综放面采空区温度场动态数学模化及应用.pdf

中国矿业大学学报990 2 2 3 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 2 采空区遗煤堆积厚度 和块度; 3 采空区漏风量; 4 工作面推进速度; 5 采空区围岩原始温度. 在上述5个因素综合 作用下，采空区浮煤自燃过程动态变化. 如当工作面正常推进时，采空区内某点的漏风 强度发生变化引起该点温度发生变化，而温度的变化又影响此点的耗氧速度，即使氧 气浓度发生变化. 因此，漏风强度、氧气浓度和温度相互影响, 相互制约，使采空区内高 温点向前移动. 当高温点移动速度大于工作面推进速度时, 采空区即可能发生自燃. 2 采空区内某点浮煤温度的数学模型 2 . 1 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二维 变化; 2 对某一确定工作面，在其正常生产期间, 采空区漏风强度、氧气浓度分布规律 现场观测确定 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, 计算时分别沿不同浮煤厚度值 由现场观测确定 进行. 2 . 2 数学模型 根据物质输运定律及化学动力学, 可得工作面从开切眼开始第n 天采空区任意一点I 的温度计算的数学模型为 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 3. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 4 中国矿业大学学报990 2 2 3 1 式中x n I为I点第n 天距工作面的距离, m ；t n I为I 点第n 天的温度，℃；ty 为围岩温 度，℃； x 为采空区漏风强度分布, m / m i n ；c n I, c n I 1分别为I 和I 1点第n 天的氧气浓 度, m o l / m 3；c 0为新鲜风流中的氧气浓度, m o l / m 3；λm为浮煤导热系数，J/ m . s . ℃ ； ρm, ρg分别为浮煤和空气的密度，k g / m 3；S m, Sg 分别为浮煤和空气的比热，J/ g . ℃ ； v 0 t n I 1 为I 1点第n 天的耗氧速度, m o l / m i n . m 3 ；q 0 t n -1I 为I 点第n -1天的放热强度, J/ m i n . m 3 ; f n I为I点第n 天的空隙率; v n 为工作面第n 天的日推进速度, m / d ；v n I为I 点第n 天的 升温速度, ℃/ d ；h 为采空区浮煤厚度，m . 2 . 3 初始及边界条件 1） 以工作面开始推进为计算起点，且进入采空区的初始温度为煤（岩）原始温 度； 2 开切眼处煤 岩 体原始温度恒定不变; 3 顶底板岩层温度恒定不变; 4 工作面温度恒定不变; 5 工作面风流中氧浓度为定值 9. 37 5m o l / m 3 . 3 有关参数的确定 1） 浮煤导热系数 热量通过采空区浮煤向周围传导的散热量大小与导热系数密 切相关, 即 q 传 d i v λmg r a d t . 2 λm可按下式计算 λm 1-f λc f λg ， 3 式中f 为浮煤空隙率；λc为实体煤导热系数；λg为空气的导热系数. 2 ） 漏风强度分布 根据条件类似 采高、顶底板岩性、煤层自燃性基本相同 的采 空区漏风强度分布, 可由式 4 求得新投产工作面采空区的漏风强度分布［1］ f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 3. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 4 中国矿业大学学报990 2 2 3 4 式中Q 1,1分别为新投产工作面供风量和采空区漏风强度；Q2,2分别为参照工作面 供风量和采空区漏风强度；Rφ12为与孔隙率有关的比例系数 对开采条件相似的两个工 作面，一般取Rφ12 1 . 3） 浮煤厚度 采空区浮煤厚度分布由相似工作面采出率及现场统计资料类比而 得［2 ］. 4） 浮煤空隙率 采空区浮煤空隙率可由现场实际观测情况近似确定. 4 程序框图 图1 采空区浮煤自然发火计算程序框图 Fi g 1. Pr o g r a m d i a g r a m f o r s e l f -h e a t i n g o f c o a l i n g o a f 5 应用实例 大同矿务局忻州窑矿8 916 综放面开采11，12 合并层, 煤层厚度7 . 7 6 ～11. 8 7 m 平均 9. 0 7 m , 倾角3左右. 采空区遗留浮煤约1. 57 ～7 . 2 7 m . 根据煤层自燃特性实验和现场观 测数据［3］, 应用上述模型, 沿采空区进风侧 浮煤厚度约6 m 模拟该面（工作面实际推进 速度见图2 ）生产期间采空区温度沿走向的分布情况, 计算结果见图3，图中曲线分别为 该面采空区温度每月底的分布. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 3. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 4 中国矿业大学学报990 2 2 3 图2 工作面月均日推进速度 Fi g . 2 A v e r a g e v a l u e o f f a c e a d v a n c i n g p e r d a y 图3 8 916 面不同推进速度时采空区内的温度分布 Fi g . 3 T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n g o a f w i t h t h e a d v a n c i n g o f f a c e 8 916 由图3可见, 工作面开采初期, 采空区浮煤温度随工作面推进而升高, 高温点后移；当 浮煤进入窒息带后, 温度又逐渐下降, 高温点前移. 此后, 工作面推进速度越大, 高温点前移 速度越小, 即高温点移动距离D 1小于工作面推进距离D2，采空区高温点相对于工作面后 移，并在距工作面一定距离时达到动态稳定；反之, 若D 1 D2，采空区高温点相对于工 作面前移. 若此后工作面推进速度不小于最小推进速度（使采空区高温点温度能达到临 界温度时的工作面推进速度），高温点在距工作面一定距离处也能达到动态稳定. 否 则，将可能在工作面出现明火. 因此，采空区高温点温度和移动速度不仅与当前工作面 推进速度有关，而且还和前几月的推进速度有关. 若工作面以假定的推进速度0 . 8 m / d 推进 如图2 中虚线所示 ，采空区温度分布 如图3中虚线所示. 由图3可见, 推进1个月后，采空区高温点温度上升，位置明显前移； 推进2 个月后，采空区最高温度将超过临界温度（8 0 ℃），即采空区浮煤将可能发生 自燃. 因此，为保证工作面安全回采，工作面最小推进速度必须大于0 . 8 m / d . 6 结束语 根据预测模型对采空区温度场的计算，可随时预测不同推进速度下的采空区自燃 危险性, 且可根据采空区高温点是否超过临界温度反推出采空区可能发生自燃的工作面 最小平均推进速度. 综放面采空区自燃的预测结果基本能满足现场需要. 但由于采空区浮 煤自燃的实际影响因素很多，且对于不同的矿井，其开采条件差别很大，因此, 在实际 应用中，应针对各矿井的具体情况确定边界条件和模型参数，然后进行模拟和预测， 以提高预测精度. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 3. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 4 中国矿业大学学报990 2 2 3 作者简介 邓 军，男，197 0 年生，讲师，博士研究生 作者单位邓 军 徐精彩西安交通大学能动学院 西安 7 10 0 54 张辛亥西安矿业学院采矿工程系 西安 7 10 0 54 参考文献 1 郭兴明，徐精彩，邓 军. 综放面采空有关参数分布规律分析. 阜新矿业学院学 报, 1997 , 16 增刊 31～34 2 徐精彩. 采面供风量与采空区遗煤自燃危险性关系分析. 西安矿业学院学报, 1994, 14 3 2 32 ～2 35 3 徐精彩，文 虎，郭兴明. 应用自然发火实验研究煤的自燃倾向性指标. 西安矿业学 院学报, 1997 , 17 2 10 3～10 6 收稿日期 1998 -0 4-10 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 3. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 4