巷道煤柱自燃温度场数值模拟与火源定位的研究

巷道煤柱自燃温度场数值模拟与火源定位的研究 巷道煤柱自燃温度场数值模拟与火源定位 的研究 第22卷第2期湖南科技大学(自然科学版) 月JournalofHunanUniversityofScience&T~chnology(NaturalScienceEdition) Vo1.22No.2 Jun.2007 巷道煤柱自燃温度场数值模拟与火源定位的研究 朱红青,汪崇鲜,马辉,陈曦 (中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,资源与安全工程学院,北京100083) 摘要:对于巷道自然发火,我国当前煤矿现场往往采用试探法打钻,然后灌注泥浆或水实施救灾.但在救灾时.准确确定火 源位置是救灾关键;由于影响条件的复杂性,目前对相关机理的研究未进行深入研究.针对这一问题,论文针对巷道自燃可能的5 种自燃情形,采用动态数值模拟方法研究巷道自燃后温度场和温度曲线图的分布,得出了不同火源位置,巷道表面温度分布规律, 为当前煤矿现场救灾确定火源点,实施打钻注浆灭火时提供技术指导.图11.参8. 关键词:煤炭自燃;数值模拟;温度场;火源定位 中图分类号:TD32文献标识码:A文章编号:1672—9102(2007)02—0001—04 近年来,随着矿井机械化水平的提高,沿空巷道的 采用,在煤巷顶煤冒高处,煤柱破碎带,相临采空区松 散煤体和停采线等近距离煤层自燃现象明显增多 对井下隐蔽火源的探测,国内外目前进行的研究 中,从火源定位原理而言,隐蔽火源的定位主要是通 过采集自燃在形成,发展过程中引起煤及其围岩物理 化学性质的变化的信息,经过分析研究,确定火源位 置.这些原理概括起来,有:(1)通过温度场异常定位. 由于高温热源在形成和发展过程中伴生的热物理化 学变化,例如由于煤体氧化生成和释放热量,通过热 传导,使煤体及其围岩形成温度场,则可通过测量温 度场以确定火源位置;(2)通过自燃特征气体定位.如 CO,各种烃类,氡气等,通过测定气体浓度,结合分析 自燃物分布和漏风流场,大致确定火源位置;(3)通过 电学性质变化.据实验表明,煤在低温氧化至燃烧的 过程中,随着温度的升高,加剧碳的分解,使碳的活性 大大增强,致使电阻率急剧降低,通过探测电阻率的 降低定位;(4)通过因自燃后磁场变化定位p-5]. 上述火源定位原理国内外都进行了研究,但由于 影响条件的复杂性,和目前对相关机理的研究未进行 深入研究,所以目前没有真正意义上的应用. 由于理论研究滞后,在现场实践中,因在煤层发 火初期无法直接定位火源位置,技术人员在发现某一 区域有自燃征兆时,通常通过采用对可疑区域打钻采 用大包围,逐步接近的试探式办法以定位火源,然后 对找到的高温点实施注浆,达到直接灭火的目的.但 因火源的隐蔽性,现场实践通常的结果往往是,由于 在发火初期没有找到火源,致使火源范围扩大,给治 理带来了严重困难.针对这一问题,论文采用数值 模拟方法,研究巷道自燃后温度场变化,总结一些规 律,为当前救灾时打钻注浆灭火提供技术指导. 1巷道煤柱自燃的生成及分布特点 相比采空区煤自燃,巷道煤柱自燃具有以下特 点:(1)巷道煤柱自燃分布于有自燃倾向性的含煤巷 道中,构成回采工作面的进,回风巷及开切眼是巷道 自燃发生的主要场所.(2)巷道自然火灾主要发生在巷 道断面突然缩小,突然扩大或巷内安设风窗,风门等 限风设施的地点.(3)巷道自然发火地点的围岩维护状 态一般为巷道高冒区,孑L洞,或巷道处于地质构造带 及煤体破碎,裂隙发育区.(4)巷道自燃火源点中心至 巷道顶板及两帮的距离随巷内风速,巷壁裂隙发育程 度及分布状况而变化,火源中心点(初发点)距巷壁距 离一般都在0.5—1.5m左右,不超过8m. 收稿日期:2006-12—20 基金项目:国家重点基础研究发展(973)资助(2005CB221506) 作者简介:朱红青(1969一),男,湖南双峰人,博士,副教授,主要从事矿井火灾防治研 究 2巷道煤柱自然火灾火源点及其附近 区域温度场数值模拟的可行性分析 运用传热学理论对煤层的热力状况进行分析,从 而建立煤层温度场的数学模型.煤层发火的热力过程 十分复杂,受煤和周围岩层,巷道中空气流动状态等 因素的影响,但总体上说,热量传输包括导热,对流换 热和辐射换热3种基本方式[21. (1)导热.由于煤层中各个不同区域之间存在的 温差,热量将从高温点向低温点传热.傅立叶定律从 宏观上表达了在流体或固体连续介质中以导热方式 所传输热量: q=-Agradt.