一種u型通風(fēng)下采空區(qū)發(fā)火過(guò)程模擬方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種U型通風(fēng)下采空區(qū)發(fā)火過(guò)程模擬方法，該方法是在考慮遺煤層由于采動(dòng)造成的松散多孔結(jié)構(gòu)有利于氧氣與煤的接觸反應(yīng)的前提下，使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺(tái)，模擬了自然發(fā)火過(guò)程中遺煤層的溫度分布及能量遷移；使用極小顆粒模擬氧氣的流動(dòng)及其與煤的反應(yīng)，并通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)該過(guò)程；其包括如下步驟：遺煤層模型構(gòu)建，遺煤層中氧進(jìn)行模擬，溫場(chǎng)模擬結(jié)果及分析；本發(fā)明非常適合用于研究在U型通風(fēng)下正常推進(jìn)時(shí)遺煤層發(fā)火過(guò)程的確定。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種U型通風(fēng)下采空區(qū)發(fā)火過(guò)程模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及礦業(yè)工程，特別是涉及在U型通風(fēng)下正常推進(jìn)時(shí)遺煤層發(fā)火特點(diǎn)及過(guò)程的確定。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井自燃災(zāi)害長(zhǎng)期以來(lái)是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)模擬遺煤自燃的發(fā)生方面進(jìn)行了許多研究，但自燃事故依然時(shí)常發(fā)生。近幾年來(lái)，隨著放頂煤技術(shù)得到普及，端頭支架處的頂煤放出率偏低，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)程度逐步增大。國(guó)內(nèi)大約有56%的礦井有自燃隱患，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他國(guó)家。而我國(guó)煤礦所發(fā)生的火災(zāi)中有94%都是自燃造成的。統(tǒng)計(jì)表明，在所有礦井火災(zāi)中有60%是采空區(qū)自燃火災(zāi)。近期國(guó)內(nèi)、外研究得出采空區(qū)是發(fā)生自燃災(zāi)害最頻繁的區(qū)域。
[0003]針對(duì)采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題，目前做法存在問(wèn)題，采空區(qū)頂遺煤受采動(dòng)影響，已形成了裂隙，其比表面積要大于初始狀態(tài)下的煤層。在通風(fēng)條件下，氧氣通過(guò)裂隙滲入煤層，煤與氧氣反應(yīng)，氧化、放熱及自燃。對(duì)于這些問(wèn)題，解析計(jì)算及連續(xù)理論模擬都不能對(duì)其細(xì)觀自燃發(fā)展過(guò)程進(jìn)行較好的反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是就上述問(wèn)題，提供一種模擬方法，該方法使用基于顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應(yīng)并發(fā)出熱量，從而得到自然發(fā)火過(guò)程中的采空區(qū)遺煤層內(nèi)溫場(chǎng)分布及其特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種U型通風(fēng)下采空區(qū)發(fā)火過(guò)程模擬方法，該方法使用基于顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應(yīng)并發(fā)出熱量，從而得到自然發(fā)火過(guò)程中的采空區(qū)遺煤層內(nèi)溫場(chǎng)分布及其特點(diǎn)。
[0006]上述方法中，所述使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺(tái)，模擬了自然發(fā)火過(guò)程中遺煤層的溫度分布及能量遷移；使用極小顆粒模擬氧氣的流動(dòng)及其與煤的反應(yīng)，并通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)該過(guò)程；包括如下步驟:遺煤層模型構(gòu)建，遺煤層中氧進(jìn)行模擬，溫場(chǎng)模擬結(jié)果及分析。
[0007]所述遺煤層模型構(gòu)建具體參數(shù)為:回采工作面長(zhǎng)200 m、采高4.8 m ;以該工作面為例進(jìn)行U型通風(fēng)下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬；采空區(qū)深度取300m，工作面正常推進(jìn)速度約為3.6 m/d、通風(fēng)阻力58 Pa、傾角5°，工作面最大風(fēng)量70(T810mVmin，進(jìn)風(fēng)溫度為19°C，原始巖溫為21.7°C，正常推進(jìn)時(shí)遺煤均厚為0.4 m。
[0008]所述遺煤層中氧進(jìn)行模擬的具體參數(shù):1)將空氣中的氧按比例等效為顆粒，2)模擬氧氣在遺煤層內(nèi)的流動(dòng)情況，3)煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧的過(guò)程。
[0009]在所述溫場(chǎng)模擬結(jié)果及分析中，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段是22天以前的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期升溫區(qū)發(fā)展比較緩慢，升溫過(guò)程穩(wěn)定，形狀規(guī)則，氧氣供應(yīng)充足；第二階段是22天到35天期間，這個(gè)期間升溫區(qū)的發(fā)展比較劇烈，由于氧氣供應(yīng)問(wèn)題，各方向的升溫區(qū)發(fā)展速度不同，一般是先縱向再橫向再縱向的發(fā)展方式；第三階段是35天后，升溫區(qū)周?chē)鯕夤?yīng)濃度到達(dá)極限平衡，升溫區(qū)范圍停止發(fā)展，系統(tǒng)平衡。
