一种确定采空区发火过程的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿业工程，特别是涉及分析采空区自燃发火位置及发展过程。
【背景技术】
[0002]井工开采是煤矿生产的主要方式之一，回采后可能留有遗煤层，而遗煤层由于氧化作用可能产生自燃。近几年来，随着放顶煤技术得到普及，端头支架处的顶煤放出率偏低，导致采空区内遗煤较多，采空区自然发火危险程度逐步增大。可见尽管对于该类型自燃及其升温过程以开始深入研究，但达到的效果并不理想。据统计国内大约有56%的矿井有自燃隐患，远远多余其他国家，而采空区是发生自燃灾害最频繁的区域。
[0003]针对该问题，目前有几个方向予以研究。I)可通过实际对遗煤层温度及其升温区域进行测量，结合相关物理参量进行拟合和参数反演，得到某一方面的解析式。这样的分析方法思路清晰，便于理论研究，但是无法进行复杂的耦合分析，也无法实例化建模。2)基于流体方面的研究，通过气体温度等关系进行研究，使用fluent等流体模拟软件。但是这样分析也存在问题，例如如何控制固体与流体之间的热交换，热量如何在固体中传播等。3)使用连续性岩土软件模拟，多数岩土模拟软件提供了热力模型，以研究升温对固体应力应变的影响。但是气体如何影响固体热传递，岩体裂隙中气流如何模拟也存在问题。
[0004]为选择一种新的解决该问题的方法，尝试使用基于颗粒流理论的PFC3D，将氧气等效成为颗粒渗入遗煤的颗粒，模拟煤与氧气反应并发出热量，从而得到自然发火过程中的采空区遗煤内温场分布及其特点。同时对该采空区进行了长时间监测，根据温度及其升温区域变化对模型进行修正。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种确定采空区发火过程的方法，以便能够有效地解决现有技术中存在的上述问题。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
一种确定采空区发火过程的方法，其特征在于,％飞歡U型通风下采空区遗煤层自然发火过程中，不同时间的温度和升温区的变化，提出使用颗粒流理论为基础的模型X其包括勿步1:基本模型建立，相关参数设置，遗煤发火的细观模型构建，结果分析；本发明可皮无分析采空区自燃发过位置及发展过程。
[0007]在上述方法中，基本模型原点为左下角采空区(O点)，X轴方向从左到右(横向，300m)，Y轴方向从下到上(纵向，200m)，对于煤颗粒的设置:颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m3，弹性模量和剪切模量为3.5 X 18Pa,颗粒半径范围[0.05m, 0.075m]，孔隙率0.3。
[0008]在上述方法中，相关参数设置为:气体常数Rs /(J.mol 1.K ^=8.314 ;空气动力黏性系数μ/ kg/(m.s)=1.8X105;空气扩散系数D/ m 2/s=l.5X 10 5;活化能E a /(J.mol:)= 5 X 14;煤导热系数 As / (J.mol 1.K ^=0.2 ;放热量 AQ / ( J.mol:)=4.2 X 14;遗煤渗透系数k /m2=8X10 7;煤的线性热膨胀系数a /(K ')= 3.0X 16;煤的定容比热Cv/(J.kg 1.K ')=1100 ;模型处于标准状态。
[0009]在上述方法中，遗煤发火的细观模型构建包括:将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程，模拟氧气在采空区内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧。
[0010]在上述方法中，将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程，标准状态下，Imol气体=22.4L，所以 lm3=44.64mol，O2浓度=44.64X21%X32=0.3kg/m3;因为模型厚 0.5 m，设 I m3气体模型内有100个氧气颗粒，02颗粒浓度=ImXlmX0.3 kg/m3X0.5 m/100=0.0015 kg/m2=0.0469 mol ;氧气相对空气的密度(去掉空气对氧气的浮力)为3 g/mol，每个O2颗粒的相对质量为0.0469 mol/X3 g/mol/1000=l.407X 10 4 kg ;为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径 R132=0.003 m，则球的密度=1.407 X 10 4 (kg) / (4/3 Ji R023) =3.9 kg/m3。
[0011]在上述方法中，模拟氧气在采空区内的流动是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量；同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域煤颗粒的温度值，实现模拟。
[0012]在上述方法中，将氧在遗煤中的流动分解成竖直方向和水平方向，分别如 P/x=(-y/k)u(l)和 P/ y=(_ μ/k) ν+Δ P g(l-Ta/T) (2)所示，氧的运输方程如 ε ( c/t)+ (UC)/ X+ (uc/ y) =D( W X2+ 2v/ y2)_(l_ ε )R (3)所示。
[0013]在上述方法中，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，在这个过程中由于反应，假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于&2时，发生反应并放出热量，删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动，反应遵循碳与氧反应的化学方程式。
【具体实施方式】
[0014]以下将结合实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
[0015]工程背景及参数
某煤矿处于辽宁调兵山境内，矿井田总面积大约是23.0432km2，其东西向长度约为4200m，南北方向上长约5350m。其18305回采工作面长200 m、采高4.8 m。现以该工作面为例进行U型通风下的采空区自然发火数值模拟。采空区深度取300m，工作面正常推进速度约为3.6 m/d、通风阻力58 Pa、倾角5°，工作面最大风量700~810m3/min，进风温度为19°C，原始岩温为21.7°C，正常推进时遗煤均厚为I m。模型原点为左下角采空区(O点)，X轴方向从左到右(横向，300m)，Y轴方向从下到上(纵向，200m)。对于煤颗粒的设置:颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m3，弹性模量和剪切模量为3.5 X 18Pa,颗粒半径范围[0.05m, 0.075m]，孔隙率 0.3。
[0016]本发明用到的相关参数取值如下:
气体常数 Rs /(J.mol1.10=8.314;空气动力黏性系数 μ/ kg/(m.s) =1.8 X 10 5;空气扩散系数 D/ m2/s=l.5X10/( J1l1)= 5X 14;煤导热系数 λ s /
(J -mol 1.K 3=0.2 ;放热量 AQ /( J-mol ')= 4.2X 104；遗煤渗透系数 k /m2=8X10 7；煤的线性热膨胀系数α/(Κ ')= 3.0X10 6;煤的定容比热Cv/(J.kg 1.K ')=1100 ;模型处于标准状态。
[0017]遗煤发火的细观模型构建及结果分析为解决遗煤层发火升温过程的模拟，模型应能解决如下三个问题。
[0018]I)将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程:标准状态下，Imol气体=22.4L，所以lm3=44.64mol，O2浓度=44.64X21%X32=0.3kg/m3。因为模型厚 0.5 m，设 I m3气体模型内有 100 个氧气颗粒，O2颗粒浓度=ImX ImX 0.3 kg/m3X 0.5 m/100=0.0015 kg/m2=0.0469mol ο氧气相对空气的密度(去掉空气对氧气的浮力)为3 g/mol，每个02颗粒的相对质量为0.0469 mol/X 3 g/mol/1000=l.407 X 10 4 kg。为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径 R132=0.003 m，则球的密度=1.407 X 10 4 (kg) / (4/3 π R023) =3.9 kg/m3。
[0019]2)模拟氧气在采空区内的流动是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，如抛物线模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量。同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域煤颗粒的温度值，实现上述模拟。将氧在遗煤中的流动分解成竖直方向和水平方向，分别如式(I)和式(2 )所