阶段热量的积累，促进了氧化反应的发生，升温区沿气流运动方向扩散。该时刻升温区内两闭合等温线间距基本相同，说明这时的氧化升温是比较稳定的，升温在各方向线性增长。子图C的升温区形状开始突变。这个时刻大约为模拟时间的第22天，区域温度约为301.9K，位置为X e (200m, 235m)，Y e (50m, 125m)，形状很不规贝U。升温区的范围较子图B变化不大，但温度上升很快，升温区上段区域收紧成尖端状，下端则继续扩大。上述现象是由于遗煤与氧气加速反应，升温区下端在风流的上游氧气较浓，升温区得以发展；升温区上段在风流的下游氧气浓度降低，升温区发展较慢。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化较多，等温线间距不定，说明这时的氧化升温是比较剧烈的，升温区在个方向增长速度不同。子图D的升温区形状开始横向扩展(X方向)，温度上升很快。这个时刻大约为模拟时间的第27天，区域温度约为304K，位置为X e (200m, 250m)，Y e (50m, 125m)，形状保持了子图C的发展态势，很不规则。这个期间升温区范围在纵向上发展比较缓慢，主要是在横向发展。原因是沿气流运动方向的氧气供应不足，在前阶段蓄积的热量向四周扩散，与风流垂直方向区域可以获得较充分的氧气，从而产生氧化反应，使升温区横向扩展。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化较多，等温线间距不定，但走向变化及等温线间距要比子图C规则，说明这时的氧化升温仍然剧烈，但是逐渐趋于平稳。子图E的升温区形状又开始大范围纵向扩展，横向扩展较小，温度上升很快。这个时刻大约为模拟时间的第31天，区域温度约为306.1K，位置为X e (200m, 270m)，Y e (50m, 150m)，形状在子图D上进一步发展，形状趋于规则。该时刻升温区在纵向和横向发展速度都快，纵向发展大于横向发展，其原因与子图B的形成相似。由于升温区横向的发展，与氧气流的垂直接触范围增大，形成了新的纵向氧气供应通道，从而使处于氧气流下游的区域得氧升温，升温区上段纵向得以发展。该时刻升温区内多条闭合等温线走向变化减少，等温线间距比较一致，比子图D规则，说明这时在氧化升温的同时其个方向的氧化升温速度区域稳定。子图F的升温区形状横向扩展较大，纵向扩展停止，升温区现梯形。这个时刻大约为模拟时间的第35天，区域温度约为308K，位置为X e (200m, 300m) (300m后超出研究区域且升温区停止发展)，Ye (50m，150m)，再一次出现突变，与子图C相仿。升温区纵向扩展停止由于风流假设为抛物线(如图1所示)，经过采空区上边界和下边界的氧气较少，不足以供应氧化升温反应。升温区在300m后的采空区发展也较小，这是由于300m的距离离通风口较远，氧气浓度同样是不足的。
[0024]综上所述，采空区遗煤自然发火过程可以分为三个阶段，第一阶段是22天以前的时期，这个时期升温区发展比较缓慢，升温过程稳定，形状规则，氧气供应充足；第二阶段是22天到35天期间，这个期间升温区的发展比较剧烈，由于氧气供应问题，各方向的升温区发展速度不同，一般是先纵向再横向再纵向的发展方式；第三阶段是35天后，升温区周围氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展，系统平衡。
[0025]模拟了遗煤发火自燃过程。第一阶段是22天以前的时期，温度从294K升高到301.9K，升温区发展至X e (200m, 235m)，Y e (50m, 125m);第二阶段是22天到35天期间，温度升高到308K，升温区发展至X e (200m, 300m)，Y e (50m, 150m);第三阶段是35天后，
温度和升温区范围停止发展，系统平衡。
[0026]遗煤发火自燃过程中升温区的变化与氧气流动有很大关系。第一阶段氧气供应充足，升温过程稳定，形状规则；第二阶段由于氧气供应问题，各方向的升温区发展速度不同，一般是先纵向再横向再纵向的发展方式；第三阶段氧气供应浓度到达极限平衡，升温区范围停止发展。
【主权项】
1.一种U型通风条件下采空区发火过程模拟方法，其特征在于，考虑到遗煤由于采动造成的松散多孔结构有利于氧气与煤的接触反应，使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；其包括如下步骤:建立基本几何模型，初始状态设定，将空气中的氧按比例等效为颗粒，模拟氧气在遗煤内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程；本发明可用于预测U型通风条件下采空区发火过程。
2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，使用PFC3D及其热力耦合模型进行U型通风条件下采空区发火过程模拟，包括连续介质热导方程、根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系、温度的改变量AT与颗粒半径R的关系。
3.根据权利要求1所述的基本几何模型，其特征在于，回采工作面长200m、采高4.8m，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0.5 m0
4.根据权利要求1所述的基本初始状态，其特征在于，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3.5X108Pa，颗粒半径范围[0.05m, 0.075m]，孔隙率0.3。
5.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，使用PFC3D对遗煤中氧进行模拟，包括I)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。
6.根据权利要求5所述的将空气中的氧按比例等效为颗粒，其特征在于，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 ；02浓度=44.64X 21%X 32=0.3kg/m 3，设Im2气体模型内100个氧气颗粒，O 2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，每个氧气颗粒的相对质量为0.0469X3/1000=1.407 X 10? ;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。
7.根据权利要求5所述的模拟氧气在遗煤内的流动情况，其特征在于，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，实现上述模拟。
【专利摘要】本发明公开了一种U型通风条件下采空区发火过程模拟方法，其特征在于，考虑到遗煤由于采动造成的松散多孔结构有利于氧气与煤的接触反应，使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，模拟了自然发火过程中遗煤的温度分布及能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；其包括如下步骤：建立基本几何模型，初始状态设定，将空气中的氧按比例等效为颗粒，模拟氧气在遗煤内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程；本发明可用于预测U型通风条件下采空区发火过程。
【IPC分类】G01N33-22
【公开号】CN104614502
【申请号】CN201510043014
【发明人】荣德生, 贺莹, 崔铁军, 赫飞, 马恒
【申请人】辽宁工程技术大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月28日