D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.06.001 第27卷第6期 北京科技大学学报 VoL27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2005 基于流场模拟的综放面自燃危险区域划分及预测 张辛亥1)席光》徐精彩)周金生》 张健》 1)西安交通大学能源动力学院，西安7100612)西安科技大学能源学院，西安7100543)双鸭山矿业集团，双鸭山155100 摘要通过对采空区渗流场的数值模拟，得到采空区渗流速度及氧气体积分数的分布.结 合实验测得的煤自燃发火期和自燃临界参数，对采空区“三带”进行划分，并得到了采空区不 自燃的工作面最小推进度.该方法计算量比模拟采空区煤自燃全过程少得多，预测精度却能 够满足实际防灭火需要， 关键词采空区：自燃：危险区：数值模拟：预测 分类号TD752.2 放采放顶煤工作面采空区容易发生自燃.以 接顶发生冒落，形成松散的多孔介质，空气可以 往对采空区自燃“三带”的划分主要通过向采空 沿着松散介质渗流到采空区深部，根据经验，发 区预埋观测管或传感器，观测采空区氧气及其他 生渗流的破裂带主要在工作面进、回风侧煤柱之 气体体积分数分布及漏风强度来实现：.在现场 间，煤层底板以上6m高的范围.在与工作面水 观测不能实现的情况下，空区自燃危险区域难以 平距离150m外的采空区深部，渗流阻力非常大， 判定，采用数值模拟的方法可以预测采空区煤体 可以认为无渗流发生.渗流区域如图1所示. 氧化升温过程，但由于采空区范围很大，数值模 采空区松散煤体及岩体各为均匀多孔介质， 拟计算量非常大，需要用大型计算机和较长时间 但岩体与煤体内滲流参数不同.采空区遗煤和渗 完成.在正常开采过程中，采空区煤体自燃的 流经过的氧气发生化学反应，导致采空区氧气浓 发展非常缓慢，是准静态过程.因此，可将采空区 度分布不均匀，进一步引起氧气从浓度高处向低 的渗流场和浓度场近似看成稳态的，采用数值方 处扩散。由于煤自燃过程非常缓慢，认为在正常 法求解采空区渗流、氧化及扩散的稳态模型，得 生产过程中采空区氧的扩散与反应达到动态平 到氧浓度及漏风强度的分布，据此可划分采空区 衡，并且温度不发生变化. “三带”，预测采空区煤自燃危险性， 118m 2.0m 150m 1综放面空气渗流物理模型 3.2m 破醉岩体 0.8m 双鸭山矿业集团东荣三矿综一面为轻型放 一松散煤体 顶煤回采工作面.该工作面走向长度960m,倾斜 长度为118m,煤厚5m.受地质构造影响，综一面 顺槽破碎岩体工作面 顺槽 倾斜长度随工作面推进不断缩小，因而向采空区 m 预埋管观测时，观测管经常被压断导致观测失 图1渗流区威模型 Fig.1 Geometric model for flow field 败.为此，采用数值方法计算采空区氧浓度及漏 风强度分布，采煤工作面开采过程中，顶煤及直 2采空区渗流及扩散数值模拟 收稿日期：2005-04-20修回日期：2005-07-12 2.1采空区渗流控制方程 基金项目：“十五”科技攻关项目(No,2004BA803B0114):国家 假设计算区域内流体密度不变，空气中的氧 杰出青年基金项目QNo.50125414:陕西省教育厅自然科学基 气与煤反应而被消耗，同时有CO2等气体产生， 金项目No.05K261) 作者简介：张辛亥(1971一)，男，副教授，博士研究生 气体消耗量与产生量湘等，使空气质量不发生变
第 27 卷 第 6期 2 0 5 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt o f s e el n e e a n d l艳c h n o l o yg B eij ni g 从 , L 2 7 N O 一 6 D e C 。 2 0 0 5 基于流场模拟的综放面 自燃危险区域划分及预测 张辛 亥 ’ ,2) 席 光 ” }盔五玉} 2 , 周金 生 ” 张 健 3 , l) 西 安交 通大学 能源 动力 学院 , 西安 71 0 0 61 2) 西 安科 技大 学能源 学 院 , 西 安 71 005 4 3) 双鸭 山 矿 业集 团 , 双 鸭 山 15 5 10 摘 要 通过 对采 空 区渗流 场 的数值模拟 , 得 到采 空 区渗流 速度 及氧 气 体积 分数 的分 布 . 结 合实验 测得 的煤 自燃 发火 期和 自燃 临界 参数 , 对采 空 区 “ 三 带 ” 进 行划 分 , 并 得到 了采 空区 不 自燃 的工 作面 最小推 进 度 . 该 方法 计算 量 比 模拟 采 空区 煤 自燃 全过 程 少得 多 , 预测 精度 却 能 够满 足 实际 防灭火 需要 . 关键 词 采空 区 ; 自燃 ; 危 险 区 ; 数值 模 拟 : 预 测 分 类号 T D 7 5 + 2 . 