(1) 式中,g为热流密度,W/m2;A为导热系数,W/(m.K); gradt为温度梯度,K/m. (2)对流换热.工作面在回采过程中,风流从进风 巷进入,经过工作面和采空区流出.流人工作面的空 气,因为两者的温度的不同必然发生空气对流换热. 在矿井总负压(或正压)等外力作用下产生的热量迁 移,这个过程属于受迫对流换热;当然在热量传递过 程中也必然有由于气流内部温度差而导致密度差,引 起空气流内部发生分子扩散的换热,这种对流换热属 于自由对流换热.但主要表现为受迫对流换热.牛顿 对流换热量的数学经验表达式: g=一hgAt.(2) 式中,h为对流换热系数,W/(m2?K);At为温差,K. (3)辐射换热.煤处于缓慢氧化,辐射换热非主要 因素,可不考虑,但为了接近真实状况,论文把辐射换 热量折算成对流换热量,相应的加大换热系数. Fluent6.2是目前国际上流行的商用CFD软件包, 具有丰富的物理模型,先进的数值方法及强大的前后 处理功能.论文采用Fluent6.2通过对井下巷道煤柱自 燃热量传递各种状况数值模拟,得到煤柱及围岩温度 场,以确定温度最高区域,总结巷道煤柱自燃火源定 位的规律嘲. 3巷道煤柱自然火灾火源点及其附近 区域温度场数值模拟 为研究巷道煤柱自燃火源定位,采用Fluent6.2模 拟软件对巷道煤柱自燃的各种状况进行模拟,作如下假 设:(1)在煤层中有一巷道,巷底宽2.8m,巷顶宽2.4m, 巷高2m,巷道中风速为0.1m/s;(2)假设距巷道表面2.5 In处有一个温度为200K的火源点,由火源点经煤层向 2 外传热,及在巷道边界与风流产生对流换热现象;(3)巷 道周边煤层性质为各向同性. 在采用Fluent模拟温度场时,空气物理参数可从 Fluent材料库中直接调用,煤的材料参数可在Fluent的 参数表中自定义—个材料名称,煤的热参数根据煤的质 量热容,热导率和导温系数确定.在对煤参数设定后,即 可模拟. 图l为巷道断面剖面图,以巷道顶板和两帮向外延 伸,自然发火火源点只有以下5种情形,即:火源点分别 在距巷道中心上方(图中2区),巷道左方(图中l区), 巷道右方(图中5区),距巷道中心水平和垂直方向均为 2.5In的斜上方偏左(图中3区)和偏右(图中4区).则 FlUent对图1中5种情形模拟温度变化曲线图如下: ,34 巷顶 l5 巷道 巷底 图15种巷道煤柱自燃火源分布情形图 Fig.1Fivekindpatternsofcoalspontaneouscombustioninroadway (1)当火源点位于距巷道顶板正上方2.5In处(图l 中的2区)时,Fluent模拟得到的轴与】,轴坐标与统 计温度值关联曲线如图2,图3. 3.0702 3.06e+02 3.05e+02 3.04e+02赠 3.O3e+o2 3.02D2 3.Ole+02 - 1 位置,m 图2火源点位于2区轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.2ThecorrelativecurveofXcoordinatevalueandstatistical temperaturewhilefiresourcelocatesthesecondsecti 3.07e+02 3.06e+02 3?O5e+o2 3.04e+02 赠3.O3e 3.02e+02 3.Ole.卜02 一 1.5一1.o.5OO.5l1.5 位置,m 图3火源点位于2区y轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.3ThecorrelativeCuEveofYcoordinatevalueandstatistical temperaturewhilefiresourcelocatesthesecon (2)当火源点位于距巷道左帮外2.5m(图l中的 l区)时,Fluent模拟得到的轴与y轴坐标与统计温 度值的关联曲线如图4,图5. 