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第 35 卷 第 3 期 2001 年 3 月 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XI AN JIAOTONG UNIVERSITY Vol. 35 3 Mar. 2001 文章编号 0253- 987X 2001 03 0239 05 巷道煤体漏风规律研究 郭兴明1, 徐精彩2, 惠世恩1 1. 西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安; 2. 西安科技学院采矿工程系 摘要在分析综放开采条件下巷道煤体所处环境的基础上, 通过对巷道松散煤体中漏风风流的流 态、 渗透系数、 漏风动力等关键因素的分析研究, 探讨了巷道煤体的漏风规律, 推导出了巷道松散煤 体的渗透系数的表达式, 漏风强度、 风压梯度与空隙率之间的关系式, 以及总体漏风强度的表达式. 研究结果表明, 巷道松散煤体中的漏风流态为层流, 其漏风动力主要由风流沿巷道的压力降、 巷道 煤柱两侧的压力差、 热力风压、 巷道起伏引起的动压差和巷道风流的位压差构成. 为研究巷道煤体 自燃规律及防治技术提供了一定的理论基础, 具有重大的现实意义. 关键词 巷道; 松散煤体; 漏风; 多孔介质 中图分类号 T D728 文献标识码 A Investigation on AirLeakage Law of Gate Coal Seam Guo Xingming1,Xu Jingcai2, Hui Shien1 1. School of Energy and Power Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, China; 2. Department of M ining Engineering, Xi an University of Science loose coal; airleakage; porous media 煤自燃是煤与氧接触后, 发生一系列复杂的物 理化学变化所导致. 在这一变化过程中, 煤体释放出 一定的热量. 这些热量被积聚, 并使煤温持续上升, 最终导致煤体发生自然发火. 显然, 氧在煤体自燃过 程中的作用是不可替代的. 在实际条件下, 煤体自燃 所需的氧主要通过煤体的漏风来供给. 因此, 长期以 来, 科技工作者在煤体漏风方面进行了大量的研究, 取得了显著的成果, 如开区均压、 闭区均压等, 为煤 矿井下煤体自燃的防治起到了积极的作用. 但是, 由 于井下实际条件十分复杂, 工作环境异常恶劣, 以及 收稿日期 2000 06 15. 作者简介 郭兴明1973 , 男, 博士生; 惠世恩联系人 , 男, 教授, 博士生导师. 基金项目 国家 九五∀科技重点攻关资助项目97- 13 . 研究手段的限制, 使人们对煤矿井下煤体的漏风规 律始终未能彻底掌握. 近年来, 由于综放开采技术的应用和推广, 给人 们带来了巨大的经济效益和社会效益, 同时也出现 了一些新的问题, 如出现了两道顶煤放出率低, 顺槽 沿底板一次掘出, 顺槽顶煤受采动压力影响, 易于离 层、 压裂、 冒落等. 由于这些问题的出现, 在实际开采 过程中, 使煤体的漏风状况和漏风规律发生了变化, 不同于常规开采技术所形成的煤体漏风状况和漏风 规律, 导致煤体自燃发生频率显著增加. 为此, 本文 拟通过对综放开采条件下巷道煤体的漏风状况、 漏 风动力等的研究, 对巷道煤体漏风规律进行一些探 索. 1 巷道煤层所处的环境 在综放巷道沿煤层底板掘进的过程中, 通常顶 部留有几米厚的煤, 在掘进动压及相邻采面回采动 压的影响下, 顶煤受压而破碎、 离层, 区段煤柱也被 压酥. 在掘进过程中还经常出现顶煤冒落, 支护后, 在棚网上堆积了一定量的松散浮煤. 因此, 巷道煤层 所处环境有以下几个特点 当巷道沿煤层底板掘 进时, 巷道随底板起伏变化, 风流在这些起伏地点产 生动压差; ∃ 巷道风流温度低于岩层原始温度, 易在 巷道顶煤内形成热力风压; 顶煤冒落空洞和离层 空隙阻碍顶板传导散热, 近似绝热壁; ∋ 沿空侧浮 煤堆积厚度大, 范围广; 沿空侧小煤柱易压碎, 形 成漏风; 沿空侧浮煤受相邻区段开采时氧化放热 影响, 通常存在局部高温区或浮煤温度高于岩层原 始温度. 2 巷道松散煤体漏风规律研究 巷道松散煤体内的漏风风流流场十分复杂, 漏 风主要由风流运动的能量梯度供给, 漏风强度的大 小与煤体的破碎程度 即空隙率 和风压梯度有关. 