2 放 采放 顶煤 工 作面 采 空 区容 易发 生 自燃 . 以 往 对 采 空 区 自燃 “ 三 带 ” 的划分 主 要 通过 向采 空 区预 埋观 测管或传 感器 , 观测采 空区氧 气及 其他 气体 体积 分数 分布 及 漏风 强度 来 实现『, · 2] . 在现场 观测 不 能实现 的情 况 下 , 空 区 自燃 危 险 区域难 以 判 定 . 采 用 数值 模拟 的方 法可 以预测 采空 区煤体 氧 化升 温 过程 , 但 由于 采 空 区范 围很 大 , 数值 模 拟 计算 量非 常 大 , 需要 用大 型计 算机 和较 长 时 间 完成 。司 . 在 正 常开 采 过程 中 , 采 空区 煤体 自燃 的 发展 非常 缓慢 , 是准 静态 过程 . 因此 , 可 将采 空 区 的渗 流场 和浓 度场 近似 看成 稳 态 的 , 采 用数 值 方 法求 解采 空 区渗流 、 氧化及 扩 散的稳 态模型 , 得 到氧 浓度 及漏 风 强度 的分 布 , 据此 可 划分 采空 区 “ 三带 ” , 预 测 采 空 区 煤 自燃 危 险性 . 1 综 放面 空 气 渗流 物 理 模型 双 鸭 山矿 业 集 团东 荣 三 矿 综 一 面 为 轻 型放 顶煤回采工 作面 . 该 工 作面 走 向长度 9 60 m , 倾 斜 长度 为 1 8 m , 煤 厚 s m . 受地 质 构造 影 响 , 综一 面 倾 斜长度 随工 作面推 进不 断缩小 , 因而 向采 空区 预 埋 管观测 时 , 观 测 管 经 常被压 断 导 致 观 测 失 败 . 为 此 , 采 用 数值 方法 计 算 采空 区 氧浓 度 及漏 风 强度 分布 . 采煤 工 作 面 开采 过程 中 , 顶煤 及 直 收稿 日期 : 2 0 05 一4 - 2 0 修 回 日期 : 20 05 刁 7 一 12 垂金 项 目 : “ 十 五 ” 科技攻 关项 目 (N .o 20 4 B A 8 03 B 0 114) ; 国家 杰 出青年基 金项 目 N( 0 . 50 12 5 41 4) ; 陕西省 教育 厅 自然 科学 基 金项 目N( 0 . 0 5刃K2 6 1) 作者 简介 : 张 辛亥 ( 19 71 一) , 男 , 副教授 , 博 士 研 究生 接顶 发 生 冒落 , 形 成松 散 的 多孔 介质 , 空气 可 以 沿着 松 散 介质 渗 流 到采 空 区 深 部 . 根 据 经 验 , 发 生渗 流 的破 裂 带主 要在工作 面进 、 回风侧 煤柱 之 间 , 煤 层底 板 以上 6 m 高 的范 围 . 在 与工 作面 水 平 距离 150 m 外 的采 空 区深 部 , 渗流 阻 力非常 大 , 可 以认 为无 渗 流发 生 . 渗 流 区 域如 图 1 所示 . 采 空 区松 散煤 体 及岩 体 各为 均 匀 多孔介 质 , 但 岩 体 与煤体 内渗 流 参数 不 同 . 采 空 区遗 煤和 渗 流经 过 的氧气 发 生化 学 反应 , 导 致采 空 区氧气 浓 度 分布 不均 匀 , 进一 步 引起 氧气 从浓 度 高处 向低 处扩 散 . 由于煤 自燃过 程 非 常缓 慢 , 认 为在 正常 生 产 过程 中采 空 区氧 的扩 散与 反应 达 到 动态 平 衡 , 并且 温 度 不发 生 变化 . 1 1 8 m . O m . 2 m 破石 . s m 图 1 渗流 区域 模型 n .g 1 G eo m e 扮ic m o d e l fo r fl o w n e ld 2 采空 区 渗流 及 扩散 数值 模拟 .2 1 采空 区渗流 控 制 方程 假 设计 算 区 域 内流 体 密度 不变 , 空气 中的氧 气 与煤反 应 而被 消 耗 , 同时有 C 0 2 等气 体 产生 , 气 体消 耗量 与 产生量 相 等 , 使 空气质 量 不发 生变 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 06. 001
642· 北京科技大学。学报 2005年第6期 化.空气渗流符合达西定律，空气中各组分按照 空区渗流速度在靠近进风和回风顺槽处比较高， Fick定律从浓度高处向低处扩散，由于煤自燃过 而采空区中部相对较低.在采空区两侧距离工作 程非常缓慢，认为在正常生产中采空区的渗流、 面18m左右处，渗流速度的大小达到1.8× 扩散及化学反应是稳态过程，采空区温度保持不 102ms:在距工作面26m处达到1.6×102ms: 变，则得到如下控制方程2： 60m处达到102ms':90m处为2×10-ms. 