[0010]所述將空氣中的氧按比例等效為顆粒，其過(guò)程為:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Imol氣體=22.4L,所以 lm3=44.64mol ；02 濃度=44.64X 21%X 32=0.3kg/m3,設(shè) Im2 氣體模型內(nèi) 100 個(gè)氧氣顆粒，O2 顆粒濃度=0.3X0.5/100=0.0015kg/m2=0.0469mol/m2 ；氧氣相對(duì)空氣的密度(去掉空氣對(duì)氧氣的浮力)為3g/mol，每個(gè)O2顆粒的相對(duì)質(zhì)量為0.0469 X 3/1000=1.407 X 10_4kg ;為了氧在遺煤層里充分?jǐn)U散，設(shè)氧顆粒半徑Jtgi =0.0001m，則球的密度=1.407 X 10^/(^^3 )=4.48kg/m3。
[0011]所述模擬氧氣在遺煤層內(nèi)的流動(dòng)情況是通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)的，以通過(guò)采空區(qū)的進(jìn)氣口與出氣口兩點(diǎn)，構(gòu)造采空區(qū)內(nèi)的二次拋物線，模擬氣流在采空區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量；同時(shí)為模擬氣流帶走煤層熱量的現(xiàn)象，與速度矢量成正比的減小氣流經(jīng)過(guò)區(qū)域煤顆粒的溫度值，實(shí)現(xiàn)上述模擬。
[0012]所述的煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧的過(guò)程，煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧是通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)過(guò)程中由于反應(yīng)，假設(shè)煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小于等于^^時(shí)，發(fā)生反應(yīng)并放出熱量；刪除氧顆粒后導(dǎo)致局部氧濃度降低，促使氧顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
[0013]發(fā)明人指出:本發(fā)明涉及的顆粒流理論是通過(guò)離散單元法來(lái)模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)，可以彼此分離并且在計(jì)算過(guò)程中重新構(gòu)成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，可以通過(guò)調(diào)整顆粒單元直徑調(diào)節(jié)孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎(chǔ)，對(duì)模型顆粒進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，采用顯式時(shí)步循環(huán)運(yùn)算規(guī)則。根據(jù)牛頓第二定律確定每個(gè)顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運(yùn)動(dòng)(位置和速度)，力-位移定律是根據(jù)2個(gè)實(shí)體(顆粒與顆粒或顆粒與墻體)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算彼此的接觸力。
[0014]顆粒流理論基于以下假設(shè):
1)顆粒單元為剛性體；`
2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點(diǎn)接觸；
3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；
4)“重疊”量的大小與接觸力有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很??；
5)接觸處有特殊的連接強(qiáng)度；
6)顆粒單元為圓盤(pán)形。
[0015]顆粒流理論的接觸本構(gòu)模型包括接觸剛度模型、庫(kù)侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。
[0016]PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimensions)是 Itasca 公司 2008 年發(fā)布的一款高端產(chǎn)品，特別適合于復(fù)雜機(jī)理性問(wèn)題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開(kāi)發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問(wèn)題、以及顆粒的流動(dòng)等大位移直問(wèn)題。在巖土體工程中可以用來(lái)研究結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開(kāi)采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問(wèn)題。[0017]PFC3D的熱模型可以模擬瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，由PFC3D顆粒組成的儲(chǔ)熱材料，以及由于熱變引起的熱位移和熱應(yīng)力。熱材料由儲(chǔ)熱器和熱導(dǎo)管組成，前者由PFC3D的顆粒組成，后者由顆粒之間的連接組成。熱傳導(dǎo)通過(guò)連接儲(chǔ)熱器的激活管道作為導(dǎo)體傳播。目前PFC3D的熱模型還不能模擬熱輻射和熱對(duì)流。熱拉力的產(chǎn)生是通過(guò)修改材料顆粒的半徑實(shí)現(xiàn)的。
[0018]熱力耦合涉及的熱導(dǎo)參數(shù)是溫度和熱通量。這些變量與連續(xù)方程和Fourier熱導(dǎo)法則有關(guān)。FPC3D中使用由Fourier法則演化的差分熱導(dǎo)方程代替了 Fourier法則，以使PFC3D可以在給定具體邊界條件和初始條件下，解算特殊幾何形狀和屬性的模型。