巷道松散煤体漏风规律的研究主要从以下 3 个方面 着手 漏风风流流态; ∃ 松散煤体空隙率、 风压梯 度与渗流风量的关系; 漏风动力. 2. 1 巷道松散煤体漏风风流流态 巷道松散煤体内部实际条件复杂多变, 使得松 散煤体内的风流流场十分复杂. 根据前人的研究成 果, 风流在巷道松散煤体内的流动状态有 3种, 即层 流、 过渡流和紊流. 巷道松散煤体风流的流态取决于 当量雷诺数, 即 Reeq u ∗ k ∗ l 1 当 Reeq 2. 5 时 1. 18属紊流状态 式中 u 为漏风风流速度 m/ s ; k 为松散煤体渗透 率 m2; l 为滤流带的假定粗糙度 m; 为滤流阻 力系数; 为空气运动粘性系数m2/ s. 一般情况下, 巷道松散煤体内风流流态属层流, 风压差与漏风强度为线性关系, 即 - K dH dL 2 式中 为漏风强度m3/ m2∗s ; K 为松散煤体渗 透系数m/ s; - dH dL 为风压梯度. 2. 2 巷道松散煤体内空气流动 2. 2. 1 Darcy 实验定律 1856 年, Darcy 根据实验 断定流量 Q 与不变的横截面积及能量损失 ∀成 正比, 与长度成反比. 推广到斜多孔介质柱中的流体 流动, 有[1] Q KA ∀1- ∀2/ L q K ∀1- ∀2 / L ∀i Z pi/ 3 式中 q Q/ A 是比流量, 它是与流动方向垂直的 每个单位横截面上的流量. 能量损失为 ∀∀1- ∀2 是由流体与多孔介质间摩擦引起的. 风流在巷道松散煤体中漏风流速一般较小, 因 此, 由 Darcy 定律可得 x - Kx H x y - Ky H y z - Kz H z 4 式中 x、 y、 z分别为x 、 y、 z 方向的漏风强度分 量. 2. 2. 2 风流的质量守恒 为便于分析, 假定 松 散煤体均质, 不变形; ∃ 空气为单相牛顿流体, 密度 不随压力变化; 空气是具有分子扩散系数 Dd的 二元系统, 空气中各组分间没有化学反应; ∃为流体密度kg/ m3. 巷道煤层在采动和矿压的作用下不可避免地会 被压酥, 形成大量裂隙或冒顶, 改变了煤体原有的空 隙率等参数, 影响了空气在松散煤体中的渗透过程, 最终影响空气在松散煤体中的漏风规律. 2. 4 松散煤体空隙率、 风压梯度与渗流风量的关系 空气在松散煤体中的渗透、 扩散过程十分复杂, 破碎煤体的颗粒形状、 直径、 空隙率以及空隙的分布 状态等参数都影响着空气的渗透过程, 人们至今未 能对此建立起比较完善的理论. 为了便于分析, 把松 散煤体看成是一种刚性介质, 引用多孔介质的流动 理论来推导出松散煤体中空气的流动规律, 然后用 实验测定其渗透系数. 多孔介质的统计特性用渗透 率来表示, 它最早由 Darcy 提出, 即 Q - ∃ g kA A 为与流动方向垂直的截 面积m2. 可将松散煤体看成是一维均质的多孔介质, 整 个介质的平均渗透率等于任意实验点处的渗透率, 其渗透率在各方向都是相同的, 则得动量方程 u ∃ g k L 为实验管段长度 m . 由于 Q A∗ ∋r 2∗ , 则有 k ∃ 由于巷道起伏等原因引起的 动压差; 倾斜巷道的位压差; ∋由巷道壁面摩擦、 变形、 转弯、 分叉、 汇合、 扩 大、 缩小以及堆放杂物等形成的风流沿巷道的压力 降. 2. 5. 1 热力风压 巷道松散煤体暴露后, 由于煤体 氧化升温, 在煤体内部与巷道表面形成温度差, 从而 产生热力风压 Hr. 巷道顶煤着火时, 常可以看到着 火处的风呼呼地往顶煤中吸, 同一巷道不着火处却 见不到这种现象, 说明着火处风流渗透强度大. 这是 由于煤体高温而产生的一个自身动力 即热力风压 推动着风流运动. 热风压 Hr的计算公式为[ 4] Hr . L 0 ∃/- ∃x gdx20 式中 ∃/为巷道风流空气密度kg/ m3; ∃x为煤体 内距巷道顶的垂直高度为 x 处的空气密度 kg/ m3; L 为巷道顶板温度为原始温度处距巷道顶的 垂直高度m. 