「盟8}… o-长H (1) 40% ac+osS+oS 三6.06 DSCDCDA-Kn 10.0m 120 式中，x,y,z为三维空间坐标：卫为漏风强度（通过 单位面积煤样的漏风量)：夏，②互分别为x,y,z方 1609 向上的漏风强度分量H为压力；k为绝对渗透率， 根据实验，煤层中k=1.44×10-m2,岩体中仁1.00× 1发0时% 10m2;4为空气粘性系数，取常温下4=1.7894× 10kgm's':C为氧气的质量浓度kgm’:D为 20.6 氧气在煤体中的扩散系数，常温下D=2.88× 105m2s';心T)为煤的耗氧速度，根据煤自燃发 图2采空区煤层中部氧体积分数等值线图 Fig.2 Contour of oxygen in the center of gob coal seam 火实验结果，东荣二矿煤样在23℃下的新鲜风流 中，(T)=1.28×10-kgm3.s:在临界温度的80℃ 下，T=130x10kgm3s'. 2.2定解条件 根据现场测定，采煤工作面压力分布（以工 作面中部为坐标原点，向进风侧方向为x方向， 向采空区深部为y方向，垂直向上为z方向)为： .00 P=107420+0.22x:工作面氧气体积分数为21%.计 0.004 算区域其他边界为壁面①=0. -0.006 23数值模拟结果 0.008 漏风区域为高6m,长118m,深150m的六面 0.010 0.012 体，根据工作面结构特点，采用六面计算元体，在 0.014 垂直方向，网络步长为0.2m,水平方向沿工作面 1.016 二0.018 及垂直工作面方向网格步长为1m.根据上述数 图3采空区煤层中部渗流速度大小等值线图（单位：ms) 学模型，利用Fluent模拟软件进行求解.从进风 Fig3 Contour of the velocity of air flow in the center of gob coal 侧开始计算，经过约80次迭代后，速度及氧体积 sea 分数相对误差均小于10'，已能够满足自燃危险 3 东荣三矿采空区“三带”划分 区域划分要求.此后，随着迭代次数增加，误差变 化不明显. 31采空区“三带”划分依据 通过数值计算得到的采空区氧体积分数及 采空区煤自燃的“三带”即散热带、氧化升温 渗流速度分布如图2~3所示.从图可以看出，在 带和室息带.在散热带，由于漏风速度较大，煤体 与工作面距离相同的采空区内，靠近进风侧氧体 表面对流换热量很大，煤氧化放出的热量能很快 积分数比回风侧更高.在采空区进风侧距离工作 被带走，因而煤温不会升高，不会发生自燃：室息 面30m处，氧气体积分数达到18%，50m左右达 带内氧体积分数较低，煤氧化速度很慢，煤温也 到16%，110m处达到下限氧体积分数5%左右.采 不会升高：只有氧化升温带内，氧体积分数较高
. 创 2 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 6 期 化 . 空气 渗流 符合 达 西 定律 , 空气 中各 组 分按 照 iF ck 定律 从 浓度 高处 向低 处 扩 散 . 由于 煤 自燃 过 程 非常 缓慢 , 认 为在 正常 生 产 中采 空 区的渗 流 、 扩散 及化 学反 应是 稳态 过程 , 采 空 区温 度 保持 不 变 , 则得 到 如下 控 制方 程。 一 习: 空 区渗流 速度 在靠 近进 风和 回风 顺槽处 比较高 , 而采 空 区中部 相对 较低 . 在 采 空区两 侧距 离工 作 面 18 m 左 右 处 , 渗 流 速 度 的 大 小 达 到 1 . x8 10 一 , m · s 一 ’ ; 在距工 作面 26 m 处 达到 l , x6 1o 一 , m · s 一 ’ : 60 m 处 达 到 1-0 , m · s 一 , ; 90 m 处为 x2 1-0 , m · s 一 , . 刁 ( , a H 、 , 刁 ( , 刁H 、 . a ( 二 刁H 、 _ 。 下t 凡币列勺万( ` 刁歹)气讯` 飞石 ~ 厂 ” 二 k 一 , , 公乙= 一 — V 月 一 户 奋釜己 . 箫忍 . 釜 ( l ) 一 城力 式 中 , x, y, z为三 维 空 间坐标 ; 口为 漏风 强度 (通 过 单位 面 积煤 样 的漏 风 量 ) ; 亘 , 己 , 互分 别 为 x , y , z 方 向上 的漏风 强度 分量 ;H 为 压力 ;k 为绝对 渗透 率 , 根据 实验 , 煤 层 中k = 1 . 4 x l0 “ 耐 , 岩 体 中卜 1 . 0 x0 1-0 ` 耐沼 为 空气 粘性 系 数 , 取 常温 下产月 . 7 8 9 4 x 1犷 , kg · m 一 ’ · s 一 , ; c 为 氧 气 的 质 量 浓 度 kg · m 一 , ; D 为 氧 气 在 煤 体 中 的 扩 散 系 数 , 常 温 下 D = 2 . 8 8 、 10 “ 耐 · s 一 , ; 双乃为 煤 的耗 氧 速度 , 根据 煤 自燃 发 火 实验结 果 , 东 荣二矿 煤样 在 23 ℃ 下的新 鲜风 流 中 , 城力二 1 . 