一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其步驟：設(shè)置靜坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型；利用經(jīng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型及采空區(qū)動(dòng)態(tài)移動(dòng)特點(diǎn)，引入移動(dòng)坐標(biāo)系建立移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型；在移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)貨模型基礎(chǔ)上獲得無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型；根據(jù)無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型獲取自燃預(yù)測(cè)準(zhǔn)則：耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則；求出耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則的取值范圍，并利用無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型對(duì)兩準(zhǔn)則取值范圍內(nèi)的不同取值組合進(jìn)行自燃情況模擬，將模擬得到的采空區(qū)最高溫度繪制成曲線得到采空區(qū)自燃判別圖，完成對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)。本發(fā)明可廣泛用于礦井生產(chǎn)中采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)工作中。
【專利說(shuō)明】
一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤礦采空區(qū)自燃預(yù)測(cè)方法，特別是關(guān)于一種煤礦采空區(qū)自燃預(yù)測(cè) 領(lǐng)域中的采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，采空區(qū)自然發(fā)火一直是我國(guó)煤礦的主要災(zāi)害之一，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技 的進(jìn)步，采空區(qū)煤炭自燃預(yù)測(cè)的方法也越來(lái)越多。目前，采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)方法主要有： 測(cè)溫法、氣體分析法、數(shù)值模擬法等。測(cè)溫法比較直觀，受外界因素影響小，但是對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 的要求很高，特別是傳感器的選擇，這就必然要增加經(jīng)濟(jì)成本，而且不排除出現(xiàn)誤報(bào)的可 能。氣體分析法，由于不同礦井，不同煤質(zhì)也會(huì)有所不同，這給指標(biāo)氣體的選擇和量化帶來(lái) 一定的困難。數(shù)值模擬法，具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行采空區(qū)自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的常用方法之 一?，F(xiàn)有方法主要存在以下兩方面問(wèn)題:一是這些模型均是在靜坐標(biāo)下建立的，在考慮工作 面推進(jìn)的情況時(shí)，雖然建立了數(shù)學(xué)模型，但由于采煤工作面移動(dòng)，數(shù)學(xué)模型必然是移動(dòng)邊界 條件下的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因而過(guò)于復(fù)雜，以至不能對(duì)模型求解，或者提出大量假設(shè)對(duì)模型 進(jìn)行化簡(jiǎn)，使得解算結(jié)果與實(shí)際情況相差太大。二是在沒(méi)有對(duì)模型中各個(gè)物理量及其之間 的關(guān)系進(jìn)行分析的前提下直接利用數(shù)值方法求解模型，固然該方法可用以解算采空區(qū)的溫 度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)等相關(guān)數(shù)值，但它只能針對(duì)某個(gè)具體的采場(chǎng)空間，不能分析各個(gè)影響因素之 間的相互關(guān)系以及它們對(duì)自燃過(guò)程的影響，因此無(wú)法得到科學(xué)的判別自然發(fā)火指標(biāo)。
[0003] 從以上列舉的幾種方法可以看出，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，完善這些方 法，使之成為準(zhǔn)確、實(shí)用的預(yù)測(cè)方法迫在眉睫。