一种u型通风条件下采空区发火过程模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及巷道通风工程，特别是涉及U型通风条件下采空区发火过程预测。
【背景技术】
[0002]矿井自燃灾害长期以来是严重威胁煤矿安全生产的主要因素之一。许多专家学者针对模拟遗煤自燃的发生方面进行了许多研究，但自燃事故依然时常发生。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。国内大约有56%的矿井有自燃隐患，远远多余其他国家。近期国内、外研究得出采空区是发生自燃灾害最频繁的区域。
[0003]针对采空区遗煤自燃问题，目前已有一定的研究。但是这些研究基本都是根据实际数据得到的解析解，或是基于连续介质理论的模拟。认为这些做法存在问题，采空区顶遗煤受采动影响，已形成了裂隙，其比表面积要大于初始状态下的煤层。在通风条件下，氧气通过裂隙渗入煤层，煤与氧气反应，氧化、放热及自燃。对于这些问题，解析计算及连续理论模拟都不能对其细观自燃发展过程进行较好的反应。
[0004]就上述问题，尝试使用基于颗粒流理论的PFC3D作为模拟工具，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。
【发明内容】
[0005]I PFC3D及其热力耦合模型
热力耦合涉及的热导参数是温度和热通量。这些变量与连续方程和Fourier热导法则有关。FPC3D中使用由Fourier法则演化的差分热导方程代替了 Fourier法则，以使PFC3D可以在给定具体边界条件和初始条件下，解算特殊几何形状和属性的模型。
[0006]PFC3D热力模型中主要给定的方程如下:
连续介质热导方程为=IqiAxfqv=P Cv5T/5t
式中:Qi是热通量，W/m2，i表示第i次计算的量；qv是体积热源强度或能量密度，W/m3; P是材料密度，kg/m 3; Cv定容比热，J/kg*C; 7是温度，° C。
[0007]连续介质热通量与温度梯度的关系为式中:ku是热导张量，W/m.。C。
[0008]温度的改变量Δ T与颗粒半径R的关系为:AR=aRAT式中:a是颗粒线性热膨胀系数。
[0009]颗粒连接的键(bondforce vector)力矢量为:Δ Fn=_knA Δ Un=_knA ( a L Δ T)
式中:1^是键的法向刚度；Α键的横截面；a成键部分材料的膨胀系数；L是键的长度；
Δ T是温度的增加量。
[0010]除此之外，还有数值离散化、热导与热阻关系等，由于篇幅所限不予以介绍，详见PFC3D用户手册。
[0011]2遗煤发火的细观模型构建
矿井回采工作面长200 !11、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58Pa、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0.5 m。模型如图1所示。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3.5X 18Pa,颗粒半径范围[0.05m, 0.075m]，孔隙率 0.3。
[0012]使用PFC3D对遗煤中氧进行模拟，要解决三个问题:1)将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在遗煤内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。
[0013]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=44.64 X 21% X 32=0.3kg/m3，设 Im2 气体模型内 100 个氧气颗粒，O2颗粒浓度=0.3X0.5/100=0.0015kg/m2=0.0469mol/m2。氧气相对空气的密度(去掉空气对氧气的浮力)为3g/mol，每个O2颗粒的相对质量为0.0469X3/1000=1.407X10 _4kg。为了氧在遗煤里充分扩散，设氧颗粒半径为0.0001m，则球的密度为4.48kg/m3。
[0014]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，如图1所示抛物线，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(如图1中多条抛物线包罗区域)煤颗粒的温度值，实现上述模拟。
[0015]氧在遗煤内的运输是通过对流和扩散使实现的,氧的运输方程为:ε dc/dt+d{uc)/dx+d (uc) /5y=D (dWdx'+d'u/dy2) _ (1- ε ) R
式中:t是计算时间，s ； ε为遗煤孔隙率，% ；D是空气扩散系数，m2/s ；R是氧气消耗速率，mol/ (m3.s)。
[0016]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氧气模拟半径时，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。
[0017]本例用到的相关参数取值如下:
气体常数Rs / (J1r1.0S.314;空气动力黏性系数/ kg/(m.S)=L8X10_5;空气扩散系数D/ m2/S=L5Xl(T5;活化能Ea /( J-moF1)= 5X 14;煤导热系数λ J(J.mol—1.K-1) =0.2 ;放热量Δ Q / ( J.mol—1) = 4.2 X 14;遗煤渗透系数 k /m 2=8 X 10_7;煤的线性热膨胀系数α/r1)= 3.0X10—6;煤的定容比热Cv/(J.kg'OllOO。模型处于标准状态。
[0018]放热量这个数值是较大的，在低温下煤氧反应放出的热量相对是很小的。这样做是因为设置了 100个氧颗粒与煤反应放热，这100个氧颗粒中的每一个，代表了一定范围内的氧与煤的反应，而不是单单就一个颗粒的反应，设置了较高的反应热是为了宏观上的效果与实际情况一致。这里一个氧颗粒与煤颗粒反应实际代表了很多氧与煤的反应，反应热设置的较高可以从一个煤颗粒向周围扩散温度，达到宏观上一定范围的氧与煤反应的效果O
【附图说明】
[0019]图1 U型通风下采空区模型。
[0020]图2采空区遗煤不同时刻温度分布。
【具体实施方式】
[0021]使用上述模型及工况构建了采空区遗煤自然发火过程模型，根据该模型计算的在不同时刻遗煤内温度分布及能量迁移如图2所示。
[0022]遗煤温度分布区域的灰度代表温度为295K以至307K，灰度从外到内逐次随温度改变，每次改变梯度为2K ;图中的箭头线段表示能量的流动，是矢量，长度表示能量的大小，方向表不能量传递的方向。
[0023]如图2所示，子图A是遗煤最开始明显升温的时刻。这个时刻大约为模拟时间的第7天，区域温度约为296.5K，位置为X e (200m, 220m)，Y e (50m, 95m)，不规则椭圆形。升温区在采空区横断面偏下，这个位置和形状与通风量、遗煤厚度等有关。子图B是继续保持了遗煤升温的状态，升温区纵向扩展(Y方向)。这个时刻大约为模拟时间的第15天，区域温度约为298.1K，位置为X e (200m, 225m), Y e (50m，110m)，较规则椭圆形。升温区向采空区横断面上方移动，经过前