2 8 xl 0 一 , kg · m 一 , · s 一 , : 在 临 界温 度 的 80 ℃ 下 , 城力= 1 . 30 、 10 一 ` kg · m 一 , · s 一 , . .2 2 定解 条 件 根据 现 场测 定 , 采 煤 工作 面压 力 分布 ( 以工 作 面 中部 为坐 标 原 点 , 向进 风 侧方 向为 x 方 向 , 向采 空区 深 部为 夕 方 向 , 垂 直 向上 为 z 方 向) 为 : 介 107 42 小 .0 2 2x ; 工 作面 氧气 体积 分数 为 21 % . 计 算 区域其 他 边 界为 壁 面乎0 . 2 3 数值 模 拟 结果 漏 风 区 域 为 高 6 m , 长 1 18 m , 深 1 50 m 的六 面 体 . 根 据工 作面 结构特点 , 采用 六 面计算元体 , 在 垂 直方 向 , 网络 步长 为 .0 2 m , 水平 方 向沿 工 作面 及 垂直 工 作面 方 向 网 格步 长 为 l m . 根 据上 述 数 学模型 , 利 用 F in ent 模 拟 软件进行 求 解 . 从 进 风 侧开 始计 算 , 经 过约 80 次迭 代后 , 速 度及 氧 体积 分 数 相对 误 差均 小于 1-0 4 , 己 能够 满足 自燃 危 险 区域划 分要 求 . 此 后 , 随着迭 代次 数增加 , 误 差变 化 不 明显 . 通 过 数值 计 算 得 到 的采 空 区 氧 体 积 分 数 及 渗 流速 度 分布 如 图 2~3 所 示 . 从 图可 以看出 , 在 与工 作面距 离相 同 的采空 区 内 , 靠近 进风 侧氧 体 积分 数 比回风 侧更 高 . 在采 空 区进风侧 距 离工 作 面 30 m 处 , 氧气 体积 分数 达 到 18 % , 50 m 左 右 达 到 16% , 110 m 处达 到下 限氧 体积 分数 5% 左 右 . 采 图 二 F ig s e 日` . 3 东荣 三矿采 空 区 “ 三 带 ” 划 分 .3 1 采 空 区 “ 三 带 ” 划 分依 据 采 空 区 煤 自燃 的 “ 三 带 ” 即 散热 带 、 氧 化 升温 带和 窒息 带 . 在 散热 带 , 由于 漏风 速度 较大 , 煤体 表面 对流 换热 量 很大 , 煤 氧化 放 出 的热量 能 很快 被带走 , 因而 煤温 不会 升高 , 不会 发生 自燃 ; 窒 息 带 内氧体 积 分数 较低 , 煤 氧 化速 度 很慢 , 煤 温 也 不会 升高 ; 只 有氧 化升 温带 内 , 氧 体积 分数 较高
VoL.27 No.6 张辛亥等：基于流场模拟的综放面自燃危险区域划分及预测 ◆643· 漏风强度却较小，因而煤氧化放出的热量能够使 均氧的体积分数值为C。,=12%,则空气中的氧 温度上升，最终可能引起自燃.因而“三带”划分 体积分数与实际氧体积分数的比例系数 的依据为2：散热带，>：室息带，C<C:氧 火-会-欲-175.(C新鲜风流氧体积分数，取 化升温带，(h>hmm)n(C>C)n(②<更n).根据煤自 21%).以采空区平均温度为30℃计，采空区浮煤 燃发火实验，东荣三矿煤样的极限浮煤厚度h= 最短自然发火期x一40d,可知采空区可能发生 0.8m:当浮煤厚度为4m时，自燃的下限氧体积 自燃的工作面极限推进速度为： 分数C==4%:上限漏风强度2=4×10-3m·s,对 应的渗流速度为1.6×10-2ms 134md 32采空区自燃危险区域划分 因此，当东荣三矿采煤工作面的推进速度大 将采空区内(c,y)坐标相同的点中，氧气体积 于1.34md时，采空区无自燃发火危险：当工作 分数最大值为C和漏风强度最小值为②的等 面在40d内的平均推进速度小于1.34md时，采 值线绘制在同一张平面图上，即得到采空区“三 空区将发生自燃.东荣三矿工作面实际平均推进 带”的分布见图4.从图可以看出，东荣三矿综一 速度为3.44md',所以工作面正常生产期间没有 轻放面采空区氧化升温带主要分布在进风侧距 发生自燃现象.2004年8月，工作面遇到断层使 离工作面26~20m,回风侧距离工作面26~60m, 其推进速度很慢（小于1md),一个月后工作面 距离工作面两侧煤柱0~5m的采空区.最大氧化 出现CO,之后工作面推进速度加快，CO逐步消 升温带处于工作面进风侧，其宽度为94m. 失.说明所求得的“三带”分布及工作面最小推进 速度基本符合实际规律. 160m 室息区 4结论 -140m 通过对采空区渗流场的数值模拟得到采空 -120m 区渗流速度大小及O2体积分数分布，结合实验测 100m 得的煤自燃发火期和自燃临界参数，可实现对采 C=C 空区“三带”的划分和对煤层自燃的预测.运用该 -80m 方法求得的东荣三矿综一轻放面氧化升温区分 氧化升温区 氧化升温区 -60m 布和综放面极限推进度等与矿井实际相吻合，该 方法计算量比模拟采空区煤自燃全过程少得多， -40m 但预测结果也能够满足实际防灭火需要，因而是 一种良好的方法. 