采用流场理论确定采空区内自然发火火源点位置.pdf

SerialNo. 441 M arch. 2006 矿 业 快 报 EXPRESS I N A T I ON OF M I N I N G I NDU STRY 总第441期 2006年3月第3期 刘忠全1979- ,男,山东兖州人,在读硕士研究生,主要从事矿 井通风与防灭火研究, 123000辽宁省阜新市辽宁工大787号信箱。 采用流场理论确定采空区内自然发火火源点位置 刘忠全 刘 剑 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院 摘 要把采空区视为连续孔隙介质,采用流场理论建立起采空区气体流动及火灾标识气体 CO浓度分布的数学模型,模拟出 “浅煤层有地表漏风采空区” 、 “厚煤层分层同采采空区” 以及 “厚 煤层分层分采采空区” 内自然发火火源点位置分布规律。 关键词流场;采空区;自然发火;数值模拟 中图分类号 TD721 文献标识码A 文章编号 10092568320060320036203 Determ ination of positions of Natural Combustion Source Points in Waste Areas by Flow Field Theory L iu Zhongquan L iu Jian College of Resource and Environment Engineering, L iaoning U niversity of Engineering Technology Abstract Taking waste areas as pore media, a mathematical model of gas flow ing and fire mark gasCO concentration distribution in the waste areas was established by the flow field theory.The model simulated the distribution rules of natural combustion source point positions in“surface air leakage waste area in shallow coal seam”,“waste area of thick coal seam m ined simultaneously by layers”and“waste area of thick coal seam m ined respectively by layers”. Keywords Flow field; W aste area; natural combustion; V alue simulation 1 引言 1. 1 确定采空区内发火位置的重要性 矿井煤炭自然发火是矿井生产中的重大灾害之 一。它不仅影响矿井的正常生产,损失煤矿资源,甚 至直接威胁工人生命安全。煤矿火灾大量的统计数 据发现,绝大多数的自然发火发生在回采工作面的 采空区或者是相邻的老空区内。由于火灾大多数分 布在采空区,因此多数矿井火灾火源位置无法接近, 也无法准确测试出火源点的实际位置。矿井火灾的 隐蔽性和无法接近性给防火工作带来很大难度,显 然准确合理的确定出采空区内自然发火火源的位置 不仅具有重要理论意义,而且具有很高的应用价值。 1. 2 方法的可行性 对于煤矿的自燃目前比较普遍的观点认为必须 具备以下4个条件①有自燃的碎煤存在;②有含有 氧量较高的矿内空气流经碎裂煤体;③空气流动速 度适中,使碎裂煤体有积聚氧化热的环境;④上述3 个条件维持足够长的时间。从上述自然发火条件可 以看出条件②和③均与采空区气体流动状况有关。 另外煤的自燃大多是极其缓慢的燃烧过程,不会产 生大量的烟雾。自然发火的判断只能依靠标识气体 CO浓度在周围空气中的浓度变化。由自燃产生的 CO混入采空区气体中,因此其流动仍然和采空区 气体流动状况有关。因此通过研究采场空气流动和 采场火灾气体浓度分布规律,通过计算反求出CO 涌出位置。以此来判断采空区自然发火火源点是行 之有效的。 2 数学模型的建立 2. 1 采空区滤流场数学模型 把采空区视为连续的孔隙介质,借助孔隙介质 流体力学的原理,以渗透定律为本构方程来建立采 空区气体流动微分方程。假设采空区内陷落岩石的 高度与采空区的长宽相比,前者很小而且沿高度z 的方向全风压变化不大,故采空区气体流动状况可 简化为平面问题。根据达西定理和连续性方程来建 立采空区滤场数学模型 5 5x kxx 5H 5x 5 5y kyy 5H 5y 01 边界条件 Hx,yrihx,yx,y∈r1, 63 K 5H 5n r2qx,yx,y∈r2, VxKxx 5H 5x , VyKyy 5H 5y , 式中H为风压函数;Kxx,Kyy为渗透系数在x和y 轴方向上的分量;h为边界r1的已知风压函数。 2. 2 CO浓度分布的数学模型 在同一采场内根据fick定律和质量守恒定律, 建立采空区火灾气体CO浓度分布的数学模型 5 5xD ij 5C 5xj- 5 5xj ViC ICO 01 边界条件为 Cx,yr1C0x,yCVi-Dij 5C 5xj hir2g, 式中,C为待求采空区CO浓度分布函数;C0为边界 r1上的已知CO浓度函数;g为边界r2上的CO通 量;ICO为火源CO涌出量;Dij为与坐标方向有关的 扩散系数。