[0019]PFC3D熱力模型中主要給定的方程如下:
連續(xù)介質(zhì)熱導(dǎo)方程如式(I)所示。
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種U型通風(fēng)下采空區(qū)發(fā)火過(guò)程模擬方法，其特征在于，該方法使用基于顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應(yīng)并發(fā)出熱量，從而得到自然發(fā)火過(guò)程中的采空區(qū)遺煤層內(nèi)溫場(chǎng)分布及其特點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于，所述使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺(tái)，模擬了自然發(fā)火過(guò)程中遺煤層的溫度分布及能量遷移；使用極小顆粒模擬氧氣的流動(dòng)及其與煤的反應(yīng)，并通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)該過(guò)程；包括如下步驟:遺煤層模型構(gòu)建，遺煤層中氧進(jìn)行模擬，溫場(chǎng)模擬結(jié)果及分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬方法，其特征在于，所述遺煤層模型構(gòu)建具體參數(shù)為:回采工作面長(zhǎng)200 !11、采高4.8 m;以該工作面為例進(jìn)行U型通風(fēng)下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬；采空區(qū)深度取300m，工作面正常推進(jìn)速度約為3.6 m/d、通風(fēng)阻力58 Pa、傾角5°，工作面最大風(fēng)量70(T810m3/min，進(jìn)風(fēng)溫度為19°C，原始巖溫為21.7°C，正常推進(jìn)時(shí)遺煤均厚為0.4 m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬方法，其特征在于，所述遺煤層中氧進(jìn)行模擬的具體參數(shù):1)將空氣中的氧按比例等效為顆粒，2)模擬氧氣在遺煤層內(nèi)的流動(dòng)情況，3)煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧的過(guò)程。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬方法，其特征在于，在所述溫場(chǎng)模擬結(jié)果及分析中，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段是22天以前的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期升溫區(qū)發(fā)展比較緩慢，升溫過(guò)程穩(wěn)定，形狀規(guī)則，氧氣供應(yīng)充足；第二階段是22天到35天期間，這個(gè)期間升溫區(qū)的發(fā)展比較劇烈，由于氧氣供應(yīng)問(wèn)題，各方向的升溫區(qū)發(fā)展速度不同，一般是先縱向再橫向再縱向的發(fā)展方式；第三階段是35天后，升溫區(qū)周?chē)鯕夤?yīng)濃度到達(dá)極限平衡，升溫區(qū)范圍停止發(fā)展，系統(tǒng)平衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬方法，其特征在于，所述將空氣中的氧按比例等效為顆粒，其過(guò)程為:標(biāo) 準(zhǔn)狀態(tài)下，Imol氣體=22.4L,所以lm3=44.64mol ；02濃度=44.64X 21%X 32=0.3kg/m3,設(shè)Im2氣體模型內(nèi)100個(gè)氧氣顆粒，O2顆粒濃度=0.3X0.5/100=0.0015kg/m2=0.0469mol/m2 ;氧氣相對(duì)空氣的密度(去掉空氣對(duì)氧氣的浮力)為3g/mol，每個(gè)O2顆粒的相對(duì)質(zhì)量為0.0469X3/1000=1.407 X 10? ;為了氧在遺煤層里充分?jǐn)U散，設(shè)氧顆粒半徑Icfc=0.0001m，則球的密度=1.407X 10-4/(U^2) =4.48kg/m3。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬方法，其特征在于，所述模擬氧氣在遺煤層內(nèi)的流動(dòng)情況是通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)的，以通過(guò)采空區(qū)的進(jìn)氣口與出氣口兩點(diǎn)，構(gòu)造采空區(qū)內(nèi)的二次拋物線，模擬氣流在采空區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量；同時(shí)為模擬氣流帶走煤層熱量的現(xiàn)象，與速度矢量成正比的減小氣流經(jīng)過(guò)區(qū)域煤顆粒的溫度值，實(shí)現(xiàn)上述模擬。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬方法，其特征在于，所述的煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧的過(guò)程，煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧是通過(guò)FISH實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)過(guò)程中由于反應(yīng)，假設(shè)煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小于等于時(shí)，發(fā)生反應(yīng)并放出熱量；刪除氧顆粒后導(dǎo)致局部氧濃度降低，促使氧顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G01N33/22GK103675227SQ201310641434
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】陳善樂(lè), 汪華君, 崔鐵軍, 陳亮 申請(qǐng)人:陳善樂(lè)