一種u型通風下採空區發火過程模擬方法
2023-11-05 05:56:27
一種u型通風下採空區發火過程模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種U型通風下採空區發火過程模擬方法，該方法是在考慮遺煤層由於採動造成的鬆散多孔結構有利於氧氣與煤的接觸反應的前提下，使用基於顆粒流的PFC3D作為模擬平臺，模擬了自然發火過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及其與煤的反應，並通過FISH實現該過程；其包括如下步驟：遺煤層模型構建，遺煤層中氧進行模擬，溫場模擬結果及分析；本發明非常適合用於研究在U型通風下正常推進時遺煤層發火過程的確定。
【專利說明】—種U型通風下採空區發火過程模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及礦業工程，特別是涉及在U型通風下正常推進時遺煤層發火特點及過程的確定。
【背景技術】
[0002]礦井自燃災害長期以來是嚴重威脅煤礦安全生產的主要因素之一。許多專家學者針對模擬遺煤自燃的發生方面進行了許多研究，但自燃事故依然時常發生。近幾年來，隨著放頂煤技術得到普及，端頭支架處的頂煤放出率偏低，導致採空區內遺煤較多，採空區自然發火危險程度逐步增大。國內大約有56%的礦井有自燃隱患，遠遠多於其他國家。而我國煤礦所發生的火災中有94%都是自燃造成的。統計表明，在所有礦井火災中有60%是採空區自燃火災。近期國內、外研究得出採空區是發生自燃災害最頻繁的區域。
[0003]針對採空區遺煤自燃問題，目前做法存在問題，採空區頂遺煤受採動影響，已形成了裂隙，其比表面積要大於初始狀態下的煤層。在通風條件下，氧氣通過裂隙滲入煤層，煤與氧氣反應，氧化、放熱及自燃。對於這些問題，解析計算及連續理論模擬都不能對其細觀自燃發展過程進行較好的反應。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是就上述問題，提供一種模擬方法，該方法使用基於顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應並發出熱量，從而得到自然發火過程中的採空區遺煤層內溫場分布及其特點。
[0005]本發明的技術方案:一種U型通風下採空區發火過程模擬方法，該方法使用基於顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應並發出熱量，從而得到自然發火過程中的採空區遺煤層內溫場分布及其特點。
[0006]上述方法中，所述使用基於顆粒流的PFC3D作為模擬平臺，模擬了自然發火過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及其與煤的反應，並通過FISH實現該過程；包括如下步驟:遺煤層模型構建，遺煤層中氧進行模擬，溫場模擬結果及分析。
[0007]所述遺煤層模型構建具體參數為:回採工作面長200 m、採高4.8 m ;以該工作面為例進行U型通風下的採空區自然發火數值模擬；採空區深度取300m，工作面正常推進速度約為3.6 m/d、通風阻力58 Pa、傾角5°，工作面最大風量70(T810mVmin，進風溫度為19°C，原始巖溫為21.7°C，正常推進時遺煤均厚為0.4 m。
[0008]所述遺煤層中氧進行模擬的具體參數: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的流動情況，3)煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧的過程。
[0009]在所述溫場模擬結果及分析中，採空區遺煤自然發火過程分為三個階段，第一階段是22天以前的時期，這個時期升溫區發展比較緩慢，升溫過程穩定，形狀規則，氧氣供應充足；第二階段是22天到35天期間，這個期間升溫區的發展比較劇烈，由於氧氣供應問題，各方向的升溫區發展速度不同，一般是先縱向再橫向再縱向的發展方式；第三階段是35天後，升溫區周圍氧氣供應濃度到達極限平衡，升溫區範圍停止發展，系統平衡。
[0010]所述將空氣中的氧按比例等效為顆粒，其過程為:標準狀態下，Imol氣體=22.4L,所以 lm3=44.64mol ；02 濃度=44.64X 21%X 32=0.3kg/m3,設 Im2 氣體模型內 100 個氧氣顆粒，O2 顆粒濃度=0.3X0.5/100=0.0015kg/m2=0.0469mol/m2 ；氧氣相對空氣的密度(去掉空氣對氧氣的浮力)為3g/mol，每個O2顆粒的相對質量為0.0469 X 3/1000=1.407 X 10_4kg ;為了氧在遺煤層裡充分擴散，設氧顆粒半徑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的流動情況是通過FISH實現的，以通過採空區的進氣口與出氣口兩點，構造採空區內的二次拋物線，模擬氣流在採空區的運動軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量；同時為模擬氣流帶走煤層熱量的現象，與速度矢量成正比的減小氣流經過區域煤顆粒的溫度值，實現上述模擬。
[0012]所述的煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧的過程，煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧是通過FISH實現的，在這個過程中由於反應，假設煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小於等於^^時，發生反應並放出熱量；刪除氧顆粒後導致局部氧濃度降低，促使氧顆粒產生運動。
[0013]發明人指出:本發明涉及的顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質的運動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發生平移和旋轉，可以彼此分離並且在計算過程中重新構成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規律分布，可以通過調整顆粒單元直徑調節孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎，對模型顆粒進行循環計算，採用顯式時步循環運算規則。根據牛頓第二定律確定每個顆粒由於接觸力或體積力引起的顆粒運動(位置和速度)，力-位移定律是根據2個實體(顆粒與顆粒或顆粒與牆體)的相對運動，計算彼此的接觸力。
