斯的质量守恒方程：

(1)

D——瓦斯在多孔介质中的扩散系数，m2/s；C——瓦斯浓度；V(T)——T温度时瓦斯的产生速率。不同氧气浓度下松散煤体瓦斯的产生或消耗速率可用下式表示：

(2)

Ψ(d50)——粒径为50 mm的影响函数。

1.2 采空区温度传导方程

根据傅立叶定律，将物体内部的热场与流场通过数学表达式联系起来：

(3)

其中，λ——热导率，W/(m·℃)。

当介质体内部有热源生热时，其强度为Q，单位为W/m3：

(4)

空间介质中的对流热传递方程可以表示：

(5)

式中，ρf——流体的密度，kg/m3；Cf——流体的比热，J/(kg·℃)；t——时间，s；Vx，Vy，Vz——流体在x、y、z方向的速度分量，m/s。

1.3 多孔介质渗流方程

设定采空区煤体中气体密度不变，则有：

(6)

式中，H——总压，Pa，计算时动能项可以忽略。

2采空区火灾数值模拟

2.1 物理模型的建立

根据覆岩煤层垮落带经验公式：

(7)

式中：h——工作面采高，m。

已知东欢坨矿3095工作面实际采高2.5 m，计算得到垮落带高度为5.93～10.33 m。根据3095冒落带参数，建立东欢坨采空区“三带”物理模型，x、y、z轴方向如图1所示。采空区长、宽、高为200 m×153 m×30 m，进风巷和回风巷长、宽、高为26 m×3 m×4 m，工作面长、宽、高为6 m×153 m×4 m，煤层倾角约为17°。采空区的瓦斯比空气轻，其自然流动的方向和下行风的方向相反，容易造成工作面瓦斯滞留，因此采用上行通风方式，巷道与工作面设置为自由流动空间，内部视为多孔介质空间，采用Darcy方程进行计算。模拟中用到的关键参数，如表1所示。

图1 模型网格划分

2.2 采空区自燃“三带”数值模拟

“三带”分布是采空区火灾预测的关键参数，该项目按照氧浓度划分采空区“三带”。3095工作面回采初期瓦斯涌出量较小，进风风速为1.34 m/s，后期由于构造因素导致瓦斯异常涌出，进风风速调整为3.27 m/s。为了分析不同进风风速对采空区火源温度分布规律的影响，确定测点最优布置方案，模拟分析了风速为1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s时采空区氧气浓度与自燃带分布情况，如图2所示为不同风速下采空区“三带”分布图。

图2 不同风速下采空区“三带”分布图

由图2可得，采空区进风速与自燃带的分布范围呈正相关，即随着进风速度的增大，自燃带范围扩大，同时自燃带的位置向采空区深处移动。采空区的进风速度与自燃带宽度关系见图3所示，a、b为风速增加，进风侧自燃带起始点和终止点移动趋势的拟合直线。通过拟合的斜率和截距，计算得到自燃带宽度与进风速的线性增长关系，即随着进风速增加，自燃带的区域面积也随之增加，采空区内遗煤自燃的危险性升高。

图3 自燃带宽度和进风速关系图

2.3 采空区温度随风速演化规律

采空区存在的漏风源使自燃带内积聚充足的氧气，氧化反应释放热量，多孔介质的空间特性又提供了良好的蓄热条件，热量积聚会引发采空区内的煤炭自燃。漏风量可直接影响采空区自燃带的分布范围，从而影响高温区域的分布规律。进风速增大，相同时间内采空区氧气浓度升高，遗煤氧化放热的速率加快，同时影响采空区内供氧和蓄热的平衡点范围，从而改变高温点的位置。

通过3185工作面流进采空区的低温气流，促进了靠近工作面处火源热量的消散，对热源起到冷却作用，降低了火源点周围区域的温度；在自燃带中心区域，具有漏风量少、氧气浓度低、氧化放热周期长的特点，热量积聚到一定程度也会产生着火点，结合工作面漏风量和蓄热条件等多种因素综合分析，采空区自燃带进风侧高温区域大，且不断向回风侧扩散，风速越大，扩散越明显。因此，假定火源中心位置位于进风侧，研究进风速为1.34 m/s、2.08 m/s、2.63 m/s和3.27 m/s的采空区温度分布情况，如图4所示为不同风速下采空区火源温度分布。