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種更準(zhǔn)確、實(shí)用的采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè) 方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其 特征在于，該預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:1)設(shè)置靜坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型;2)利用經(jīng)坐標(biāo) 下采空區(qū)自然發(fā)火模型及采空區(qū)動(dòng)態(tài)移動(dòng)特點(diǎn)，引入移動(dòng)坐標(biāo)系建立移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自 然發(fā)火模型;3)在移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)貨模型基礎(chǔ)上獲得無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模 型;4)根據(jù)無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型獲取自燃預(yù)測(cè)準(zhǔn)則:耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則;5)求出 耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則的取值范圍，并利用無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型對(duì)兩準(zhǔn)則取值范圍 內(nèi)的不同取值組合進(jìn)行自燃情況模擬，將模擬得到的采空區(qū)最高溫度繪制成曲線得到采空 區(qū)自燃判別圖，完成對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)。
[0006] 優(yōu)選地，所述步驟1)中，流場(chǎng)模型及邊界條件：
[0007]
[0008]
[0009] 式中，Kx為采空區(qū)內(nèi)浮煤的滲透系數(shù)，單位為m/s;p為空氣靜壓和速壓之和，單位 為Pa; Pg為采空區(qū)內(nèi)空氣的密度，單位為kg/m3; Po為采空區(qū)工作面空氣的密度，單位為kg/ m3;g為重力加速度，單位為m/s2;a為煤層的傾角;η為采空區(qū)內(nèi)的空隙率;τ為時(shí)間，單位為 s; vx、vy分別為沿X方向和y方向的滲流速度，單位為m/s; Γ^、Γ2、Γ3、Γ4為采空區(qū)邊界，其中 為沿工作面切頂線側(cè)，Γ2為采空區(qū)上部邊界，Γ3為采空區(qū)下部邊界，Γ4為采空區(qū)深部 邊界;P (X，y)為沿r i邊界上的風(fēng)壓函數(shù)，單位為Pa。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1)中，氧濃度場(chǎng)模型及邊界條件：
[0011]
[0012]
[0013] 式中，C為氧氣濃度，單位為mol/m3; d( 〇2)為氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/ s;u(t)為松散煤體內(nèi)的氧氣消耗速，單位為mol/(s · m3) ;c(x，y)S Γ :邊界下部的氧氣濃度 函數(shù)，將Γ :邊界分成上部Γ ls、下部Γ lx兩部分。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟1)中，溫度場(chǎng)模型及邊界條件：
[0015]
[0016]
[0017]式中，PeCFa-rOPsCs+nPgCwP^PhPj別為松散煤體、固體和氣體的密度，單位 為kg/m3;Ce、Cs、匕分別為松散煤體、固體、氣體的熱容，單位為kJ/(kg · K);Ae = (I-n)As+n Ag入、\義分別為松散煤體、固體、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為kj/(m· s ·Κ);?為溫度，K;q (t)為單位時(shí)間、單位體積內(nèi)固體顆粒的放熱量，單位為kJ/(mol · 部的溫度函數(shù)，單位為κ; r5~r1Q為假想的溫度場(chǎng)邊界。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟3)中，流場(chǎng)模型的無(wú)因次判別:設(shè)回采工作面長(zhǎng)度L為定型尺寸， 工作面兩端的壓力差Δρο,其中回風(fēng)側(cè)的壓力為PQ，工作面的推進(jìn)速度VQ，進(jìn)風(fēng)流中的空氣 密度PQ為基準(zhǔn)密度，采空區(qū)的滲透系數(shù)為K x = Kof (V )，其中Ko的量綱與速度的量綱相同，故 取Ko為基準(zhǔn)速度；
[0019] 在對(duì)移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自燃流場(chǎng)模型引入以下無(wú)因次準(zhǔn)數(shù):無(wú)因次坐標(biāo)準(zhǔn)數(shù)：
;無(wú)因次壓力準(zhǔn)數(shù)：
：無(wú)因次密度準(zhǔn)數(shù)
無(wú)因次風(fēng)速 準(zhǔn)數(shù)
6因次壓力常數(shù)準(zhǔn)數(shù)：
[0020] 優(yōu)選地，所述步驟3)中，氧濃度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別:設(shè)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流中的氧氣濃 度CQ為基準(zhǔn)氧濃度，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流溫度為t〇，煤升溫氧化的臨界溫度為tc，△ tc = tc 一 t〇 ;在
對(duì)采空區(qū)自燃氧濃度場(chǎng)模型定義如下無(wú)因次準(zhǔn)數(shù):無(wú)因次氧氣濃度準(zhǔn)數(shù)= 無(wú)因次 溫度準(zhǔn)數(shù)