00 20m 做热区 参考文献 0m T08 m [1】徐精彩，邓军，文虎，采煤工作面采空区可能发火区域分 118m 析.西安矿业学院学报，1998.18(1少13 图4轻放面采空区“三”带的分布 [2】徐精彩.煤自燃危险区域判定理论.北京：煤炭工业出版 Fig.4 Distribution of self-heating zone in mined out area 社，2001 [3]Xu JC,Deng J.Computer simulation of spontaneous combustion 3.3综放面极限推进速度确定 process of erushed coals around the tailgate close togob at fully 处于氧化升温带的松散煤体氧化放出的热 mechanized LTCC faces.In:Vie HP.Progress of the 29th Inter- 量发生聚积，使其温度从常温上升到燃点需要一 nationd Symposium on Computer Applications in the Minerals 定的蓄热时间，当工作面推进速度大于某一临界 Industries,Beijing,2001.565 [4]崔凯，张东海，杨胜强采空区遗煤自燃带确定及风流场数 值时，氧化升温带的煤温还没有上升到自燃温度 值模拟.山东科技大学学报（自然科学版），2002,21(4：88 就被甩到窒息带，从而不会发生自燃，这个临界 []文虎.综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟.煤 速度就是极限推进速度2.东荣三矿综一轻放 炭学报，2002,27(1)：54 面氧化升温带最大宽度L=94m.根据数值模拟 [5]Zhu MS,Xu YQ,Wu J.Computer simulation of spontaneous combustion in coal.In:Proceedings of the US Mine Vontilation 得到的采空区氧体积分数分布，氧化升温带内平 Symposium,Morgentown Wo USA,1991.88
、 勺l 一 27 N O 一 6 张 辛亥 等 : 基于流 场模 拟的综 放面 自燃 危险 区域 划分 及预 测 . 64 3 . 漏 风 强度 却较 小 , 因而 煤氧 化放 出 的热 量 能够 使 温度 上 升 , 最终 可 能 引起 自燃 . 因而 “ 三 带 ” 划 分 的 依据 为 L以 ,l4 : 散 热带 , 乎口 口 ax ; 窒 息带 , C< mC in ; 氧 化 升 温 带 , h( > h ` ) n (>C 几 山 ) n ④姻 田 aX ) . 根 据 煤 自 燃 发火 实 验 , 东 荣三 矿 煤样 的极 限浮 煤厚 度 h缸 .0 8 m ; 当浮 煤 厚度 为 4 m 时 , 自燃 的下 限氧 体 积 分 数 氏 加 =4 % ; 上 限漏 风强 度口~ = 4 x 10 一 , m · s 一 ’ , 对 应 的 渗流 速度 为 1 . 6x 10 一 , m · s 一 , . 1 2 采 空 区 自燃危 险 区域 划 分 将 采空区 内x(, 力坐标 相 同的 点 中 , 氧 气 体积 分 数 最 大值 为几 山 和 漏 风强 度最 小值为虱 公 的等 值线 绘制 在 同一 张平 面 图上 , 即得 到 采 空 区 “ 三 带 ” 的分布 见 图 4 . 从 图可 以看 出 , 东 荣三 矿 综 一 轻放 面 采 空 区氧 化 升 温带 主 要 分布 在 进 风 侧 距 离工 作面 26 一 20 m , 回 风侧 距 离 工作 面 26 一60 m , 距 离工 作面 两 侧煤 柱 0一s m 的采 空 区 . 最大 氧 化 升温 带 处 于工 作 面进 风侧 , 其 宽度 为 94 m . 均 氧 的 体 积 分 数 值 为瓦 = 12% , 则 空 气 中 的氧 体 积 分 数 与 实 际 氧 体 积 分 数 的 比 例 系 数 1 %一一1 `一, `, , .1 _ _ _ 以 _ K 一 瓦二- = 1 . 75 . (已 新 鲜风 流 氧体 积 分数 , 取 21 % ) . 以采 空 区平均 温度 为 30 ℃ 计 , 采 空 区浮 煤 最 短 自然 发 火期 偏=4 o d , 可 知 采空 区可 能 发 生 自燃 的 工作 面 极 限推 进速 度 为 : L m. 二 , . , 蝙 = 虱不花= ` · 抖 m ` Q ` 因此 , 当东 荣三 矿 采煤工 作面 的推 进速 度 大 于 1 . 34 m · d 一 , 时 , 采 空 区无 自燃 发 火危 险 ; 当 工作 面在 4 0 d 内的平均 推进速 度 小于 1 . 