从图4可知，进风风速影响采空区氧浓度的分布，进而改变自燃带的位置，不同风速下热量积聚的温度场发生变化，与自燃带变化趋势相同，但仍满足采空区温度场分布规律，高温位置随进风速度的增大，向采空区深处移动，且温度的传播范围也随之扩大，高温区域扩散明显。

图4 不同风速下采空区火源温度分布

3模拟结果分析

根据3185工作面所需最低风速1.34 m/s拟合的自燃带起始点位置确定监测工作面后48 m处和进风侧距工作面48～168 m的温度情况，分析随着进风速的增大，采空区倾斜长度和走向长度方向上的温度分布规律，见图5和图6所示。

图5 不同风速条件下工作面后48 m处温度分布图

图6 不同风速条件下进风侧温度分布图

由图5可得，3185工作面方向的整体温度变化与进风速度呈非线性负相关关系，当进风速为1.34 m/s时，测得工作面后48 m处温度峰值121 ℃，当进风速逐渐增大至2.08 m/s、2.63 m/s、3.27 m/s时，峰值也随之降低为97.5 ℃、90 ℃、87 ℃。可见，工作面处的峰值大小与进风速呈负相关变化，测点在与进风侧距离40 m范围内，温度差异明显，风速越大，温降趋势越缓；当距离在50 m处时，到达温度平衡点，此后温度变化规律与之前相反。这是因为当风速较小时，火源温度距离工作面近，工作面处低温风流的冷却作用使火源温度下降速度加快，传播范围小。随着风速增大，火源位置逐渐向采空区深部移动，冷却效果不再明显，温降速度减缓。由于风量增加，高温区域扩散范围随之增大，因此在50 m处温度呈非线性中心对称分布。

由图6可知，风速为1.34m/s时进风侧温度先迅速升高再缓慢降低，且温度下降到距峰值50 m后，趋势渐缓至基本保持不变，不同风速条件下的采空区火源温度在进风侧的分布规律基本相同，但随着进风速增加，测定温度的峰值位置向采空区深处移动，与自燃带移动趋势相同，峰值温度呈正相关增长，峰值位于火源中心范围。

根据采空区自燃带火源温度分布规律，可以进一步对温度监测点布置进行优化设计，以每降8～15 ℃为标准进行数据分析，风速为1.34 m/s，距进风侧40 m前每隔10 m布置温度传感器，之后可设间距20 m；风速为2.08 m/s，60 m前每隔20 m布置，之后可设30 m；风速为2.63 m/s和3.27 m/s，可在70 m前每隔30 m布置传感器。综合分析得到，在采空区1/2倾斜长度内，每隔10 m布置传感器，之后将传感器间距控制在20 m。由于火源高温区域随风速变化，进风侧的监测点按间距10 m均匀布置，可全面监测采空区内的温度情况。

4结论

(1)研究发现采空区自燃带内进风侧高温区域明显，且不断向回风侧扩散，风速越大，扩散越广。原因是采空区进风量对自燃带位置产生影响，进而影响高温点的空间分布。

(2)分析不同风速下采空区内火源温度分布规律：工作面处温度峰值与进风速呈负相关，在3185工作面1/3处温度规律呈非线性中心对称分布；进风侧温度先升高再降低，且温度峰值位置随进风速的增加，向采空区深处移动，峰值温度呈正相关增长。

(3)通过对3185工作面采空区内火源温度分布规律的研究，分析设计该采空区火源温度监测点的布置方案，在采空区距进风侧1/2倾斜长度内，每10 m预埋温度传感器，之后将间距设置为20 m，在进风侧间隔10 m均匀布置。此研究方法可推广至其他矿井，对于采空区火源的精确定位提供了一定的理论指导。