無(wú)因次氧氣擴(kuò)散系數(shù)準(zhǔn)數(shù)： ￡因次耗氧速度系
~ a ~U c 數(shù)a準(zhǔn)數(shù)
；無(wú)因次耗氧速度系數(shù)b準(zhǔn)婁
[0021 ]優(yōu)選地，所述步驟3)中，溫度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別:設(shè)松散煤體的導(dǎo)溫系數(shù)
(Pe3Q3)Aag = W(PgCg);在對(duì)采空區(qū)自燃溫度場(chǎng)模型再定義如下的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù):采空區(qū)浮 煤的傅立葉數(shù)準(zhǔn)數(shù)：
：;熱容比準(zhǔn)數(shù)
無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)e準(zhǔn)數(shù)：
;無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)f準(zhǔn)數(shù)：
；無(wú)因次工作面推進(jìn)速度 準(zhǔn)數(shù)：
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟4)中，耗氧準(zhǔn)則Ro為：
[0023]
[0024]式中，MaS無(wú)因次耗氧速度系數(shù)a準(zhǔn)數(shù);L為回采工作面長(zhǎng)度；Atc = tc - tQ，tQ為采 空區(qū)進(jìn)風(fēng)流溫度，t。為煤升溫氧化的臨界溫度;kb為與煤的比表面積有關(guān)的系數(shù);kh為與煤 的厚度有關(guān)的系數(shù);a為無(wú)因次耗氧速度系數(shù);Co為進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中的氧氣濃度;Ko為基準(zhǔn)速度。 [0025]優(yōu)選地，所述步驟4)中，放熱準(zhǔn)則Rt為：
[0026]
[0027]式中，E為無(wú)因次推進(jìn)速度;Fos為實(shí)煤的傅立葉數(shù);Ne為無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù);L為 回采工作面長(zhǎng)度;kb為與煤的比表面積有關(guān)的系數(shù);kh為與煤的厚度有關(guān)的系數(shù);e為無(wú)因次 放熱強(qiáng)度系數(shù);VQ為工作面的推進(jìn)速度；A = - to，to為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流溫度，為煤升溫 氧化的臨界溫度;Ce3為松散煤體的熱容，單位為kj/(kg · K); Pe3為松散煤體的密度，單位為 kg/m3。
[0028] 優(yōu)選地，所述步驟5)中，當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú)因次溫度達(dá)到或超過(guò)1時(shí)，采空區(qū)就有 自然發(fā)火危險(xiǎn)；當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú)因次溫度小于1時(shí)，采空區(qū)不具有自然發(fā)火危險(xiǎn)。
[0029] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明根據(jù)采空區(qū)動(dòng)態(tài)移動(dòng)的 特點(diǎn)，通過(guò)引入移動(dòng)坐標(biāo)系建立移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自然發(fā)火模型，簡(jiǎn)化了自然發(fā)火模型 求解，并對(duì)移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自然發(fā)火模型進(jìn)行無(wú)因次分析。依據(jù)對(duì)模型的分析選取回 采工作面長(zhǎng)度作為定型尺寸，選取基準(zhǔn)速度、基準(zhǔn)氧氣濃度和基準(zhǔn)溫度等參考值，由這些參 考值定義了無(wú)因次壓力、無(wú)因次氧擴(kuò)散系數(shù)、傅立葉準(zhǔn)數(shù)等無(wú)因次準(zhǔn)則。以這些無(wú)因次準(zhǔn)則 為基礎(chǔ)建立了移動(dòng)坐標(biāo)下無(wú)因次的采空區(qū)自然發(fā)火模型。通過(guò)分析影響采空區(qū)自然發(fā)火的 無(wú)因次參數(shù)，解算不同無(wú)因次組合下的采空區(qū)自然發(fā)火的情況，得到了采空區(qū)的最高溫度， 并繪制了采空區(qū)自然發(fā)火的判別曲線圖。對(duì)于一個(gè)具體的采空區(qū)，可以通過(guò)查圖方法來(lái)確 定它的自然發(fā)火可能性，該方法較為準(zhǔn)確、實(shí)用。本發(fā)明可廣泛用于礦井生產(chǎn)中采空區(qū)自然 發(fā)火的預(yù)測(cè)工作中。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明的采空區(qū)自然發(fā)火邊界示意圖；
[0031 ]圖2是本發(fā)明的采空區(qū)自燃判別示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0033] 本發(fā)明提供一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，該方法為查圖法，其包括以下步驟：
[0034] 1)設(shè)置靜坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型：