其中 DxxΑLVxVxΑTVyVyV;DyyΑLVYVx ΑTVxVxV;DxyDyx ΑL-ΑTVxVy, 式中,Vx,Vy分别为渗流速度在x,y方向的分量。 2. 3 该模型的数值解法 数值解法是解决多孔介质复杂边界和非匀质系 统行之有效的方法。 文中采用伽辽金有限元解法。 首 先进行区域离散,将求解区域R采用三角形单元割 分,割分结果为M个三角形单元,n个节点,组合成 渗流场矩阵列向量;第二步输入渗流场边界条件,调 用解算程序先解算出采空区风压分布,然后求出速 度场计算出弥散系数;第三步组合浓度场边界条件, 解方程组求CO浓度,输出结果程序结束。 3 采空区火源点的分布规律 空气流入采空区只有漏风风速适中才会产生自 然发火。 一般认为自然发火风速为0. 4～0. 8mm in。 火源点也多位于易燃风速区内。为了便于判断火源 位置,以下通过大量数值计算,模拟出不同采空区易 燃风速区分布的规律。 311 厚煤层分层分采的自燃规律 1上分层停采线易自燃。厚煤层分层分采,采 一分层时,相当于单一煤层的回采;当推进速度大于 20md时采空区通常不会自燃, 在下分层回采时采 场通风由局部通风改为点负压通风,上分层停采线 位于采场入风顺槽道的始端和回风顺槽道的末端之 间,处于采场风压差最大的位置且漏风时间长。 从图 1中可以看出分层采空区内漏风风速停采线一侧 高,下分层工作面侧底,易自燃风速区靠近停采线一 侧,所以上分层停采线易自燃。 图1 顶分层停采线与采空区的漏风状况 2下分层时顺槽假顶易自燃。 分层分采时片帮 榻落的原煤长期积存于采空区一侧的第一分层顺槽 底板上;当假顶下的分层风巷中有风流通过时,少量 空气沿风巷顶板的裂隙平行于风巷轴线流动。使分 层风巷的假顶内形成易燃风速区。 312 厚煤层分层采空区自燃规律 1上分层采空区的自燃规律。 在同一区段内有 两个工作面同时回采时,由于两工作顺槽的风阻不 同或风量不同,上分层采空区存在两种典型流动状 态,见图2。 图2 分层同采的上分层采空区气体的两种典型流动状态 12上分层工作面; 22下分层工作面 73 刘忠全 刘 剑采用流场理论确定采空区内自然发火火源点位置 2006年3月第3期 图2中Q1,Q2分别为一、 二分层工作面联络眼 的入风量;Q ′ 1,Q ′ 2分别为一、 二分层工作面联络眼排 风量。如果二分层工作面回风联络眼风阻较大且Q2 Q ′ 2,则如图 2 a , 二分层的漏风量Q2-Q ′ 253- 52则流入一分层。相当于空区的漏风源,风量流入 采空区后风速由高变低。 肯定会形成易燃风速区。 当 上分层限风窗的风阻过大;使Q1Q ′ 1时,如图 2 b 含向下分层漏风,同样存在漏风源也会产生易自燃 风速区。 2下分区采空区的自燃规律。 下分层开采时可 以把位于如风侧的联络巷看成采空区的漏风源;把 位于四风侧的联络巷看成采空区的漏风口。下分层 采空区构成了二源二汇。 其漏风流动存在两种情况。 当Q ′ 1Q ′ 2时采空区气体流动如图 3 a , 若Q ′ 2 Q ′ 1 时采空区气体流动状况如图 3 b , 依据定解条件可 求易燃风速区。 图3 分层同采时下层采空区的漏风状况 3. 3 浅煤层地表漏风时采空区的自燃 煤层埋藏浅,采动煤层后地表塌陷容易形成漏 风,由于绝大多数矿井都采用抽出式通风,因此地表 裂隙形成采空区漏风源,形成二源一汇采空区。 其流 动状况见图4。依据定解条件确定易燃风速区。 图4 地表裂隙存在漏风时采空区气体流动状况 4 结论 1采空区自然发火与其气体流动状况存在密 切关系,用流场理论来分析采空区易燃位置切实可 行。 2根据火灾气体发现位置,结合分析出的不同 开采方式采空区气体流动的规律。采用计算机模拟 能较准确确定出采空区火源点位置,对煤矿火灾防 治和煤矿生产有现实指导意义。 参 考 文 献 [1] 黄伯轩 1 采场通风与防火[M ].北京煤炭工业出版社, 19921 [2] 贝尔丁 1 多孔介质流体动力学[M ].北京中国建筑工业出版 社, 19831 [3] 王省身 1 矿井灾害防治理论与技术[M ].北京中国矿业大学 出版社, 19861 [4] 章本照 1 流体力学中的有限元方法[M ].北京机械工业出版 社, 19961 收稿日期20052122 02 洛阳百克特摩擦材料有限公司 三月在全国范围内展开售后服务月活动的通知 K25高性能摩擦衬垫一直是进口提升机衬垫的 首选,自2002年开始与国内提升机进行配套以来, 目前已完成、 投产近百余套。鉴于上述情况,洛阳百 克特摩擦材料有限公司作为K25高性能摩擦衬垫 的中国唯一代理、 生产商,将于2006203月在全国范 围内开展售后服务工作。 本次大型售后服务活动旨在对衬垫的作用状况 做出详实调查,以便为用户提供更完美的专业服务 和技术指导,请广大用户配合我公司售服代表填写 售后服务卡 。 因提升机在全国范围内分布较广,如 我公司售服代表暂时未走到贵矿,而您又需要进行 技 术 咨 询 的,请 您 致 电0379265112136, 03792 64183328。 83 总第441期 矿业快报 2006年3月第3期