3.O7e+O2 3.06e+02 3.05e+O2 3.04e+O2 3.03e+O2 3.O2e+O2 3.Ole+O2 一 1.5一l_JD.5OO.5l1.5 位置,m 图4火源点位于1区轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.4ThecorrelativecurveofXcoordinatevalueandstadsdcal temperaturewhilefiresourcelocatesthefirstsecfi 3.O7e+O2 3.06e+O2 3.05e+O2 3.04e+O2 3.03e+02 3.02e+02 3.01e+02 — 2.5一l-0.75-0.5-0.250n250.50.75l1.25 位置,m 图5火源点位于1区y轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.5ThecorrelativecurveofYcoordinatevalueandsmtisdcal temperaturewhilefiresourcelocatesthefirstsecti (3)当火源点位于巷道右帮外2.5ITI(图1中的5 区)时,Fluent模拟得到的轴与y轴坐标与统计温 度值的关联曲线如图6,图7. 3.O7e+O2 3.06e+02 3.05e+02 3.04e+02 3.O3e+O2 3.O2e+O2 3.Ole+O2 1.5一l_JD.5OO.5l1.5 位置,m 图6火源点位于5区轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.6ThecorreladvecurveofXcoordinatevalueandsutisdcal temperaturewhilefiresourcelocatesthefifthsecti 3.O7e+02 3.06e+02 3.05e+02 3.O4e+O2 3.03e+02 3.O2e+02 3.Ole+02 — 2.5一l_0.75_0.5_0.2500I250.50.7511.25 位置,m 图7火源点位于s区l,轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.7ThecorreladvecurveofYcoordinatevalueands~dsfical temperaturewhilefiresourcelocatesthefifthsecti (4)当火源点位于巷道距左上方外水平和垂直方 向均为2.5ITI(图1中的3区)时,Fluent模拟得到的 轴与y轴坐标与统计温度值的关联曲线如图8,图9. 位置,m 图8火源点位于3区轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.8ThecorreladvecurveofXcoordinatevalueandsmtisdcal temperaturewhilefiresourcelocatesthethirdsecti 3.06e+O2 3.05e+O2 3.04e+O2 3.O3e+O2 3.O2e+O2 一 1.5一l—O.5OO.5l1.5 位置,m 图9火源点位于3区y轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.9ThecorrelativecurveofYcoordinatevalueandsmtistical temperaturewhilefiresourcelocatesthethirdsecti (5)当火源点位于距巷道右上方外水平和垂直方向 均为2.5m(图1中的4区)时,Fluent模拟得到的轴 与y轴坐标与统计温度值的关联曲线如图1O,图l1. 3.06e+02 3.05e+O2 3.04e+O2 3.03e+02 3.02e+02 一 1.5一l_JD.5OO.5l1.5 位置,m 图1O火源点位于4区轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.10ThecorrelativecurveofXcoordinatevalueandsmtistical temperaturewhilefiresourcelocatesthefourthsecti 位置,m 图11火源点位于4区y轴坐标与统计温度值的关系曲线 Fig.11ThecorreladvecurveofYcoordinatevalueandstatistical temperaturewhilefiresourcelocatesthefourthsecu 3 毯赠 毯赠 毯赠 毯赠 毯赠 毯赠 毯赠 趑赠 4温度场数值模拟结果综合分析 从上述对5种情形可能巷道煤柱火源的数值模 拟结果可总结以下规律: (1)若火源点位于1区,则巷道暴露面高温点在 右帮壁面,煤层火源点位置与壁面垂直,救灾过程中 可采用非接触温度场监测仪确定壁面高温点,通过垂 直右壁面方向打钻,可找到煤层火源点. (2)若火源点位于2区,则巷道暴露面高温点在 