[0035] 1.1)流場(chǎng)模型及邊界條件：
[0036]
[0037]
[0038] 式中，Kx為采空區(qū)內(nèi)浮煤的滲透系數(shù)，單位為m/s;p為空氣靜壓和速壓之和(不包 括位壓），單位為Pa;p g*采空區(qū)內(nèi)空氣的密度，單位為kg/m3;Po為采空區(qū)工作面空氣的密 度，單位為kg/m 3;g為重力加速度，單位為m/s2;α為煤層的傾角;η為采空區(qū)內(nèi)的空隙率;τ為 時(shí)間，單位為s ;νχ、Vy分別為沿X方向和y方向的滲流速度，單位為m/s; Γ ^ Γ 2、Γ 3、Γ 4為采 空區(qū)邊界，其中為沿工作面切頂線側(cè)，Γ2為采空區(qū)上部邊界，Γ 3為采空區(qū)下部邊界，Γ 4 為采空區(qū)深部邊界;P(x，y)為沿Γ:邊界上的風(fēng)壓函數(shù)，單位為Pa。
[0039] 1.2)氧濃度場(chǎng)模型及邊界條件：
[0040]
⑶
[0041]
(4)
[0042] 式中，c為氧氣濃度，單位為mol/m3; d( 〇2)為氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/ s; u (t)為松散煤體內(nèi)的氧氣消耗速，單位為mo I /(s · m3 )，它是與溫度和氧氣濃度有關(guān)的函 數(shù)，通過(guò)煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)得，并用線性回歸成2段直線(分臨界溫度前和臨界溫度后）， 用 U(t)=Ckbkh(at+b)/CQ方程來(lái)表示，k b為與煤的比表面積有關(guān)的系數(shù)，kh為與煤的厚度有 關(guān)的系數(shù)，Co為進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中的氧氣濃度，a、b分別為回歸系數(shù);c(X，y)為Γ :邊界下部的氧氣 濃度函數(shù)，由于采空區(qū)1^邊界上一部分向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)，一部分是從采空區(qū)向外漏風(fēng)，所 以將Γ i邊界分成上部Γ ls、下部Γ lx兩部分，通過(guò)流場(chǎng)解算結(jié)果來(lái)判定上部Γ ls、下部Γ lx兩 部分，通過(guò)流場(chǎng)解算結(jié)果來(lái)判定上部、下部的分界。
[0043] 1.3)溫度場(chǎng)模型及邊界條件：
[0044]
[0045]
[0046] 式中，PeCeia-rOPsCs+nPgC^PhPhPg*別為松散煤體、固體和氣體的密度，單位 為kg/m3;C e、Cs、匕分別為松散煤體、固體、氣體的熱容，單位為kJ/(kg · K);Ae = (I-n)As+n Ag入、心入分別為松散煤體、固體、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為kj/(m · s · K) ;t為溫度，單位 為K;q(t)為單位時(shí)間、單位體積內(nèi)固體顆粒的放熱量，單位為kJ/(mol · s)，也是與溫度和 氧氣濃度有關(guān)的函數(shù)，通過(guò)煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)測(cè)得，并用線性回歸成2段直線（分臨界溫度 前和臨界溫度后），用q(t) = Ckbkh(et+f)/CQ方程來(lái)表示，e，f分別為回歸系數(shù)。t(x，y)S「r 邊界下部的溫度函數(shù)，κ; r5~r1Q為假想的溫度場(chǎng)邊界，考慮到熱量的傳遞不但在采空區(qū) 范圍內(nèi)進(jìn)行，還要與周圍圍巖換熱，所以假定了熱量傳遞的范圍（如圖1所示）。
[0047] 2)利用經(jīng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型及采空區(qū)動(dòng)態(tài)移動(dòng)特點(diǎn)，引入移動(dòng)坐標(biāo)系建 立移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型。
[0048] 引入動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系，/)，動(dòng)坐標(biāo)隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)，動(dòng)坐標(biāo)與靜坐標(biāo)(x，y)的 關(guān)系為：
[0049]
[0050] 式中，V為工作面平均推進(jìn)速度，m/s。
[0051 ]由式(7)可得：
[0052]
[0053] 式中，供為通用變量，可以代表壓力、溫度、氧氣濃度。
[0054]將式(8)代入式（1)、式(3)和式(5)中并整理得移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學(xué) 模型為：
[0055] 2.1)流場(chǎng)模型：
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]在以上流場(chǎng)方程式(9)和氧濃度場(chǎng)方程式（10)中，由于回采工作面的推進(jìn)速度遠(yuǎn) 小于采空區(qū)內(nèi)的空氣流動(dòng)速度，故在兩個(gè)方程中舍去了涉及到工作面推進(jìn)速度的項(xiàng)。
[0062]相應(yīng)的3個(gè)邊界條件變?yōu)椋?br>[0063] 2.1)流場(chǎng)：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]
[0068]