34 m · d 一 ,时 , 采 空 区将 发生 自燃 . 东荣三 矿 工作 面 实际平 均 推进 速度 为 3 . 4 m · d 一 ’ , 所 以工 作面 正常 生产 期 间没有 发 生 自燃 现象 . 20 4 年 8 月 , 工 作 面遇 到 断 层使 其 推进 速度 很慢 ( 小于 l m · d 一 ’ ) , 一 个 月后工 作 面 出现 C O , 之 后 工 作面 推 进速 度 加 快 , C O 逐步 消 失 . 说 明所 求得 的 “ 三 带 ” 分布 及 工作面 最 小推 进 速 度基 本符 合 实 际规律 . 图 4 牡 放 回 米空 达 ” 二 ’ 带即 分 枷 F地 . 4 D is 们b u d o n o f , e -lf h e a血9 z o n e 恤 m 加 e d o u t a 代a 3 3 综放 面极 限推 进速 度确 定 处于 氧 化 升 温带 的松 散 煤 体 氧 化 放 出的 热 量 发生聚 积 , 使 其温 度从 常温 上 升到 燃 点需要 一 定 的蓄 热 时间 . 当工作面 推 进速 度大 于某 一 临界 值 时 , 氧化 升温 带 的煤温 还 没有 上升 到 自燃 温度 就 被 甩到 窒 息 带 , 从 而不 会 发生 自燃 , 这 个 临界 速 度就 是极 限推 进 速度 L,洲 . 东荣 三 矿综 一 轻放 面 氧 化 升温 带 最大 宽度 L矿94 m . 根 据数 值 模拟 得到 的采 空 区氧体 积分 数 分布 , 氧 化升 温 带 内平 4 结 论 通 过对 采 空 区渗流 场 的数 值 模 拟 得 到 采 空 区 渗 流速 度 大小及 0 2体 积 分数分 布 , 结 合实验 测 得 的煤 自燃 发火 期 和 自燃 临界参 数 , 可 实现 对采 空 区 “ 三 带 ” 的划分 和对 煤 层 自燃 的预测 . 运 用该 方 法 求 得 的 东 荣三 矿 综 一 轻 放面 氧 化 升 温 区 分 布 和综 放 面极 限推 进度 等 与矿 井实 际相 吻合 . 该 方法计 算量 比 模拟 采 空 区煤 自燃全 过程 少 得 多 , 但 预 测 结果 也能够 满足 实 际 防灭火 需 要 , 因而 是 一种 良好 的方 法 . 参 考 文 献 【l] 徐精 彩 , 邓军 , 文 虎 . 采 煤工 作面采 空 区 可能 发火 区 域 分 析 . 西 安矿业 学院 学报 , 19 9 8 , 1 8( l ) : 13 2[ ] 徐精 彩 . 煤 自姗 危 险区 域 判定 理论 . 北 京 : 煤 炭工 业 出版 社 , 2 0 0 1 [ 3 ] xu J c , D en g J . C om p ut e r s而ul iat on o f sp o n at n e ou s c o mb us ti o n orP e e s s o f e usr h e d c o a l s o un d het iat lg at e e l o se ot g o b at fu l ly m e e h an i z e d LT C C fa e e s . 位: 巧e H P P 和 g er s s o f ht e 29 ht I n t e r . n a t l o n d Sy m P o s i um o n C o m P ut er A P Pli e iat o ns in het M in e alr s 玩d u s itr e s , B e ij i n g , 2 0 0 1 . 5 6 5 4[ ] 崔 凯 , 张东海 , 杨胜 强 . 采 空 区遗煤 自燃 带确定及风 流场 数 值模 拟 . 山东科技 大 学学报 ( 自然 科学 版 ) , 2 0 2 , 21 (4 ) : 8 5[] 文虎 . 综放工 作面 采空 区煤 自燃过 程的 动态数 值 模拟 . 煤 炭 学报 , 2 0 0 2 , 2 7( l ) : 54 〔5 ] Z h u M S , Xu Y Q , w O J . C o mP u t e r s lm u l而on o f sP o n at 叮 e o us e o m b u s it o n i n e oal . ih : Por e e e d i n g s o f hte U S M in e Vo int lat i o n S y m P o s l u t 口, M o 电 e nt o w n w 匕 U S A , 19 9 1 . 8 8