据 J. Boussinesq[5 7]假设可得 ∃/- ∃x ∃/ Tx- T/21 式中 为流体的体积膨胀系数, 其定义式为 1 v v T p 22 式中 v 为空气比容. 对于理想气体 pv RT , v T p R p 于是得气体的体积膨胀系数为 1 v ∗ R p 1 T 23 所以 ∃/- ∃x ∃/ Tx- T// Tx 即热风压可表示为 Hr . L 0 ∃/g Tx- T/ Tx dx24 由以上的理论推导可以看出, 松散煤体内温度 越高, 与巷道表面之间的温度梯度越大, 产生的热力 风压越大, 漏风强度也越大. 假定煤体温度均匀, 则由热风压形成的单位面 积漏风量漏风强度为 r K Hr L K ∃/g Tx Tx- T/25 2. 5. 2 巷道起伏引起的动压差 巷道起伏变化, 使 得风流方向与巷道表面形成一个夹角 ∗ , 当风流碰 到障碍物方向发生改变时, 风流的动能在漏风处产 生一个风压, 这个压力迫使风流往煤体内部渗透, 产 生的风流动压为 HV 1 2 ∃/V 2 0sin2∗26 则由风流动压产生的漏风强度为 V K HV L K ∃/sin2∗ 2L V 2 027 由以上分析可以看出, 当风流方向与巷道表面 的夹角为 900时, 风流动压最大, 漏风强度也最大. 2. 5. 3 位压差 在水平巷道中, 风流没有位压差; 在非水平巷道中, 由于存在高差, 巷道内存在位压 差, 向下流的风流位压差为正. 巷道内两点间的位压 差为 HZ Z1- Z2 ∃/g28 由位压差产生的漏风强度为 Z K HZ L K Z1- Z2 ∃/g L 29 由式29可以看出, 巷道内两点间高差越大, 产 生的位压差越大, 漏风强度也越大. 242西 安 交 通 大 学 学 报 第35 卷 2. 5. 4 巷道煤柱两侧的风压差 由于掘进巷道与 相邻采空区之间的煤柱两侧风压不同, 在煤柱两侧 存在风压差, 这个压力差在煤柱内产生的漏风强度 为 c K Hc L K H1- H2 L 30 式中 H1为巷道侧压力; H2为采空区侧压力. 从式30可以看出, 煤柱内的漏风强度与煤柱 两侧的风压差成正比. 在实际情况中, 采面的回风巷各处的压力不尽 相同, 可根据实际情况采取不同方法对漏风强度进 行计算. 限于文章篇幅, 不在这里进一步讨论. 但是, 在计算巷道的总漏风强度时, 必须考虑由巷道与相 邻采空区之间的压差所产生的漏风强度. 2. 5. 5 风流沿巷道的压力降 风流沿巷道的压力 降主要由摩擦阻力和局部阻力引起. 风流在巷道中 流动时, 沿程受到巷道固定壁面的限制产生摩擦阻 力. 这时, 巷道风流基本属紊流状态, 且巷道为非圆 形, 由流体力学知识可知其计算公式为 Hf LuQ2/ S 3 31 由摩擦阻力产生的漏风强度为 f K Hf L K uQ 2 S 3 32 在风流运动过程中, 由于巷道条件的变化巷道 变形、 扩大、 缩小、 转弯、 分叉、 汇合及巷道内堆放杂 物等 , 使均匀流动在局部区域受到阻碍物的影响, 从而引起风流流速的大小、 方向或分布的变化或产 生涡流等情况, 造成风流的能量损失. 局部阻力一般 用速压的倍数表示, 即 Hjf, ∃/V2/ 233 由局部阻力产生的漏风强度为 jf K Hjf L K , ∃/V 2 2L 34 于是, 得到巷道煤体总漏风强度为 r V Z c f jf35 3 结 论 1巷道松散煤体内的漏风风流的漏风强度与 风压梯度呈线性关系. 2松散煤体的空隙率、 风压梯度及漏风强度满 足关系式 H/ L n / ∃ g 3巷道松散煤体中的渗透系数为 K ∃ gk/ 0. 016 05n2 0 n 0. 45 K ∃ gk/ 1. 448 4 − 10- 27exp112. 998n 0. 45 n 0. 50 4 巷道松散煤体的漏风动力主要由风流沿巷 道的压力降、 巷道煤柱两侧的压力差、 热力风压、 巷 道起伏引起的动压差及巷道风流的位压差构成. 致射 研究的前期工作在兖州煤业集团东滩煤矿和 鲍店煤矿进行, 得到了王春耀先生、 陈长磊先生、 夏 晓明先生、 阮国强先生、 孟警战先生、 金学义先生、 王 华民先生的热情帮助, 在此一并表示感谢 参考文献 [1] 刘柏谦, 吕 太. 逾渗理论应用导论[ M] . 北京 科学出 版社, 1997. 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