综放工作面采空区自燃“三带”划分的数值模拟.pdfVIP

2008(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会论文集 综放工作面采空区自燃“三带划分的数值模拟 裴晓东1，张人伟1，杜高举1，闫明仁1，丛楠2 (1．中国矿业大学安全工程学院，徐州221116；2．中国矿业大学北京校区，北京100083) 摘要：本文根据通风网络理论建立了采空区滤流场数学模型，并以极限风速法为基础，利用VB与MATLAB进行混 合编程编制了采空区自燃“三带”模拟软件。该软件实现了三带图的直接绘制和两条风速等值线对应坐标的输出，为工程技 术人员分析采空区三带范围带来了便利。最后，利用本软件对873综放工作面采空区自燃“三带”进行了数值模拟。 关键词：综放工作面；采空区；自燃三带；滤流场；数值模拟 采空区自然发火严重威胁着矿井的安全生产．是综采放顶煤工作面实现高产高效的主要障碍之一。 综采放顶煤技术作为一种高产、高效的技术在国内各大矿井普遍采用，但它在大幅度提高煤炭生产效率 及产量的同时，在采空区遗留下了大量浮煤，加之推进速度不合理、对采空区可能的自燃区域了解不清等 原因，使得自然发火问题变得更加严重。众所周知，采空区煤炭的自燃_般发生在“三带”中的自燃带，因 此。准确划分“三带”的范围．将对预防采空区的自然发火及保障综放面的安全生产具有十分重要的现实 意义。 1采空区自燃“三带”概述及划分方法【1q 1．1三带概述 在工作面的回采过程中，采空区中不可避免的残留一定数量的遗煤，这就为煤炭自燃创造了物质条 件。按采空区遗煤发生自燃的情况，可将采空区划分为散热带、自燃带和窒息带。 散热带中，顶板冒落的岩块呈松散状态堆积，孔隙大，虽有遗煤氧化，但其产生的热量能被漏风风 流带走‘。一般不会发生自燃；由散热带向采空区内部延伸一定距离后的区域为自燃带，该带内冒落岩块 逐渐被压实，空隙率降低，漏风强度减弱，遗煤氧化生成的热量易于积聚，容易发生自燃；自燃带之后的 采空区为窒息带，此区域内岩块趋于压实，漏风基本消失，氧浓度很低，不会发生自燃。三个带的位置是 随工作面的推进而向前移动的．如果采空区遗留的浮煤在煤的自然发火期之内移出自燃带，就不会发 生自燃。 1．2划分方法 目前，划分自燃“三带”的方法主要有：以氧气浓度为依据的现场实测法和以极限风速为基础的数值 模拟法。 氧气浓度法是通过在采空区内铺设束管，定期采集采空区的气体进行化验分析，根据其氧浓度划分 “三带”。通常认为，采空区氧浓度大于18～19％或小于5％的区域不会发生遗煤自燃。这种方法主要用于 也不会发生自燃。因此也可以通过计算机模拟得出采空区漏风风速场，然后根据极限风速来划分自燃“三 带”的范围。本文“三带”划分的数值模拟即基于此原理。 2采空区漏风风速场的数值解算方法 采空区是由冒落岩石和遗煤组成的孔隙介质。空气在采空区内的流动属于孔隙介质中的滤流运动。 在研究滤流时，可以用一种假想的连续介质代替真实的孑L隙介质，这样不仅可以避免研究个别孔隙中气 体质点运动规律的困难，还可以利用水力学、流体力学中的理论来研究滤流问题。 2．1采空区漏风状态及模型的建立【4，习 实测表明【4】，采空区内的风流基本上属于过渡流，且自燃带内的漏风属于过渡流。因此可根据通风网 络理论建立采空区滤流场数学模型，即阻力二项式h=羁Q+恐Q2，以此来研究采空区内漏风流动规律。 一6￡谗一 cD岫…抓Sqetys出…d托c^∞切 Preceding．矿2008(Sheny∞g)In啪moJiond 1)阻力二项式定律 ^=R1Q+R2Q2 式中：h-滤漉分支的阻力，Pa；R。一滤流层流风阻，NS／m，；肛滤流紊流风胆，Ⅳ．s／衍；Q一滤流分支 ∞流量神s。 上式适台于同时存在层流、紊流和过渡漉的流场。 V，“ 2)采空区漏风场各节点风速的计算 经迭代计算求得滤漉场分支的风量后．用风量除以分支的断面积即可得 到每条分支的风速，按下式可把各分支的风速转化成分支节点的分速度K、v。 V，” u和合成速度K分支风速合成示意罔如罔】所示。