●644 北京科技大学学报 2005年第6期 Partition of spontaneous combustion dangerous zone and prediction of sponta- neous combustion based on numerically modeling the flow field at fully mechani- zed caving face ZHANG Xinhai2,XI Guang,XUJingcai,ZHOU Jinsheng ZHANG Jian 1)Energy and Power School,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710061,China 2)Energy School,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China 3)Shuangyashan Coal Group,Shuangyashan 155100,China ABSTRACT The distribution of oxygen concentration and the velocity of air flow in a mined-out area were deter- mined by numerically simulating the flow field.With the simulated results together with the duration and threshold of coal spontaneous combustion obtained from experiments,the spontaneous combustion dangerous zone was parti- tioned into three zones,and the smallest working face moving velocity to prevent spontaneous combustion was cal- culated.Compared with the simulation of the whole process of coal spontaneous combustion in a mined-out area, this proposed method requires a smaller amount of calculations,but its precision can satisfy the demand to predict and prevent spontaneous combustion in the mined-out area. KEY WORDS mined-out area;spontaneous combustion;dangerous zone;numerical simulation;prediction 限置密乐酸我装酸限藏被残酸残戴微限洗爱都效戏酒变容型戏政区今液发收收尔顺化地紧装 自2006年第28卷第1期起，《北京科技大学学报》的刊期变更为月刊《北京科技大学学报》 是由北京科技大学主办的学术类科技期刊，ISSN1001053X,CN11-2520/TF,1955年创刊，月刊， 每月25日出版，国内外公开发行，邮发代号82-303，国内定价每册12元，全年144元.本刊主要 刊登矿业工程、冶金工程、金属材料科学与工程、冶金装备技术、钢铁企业生产过程管理等领域 的最新研究成果，推动国内外同行的学术交流与科研合作，为中文核心期刊（冶金工业类第2位） 和中国科技论文统计源期刊，被Ei Compendex、CA、《剑桥科学文摘社网站》、《文摘杂志》（俄）、《数 学文摘》（德）等国内外著名检索刊物、数据库列为收录源刊，先后荣获首届国家期刊奖、中国期刊 方阵“双高期刊”、第二届和第三届国家期刊奖百种重点期刊等多项大奖， 欢迎国内外专家不吝赐稿，欢迎广大读者订阅本刊！
。 `“ 。 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 ` 期 P art iti o n o f s P on tan e o u s e o m b u s t i o n d a n g e ro u s z o n e an d P re d i c t i o n o f s P o n t a - n e o u s e o m b u st i o n b a s e d o n n u 们。