[0014]顆粒流理論基於以下假設:
1)顆粒單元為剛性體；`
2)接觸發生在很小的範圍內，即點接觸；
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，與顆粒大小相比，「重疊」量很小；
5)接觸處有特殊的連接強度；
6)顆粒單元為圓盤形。
[0015]顆粒流理論的接觸本構模型包括接觸剛度模型、庫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並行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，並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 年發布的一款高端產品，特別適合於複雜機理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發的微/細觀力學程序，它是從介質的基本粒子結構的角度考慮介質的基本力學特性，並認為給定介質在不同應力條件下的基本特性主要取決於粒子之間接觸狀態的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發展問題、以及顆粒的流動等大位移直問題。在巖土體工程中可以用來研究結構開裂、堆石材料特性和穩定性、礦山崩落開採、邊坡解體、爆破衝擊等一系列傳統數值方法難以解決的問題。[0017]PFC3D的熱模型可以模擬瞬態熱傳導，由PFC3D顆粒組成的儲熱材料，以及由於熱變引起的熱位移和熱應力。熱材料由儲熱器和熱導管組成，前者由PFC3D的顆粒組成，後者由顆粒之間的連接組成。熱傳導通過連接儲熱器的激活管道作為導體傳播。目前PFC3D的熱模型還不能模擬熱輻射和熱對流。熱拉力的產生是通過修改材料顆粒的半徑實現的。
[0018]熱力耦合涉及的熱導參數是溫度和熱通量。這些變量與連續方程和Fourier熱導法則有關。FPC3D中使用由Fourier法則演化的差分熱導方程代替了 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:
連續介質熱導方程如式(I)所示。
[0020]
【權利要求】
1.一種U型通風下採空區發火過程模擬方法，其特徵在於，該方法使用基於顆粒流理論的PFC3D作為模擬工具，將氧氣等效成為顆粒滲入煤層顆粒，模擬煤與氧氣反應並發出熱量，從而得到自然發火過程中的採空區遺煤層內溫場分布及其特點。
2.根據權利要求1所述的模擬方法，其特徵在於，所述使用基於顆粒流的PFC3D作為模擬平臺，模擬了自然發火過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及其與煤的反應，並通過FISH實現該過程；包括如下步驟:遺煤層模型構建，遺煤層中氧進行模擬，溫場模擬結果及分析。
3.根據權利要求2所述的模擬方法，其特徵在於，所述遺煤層模型構建具體參數為:回採工作面長200 !11、採高4.8 m;以該工作面為例進行U型通風下的採空區自然發火數值模擬；採空區深度取300m，工作面正常推進速度約為3.6 m/d、通風阻力58 Pa、傾角5°，工作面最大風量70(T810m3/min，進風溫度為19°C，原始巖溫為21.7°C，正常推進時遺煤均厚為0.4 m。
4.根據權利要求2所述的模擬方法，其特徵在於，所述遺煤層中氧進行模擬的具體參數: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的流動情況，3)煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧的過程。
5.根據權利要求2所述的模擬方法，其特徵在於，在所述溫場模擬結果及分析中，採空區遺煤自然發火過程分為三個階段，第一階段是22天以前的時期，這個時期升溫區發展比較緩慢，升溫過程穩定，形狀規則，氧氣供應充足；第二階段是22天到35天期間，這個期間升溫區的發展比較劇烈，由於氧氣供應問題，各方向的升溫區發展速度不同，一般是先縱向再橫向再縱向的發展方式；第三階段是35天後，升溫區周圍氧氣供應濃度到達極限平衡，升溫區範圍停止發展，系統平衡。
6.根據權利要求4所述的模擬方法，其特徵在於，所述將空氣中的氧按比例等效為顆粒，其過程為:標 準狀態下，Imol氣體=22.4L,所以lm3=44.64mol ；02濃度=44.64X 21%X 32=0.3kg/m3,設Im2氣體模型內100個氧氣顆粒，O2顆粒濃度=0.3X0.5/100=0.0015kg/m2=0.0469mol/m2 ;氧氣相對空氣的密度(去掉空氣對氧氣的浮力)為3g/mol，每個O2顆粒的相對質量為0.0469X3/1000=1.407 X 10? ;為了氧在遺煤層裡充分擴散，設氧顆粒半徑Icfc=0.0001m，則球的密度=1.407X 10-4/(U^2) =4.48kg/m3。
7.根據權利要求4所述的模擬方法，其特徵在於，所述模擬氧氣在遺煤層內的流動情況是通過FISH實現的，以通過採空區的進氣口與出氣口兩點，構造採空區內的二次拋物線，模擬氣流在採空區的運動軌跡，從而為氧顆粒施加速度矢量；同時為模擬氣流帶走煤層熱量的現象，與速度矢量成正比的減小氣流經過區域煤顆粒的溫度值，實現上述模擬。
8.根據權利要求4所述的模擬方法，其特徵在於，所述的煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧的過程，煤顆粒與氧顆粒反應消耗氧是通過FISH實現的，在這個過程中由於反應，假設煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小於等於時，發生反應並放出熱量；刪除氧顆粒後導致局部氧濃度降低，促使氧顆粒產生運動。
【文檔編號】G01N33/22GK103675227SQ201310641434
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】陳善樂, 汪華君, 崔鐵軍, 陳亮 申請人:陳善樂