[0069] 由此可知，由流場(chǎng)模型式(9)和式（12)、氧濃度場(chǎng)模型式（10)和式（13)以及溫度場(chǎng) 模型式(11)和式(14)共同組成了完整的移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型。
[0070] 3)在移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)貨模型基礎(chǔ)上獲得無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型： 依據(jù)對(duì)移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型，選取回采工作面長(zhǎng)度作為定型尺寸，選取基準(zhǔn)速 度、基準(zhǔn)氧氣濃度和基準(zhǔn)溫度等參考值，由這些參考值定義無(wú)因次壓力、無(wú)因次氧擴(kuò)散系數(shù) 以及傅立葉準(zhǔn)數(shù)等無(wú)因次準(zhǔn)則;再以這些無(wú)因次準(zhǔn)則為基礎(chǔ)建立無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃 模型。其具體過(guò)程如下：
[0071] 3.1)流場(chǎng)模型的無(wú)因次判別
[0072]設(shè)回采工作面長(zhǎng)度L為定型尺寸，工作面兩端的壓力差Δρο,其中回風(fēng)側(cè)的壓力為 PO，工作面的推進(jìn)速度VO，進(jìn)風(fēng)流中的空氣密度PO為基準(zhǔn)密度，采空區(qū)的滲透系數(shù)為Kx = Kof (V )，其中Ko的量綱與速度的量綱相同，故取Ko為基準(zhǔn)速度。
[0073] 對(duì)移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自燃流場(chǎng)模型式(9)引入以下無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)：
[0074] 無(wú)因次坐標(biāo)準(zhǔn)數(shù)：
[0075] 無(wú)因次壓力準(zhǔn)數(shù)
[0076] 無(wú)因次密度準(zhǔn)數(shù)
[0077] 無(wú)因次風(fēng)速準(zhǔn)數(shù) [0078]無(wú)因次壓力常數(shù)
[0079] 移動(dòng)坐標(biāo)下的流場(chǎng)模型式(9)和邊界條件式(12)用以上無(wú)因次量表示，得到：
[0080]
[0081]
[0082] 3.2)氧濃度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別
[0083]設(shè)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流中的氧氣濃度Co為基準(zhǔn)氧濃度，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流溫度為to,煤升溫氧 化的臨界溫度為tc，Atc； = t。一to。在對(duì)采空區(qū)自燃氧濃度場(chǎng)模型式（10)定義如下無(wú)因次準(zhǔn) 數(shù)：
[0084] 無(wú)因次氧氣濃度
[0085] 無(wú)因次溫度準(zhǔn)數(shù)
[0086] 無(wú)因次氧氣擴(kuò)散
[0087] 無(wú)因次耗氧速度
[0088] 無(wú)因次耗氧速度
[0089]將氧濃度場(chǎng)方程式(10)和邊界條件式(13)分別用以上無(wú)因次量表示，得到：
[0090]
[0091]
[0092] 3.3)溫度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別
[0093]設(shè)松散煤體的導(dǎo)溫系數(shù)ae = Ae/(peCe)，令ag = Ae/(pgCg)。在對(duì)采空區(qū)自燃溫度場(chǎng)模 型式(11)再定義如下的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)：
[0094] 采空區(qū)浮煤的傅立葉數(shù)準(zhǔn)數(shù)
[0095] 熱容比準(zhǔn)數(shù)：
[0096] 無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)e準(zhǔn)數(shù)：
[0097] 無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)f準(zhǔn)數(shù)：
[0098] 無(wú)因次工作面推進(jìn)速度準(zhǔn)數(shù)
[0099]將溫度場(chǎng)方程式(11)和邊界條件式(14)分別用以上無(wú)因次量表示，得到：
[0100]
[0101]
[0102] 通過(guò)以上分析，則無(wú)因次的流場(chǎng)模型式（15)和式（16)、無(wú)因次的氧濃度場(chǎng)模型式 (17)和式（18)以及無(wú)因次溫度場(chǎng)模型式（19)和式(20)共同組成了完整的無(wú)因次的通用采 空區(qū)自燃模型。
[0103] 4)根據(jù)無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型獲取自燃預(yù)測(cè)準(zhǔn)則，即耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn) 則。
[0104] 4.1)流場(chǎng)參數(shù)分析