e ri c a lly m o d e li n g the fl o w fi e ld at fu ll y m e e h an i - z e d e av in g fa e e Z 月月N G xin ha it,)z 灯翻 agn l,) 匾五巫国 2 ), Z HO u ij sn he 心气 Z月月 N G ianJ , 1) nE e唱 y 阳d P o w er s e h o l , 芜 , an j i a o t o n g U n l v esr iyt, X i , an 7 10 0 6 1 , C hi n a 2 ) E n e 斗丹 S c h o l , iX , an U哪 e sr iyt o f S e i e nce aD d eT c hn o l o gy’ X i , an 7 1X() 54 , Ch in a 3 ) s b anU 罗as h叨 C oal G m 叩 , s h aDU 留as h a n 15 5 10 0 , hC in a A B S T R A C T T h e d i istr b u t ion o f o x gy en e o n e e n tr a ti o n an d ht e v e l o e i ty o f a i r if o w i n a m in e d 一 o u t are a w e re de t e -r m ine d by num ier e al ly s im u l at ign hte fl o w if e ld . iWht ht e s im u late d 化s u lts ot g e ht er w i ht ht e d u r a t i on an d t h re s h o l d o f e o a l sP o n ts nL e o u s c o m b u s t ion o abt i n e d ifD m e x P e ir m e n t s , ht e s P o n ant e on s e o m b u s t i o n d an g eor u s z on e w a s Part i - it on e d in ot th fe e oz n e s , a n d ht e s m a ll e s t wo lr d n g fa c e m o v in g v e l o e i yt ot Per v e n t s P o n atn e o u s e o m b u s t i o n w as e a l - e ul aet d . C o m P aer d w i ht ht e s加 u l iat o n o f het w h o l e Por e e s s o f e o a l sP o n t a n e o u s e o m b u s it o n in a m in e d 一 o u t aer a , ht i s P or P o s e d me ht o d 犯 qu 加 5 a s m a ll e r am o un t o f e al e u l at i o n s , b ut it s P化 e i s i o n e an s a it s fy ht e d e m an d ot erP d i e t 明d Per v e nt s P o n 加 nL e ou s e o m b u s it o n in ht e m i n e d 一 o ut aer a . K E Y W O R D S m in e d 一 o u t axe a ; s P o n at n e o u s e o m b u s t i o n : d an g e or u s z o n e : n u r n e ir e a l s im u lat i o n : v er d i e t i o n 自 2 0肠 年 第 2 8 卷第 1 期起 , 《北 京科技 大 学学报》的 刊 期 变更 为月 刊 《北 京科技 大学学报》 是 由北 京科 技大学主 办的学术类科技期 刊 , IS S N 10 01 刁 53 X , C N n 一 5 20 /T F , 19 5 年创 刊 , 月 刊 , 每月 2 5 日 出版 , 国内外 公 开 发行 , 邮发代号 82 一03 , 国 内定 价每册 12 元 , 全年 14 元 . 本刊 主 要 刊登 矿业工 程 、 冶金工 程 、 金属 材料科学与工 程 、 冶 金 装 备技术 、 钢铁企 业 生 产过程 管理 等领域 的最新研 究成 果 , 推动 国 内外 同行 的学术 交流 与科研 合 作 , 为 中 文 核 心 期 刊 ( 冶 金 工 业类第 2 位 ) 和 中国科技论 文 统计源 期刊 , 被 IE C o m p en d ex 、 C A 、 《剑桥科 学 文 摘社 网站 》 、 《文 摘 杂志 )}( 俄) 、 《数 学文摘)( 德 )等 国 内外著名检索刊 物 、 数据库列为收录源刊 , 先后 荣获首届 国家期 刊 奖 、 中国 期刊 方阵 “ 双高期刊 ” 、 第 二 届 和 第三届 国家期刊奖百 种重 点 期 刊 等 多项 大奖 ` 欢 迎 国 内外 专 家不 吝赐 稿 , 欢 迎 广大 读 者订 阅本 刊 !