顶帮壁面,煤层火源点位置与壁面垂直,救灾过程中 可采用非接触温度场监测仪确定壁面高温点,通过垂 直顶帮壁面方向打钻,可找到煤层火源点. (3)若火源点在3区,则在巷道四帮暴露面高温 点位于左角点,此时须根据顶帮温度梯度和左帮温度 梯度对比率,可确定煤层高温点的位置. (4)若火源点在4区,则在巷道四帮暴露面高温 点位于右角点,此时须根据顶帮温度梯度和右帮温度 梯度对比率,可确定高温点的位置. (5)若火源点位于5区,则巷道暴露面高温点在 左帮壁面,煤层火源点位置与壁面垂直,救灾过程中 可采用非接触温度场监测仪确定壁面高温点,通过垂 直左帮壁面方向打钻,可找到煤层火源点. 5结论 根据以上研究,可得出以下结论: (1)采用动态数值模拟方法,研究巷道自燃后温 度场变化,可得到煤层火源点,为现场救灾时打钻注 浆灭火提供技术指导. (2)根据火源点在巷道煤层位置,可分为5种情形. (3)根据综合分析,对于火源点位于l,2,5区,可 通过垂直巷道壁面高温点打钻确定煤层火源点;对于 火源点位于3,4区,可根据顶帮温度梯度和左(右)帮 温度梯度对比率确定火源点. (4)煤的等压热容,煤与空气的对流换热系数,煤 的导热系数等参数都是随温度的变化而变化的,所以 在设置材料参数的时候需要特别注意. (5)巷道壁面温度场变化与巷道风速有关,当风 速达到一定值时,必须考虑其修正值,笔者在其他论 文中将论述. 参考文献: 【1】WANGSheng-shen,ZHANGGuo-shu.FireControlinCoa1..1Vl_iue 【M】.XuZhou:ChinaUniversityofMiningandTechnologyPress,1990. 【2】周心权,吴兵.矿井火灾救灾理论与实践【M】.北京:煤炭工业出版 社,1996. 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StudyonNumericalSimulationofSpontaneousCombustionTemperature FieldandFireSourcePositionforCoalPillarinRoadway ZHUHong—qing,WANGChong—xian,MAHui,CHENXi (ChinaUniversiIyofMiningandTeehnolo~一 BeS~eKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ResourceandSafetyEngineeringInstitute,Beijing,China100083) Abstract:Forcoalspontaneouscombustioninroadway,thetestdrillingmethodisappliedandthenthemudfluidor waterisgroutedforrescueworkinpracticeofcoalmine.Firesourcepositioniskeyforrescuework.However,becauseof thec0mpleXityoftheinfluencingconditions,theresearchesonthecorrelativemechanismarenotdonefurther.Aimingto thisDrob1em,fivekindpatternsofcoalspontaneouscombustioninroadwayaresimulatedtoattaintheroadway.s temperaturefieldandtemperaturecurvefigurebyapplyingthedynamicnumericalsimulationmethod.Thensurface temperatureofroadwayinse:veralfiresourcepositionsareatrainedandoffersomehelpforfiresourcepositionandrescue work.1lfig.,8refs. Keywords:coalspontaneOUScombustion;numericalSimulation;combustiontemperatur efield;firesourceposition Biography:ZHUHong-qing,male,bornin1969,Dr.,associateprofessor,coalmineset)r? 4