[0105] 采空區(qū)流場(chǎng)模型主要影響到采空區(qū)內(nèi)供風(fēng)量大小，流場(chǎng)解算采空區(qū)壓力的目的是 為計(jì)算采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速大小，以便在解算采空區(qū)氧濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)時(shí)使用。從式（15)可以看 出，影響采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速大小的無(wú)因次參數(shù)有孔隙率分布函數(shù)f (XL)、無(wú)因次密度Ω、壓力常 數(shù)Ψ。在這三個(gè)參數(shù)中孔隙率分布變化不大，無(wú)因次密度主要是受采空區(qū)溫度變化影響，屬 于內(nèi)部因素。工作面的壓力常數(shù)Ψ與工作面兩端的壓差和工作面的長(zhǎng)度的比值有關(guān)，這個(gè) 比值的變化范圍不大，故流場(chǎng)模型內(nèi)的無(wú)因次量對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的影響不大。
[0106] 4.2)氧濃度場(chǎng)參數(shù)分析
[0107]從前面式（17)以看出影響氧氣濃度的無(wú)因次參數(shù)主要有無(wú)因次氧擴(kuò)散系數(shù)D、無(wú) 因次耗氧速度系數(shù)準(zhǔn)數(shù)1和無(wú)因次耗氧速度系數(shù)準(zhǔn)數(shù)Mb。在三個(gè)參數(shù)中無(wú)因次氧擴(kuò)散系數(shù)D 不變，而無(wú)因次耗氧速度系數(shù)Mb約等于0,所以影響采空區(qū)氧氣濃度的無(wú)因次參數(shù)主要是無(wú) 因次耗氧速度系數(shù)M a，稱之為耗氧準(zhǔn)則Ro，則
[0108]
(21)
[0109] 4.3)溫度場(chǎng)參數(shù)分析
[0110]從前面式（19)可以看出影響采空區(qū)內(nèi)溫度的無(wú)因次參數(shù)主要有無(wú)因次推進(jìn)速度 E、實(shí)煤的傅立葉數(shù)F〇s、無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)Ne、無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)Nf和熱容比α。在四個(gè) 參數(shù)中無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)N f約等于0,熱容比α變化不大，故影響采空區(qū)內(nèi)溫度的無(wú)因次 參數(shù)主要有無(wú)因次推進(jìn)速度E、實(shí)煤的傅立葉數(shù)Fos和無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)Ne。將E、F〇s和Ne 重新組合成新的無(wú)因次參數(shù)，稱為放熱準(zhǔn)則Rt，則
[0111]
(22)
[0112] 通過(guò)以上分析，把影響采空區(qū)自然發(fā)火的實(shí)際眾多物理參數(shù)歸結(jié)為兩個(gè)主要無(wú)因 次準(zhǔn)則，即耗氧準(zhǔn)則R0和放熱準(zhǔn)則Rt，這兩個(gè)準(zhǔn)則統(tǒng)稱為采空區(qū)自燃準(zhǔn)則。對(duì)于一個(gè)實(shí)際回 采工作面的采空區(qū)，由與采空區(qū)自燃準(zhǔn)則相關(guān)的實(shí)際物理量計(jì)算出采空區(qū)自燃準(zhǔn)則，再由 這些自燃準(zhǔn)則值的大小判斷出采空區(qū)的自然發(fā)火情況。
[0113] 5)求出耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則的取值范圍，并利用無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型對(duì) 兩準(zhǔn)則取值范圍內(nèi)的不同取值組合進(jìn)行自燃情況模擬，將模擬得到的采空區(qū)最高溫度繪制 成曲線得到采空區(qū)自燃判別圖。
[0114] 對(duì)于采空區(qū)自然發(fā)火的判斷可以采用現(xiàn)有采空區(qū)自然發(fā)火解算系統(tǒng)來(lái)得到采空 區(qū)內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，從而判斷自然發(fā)火情況。但這樣應(yīng)用有個(gè)不足，就是對(duì)每個(gè)應(yīng)用實(shí)例都 需要進(jìn)行解算，不但費(fèi)時(shí)，而且不方便。故本發(fā)明對(duì)各種情況下的采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)行解 算，將解算的結(jié)果繪制成圖。這樣對(duì)于一個(gè)具體的采空區(qū)，可以通過(guò)查圖方法來(lái)確定它的自 然發(fā)火可能性。
[0115] 分析影響采空區(qū)自然發(fā)火各物理量實(shí)際的取值范圍，得到采空區(qū)自燃準(zhǔn)則可能的 取值范圍。在自燃準(zhǔn)則的取值范圍內(nèi)按照它們對(duì)自然發(fā)火的影響不同分別取四個(gè)值。組合 兩個(gè)自燃準(zhǔn)則的不同取值分別進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火的模擬解算，得到不同準(zhǔn)則組合下采空 區(qū)的最高無(wú)因次溫度，并繪制成圖形。
[0116] 經(jīng)過(guò)分析采空區(qū)耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則的取值如表1所示。
[0117] 表1無(wú)因次準(zhǔn)則取值
[0119] 將表中的無(wú)因次數(shù)值組合分別進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火模擬解算得到它們的不同組 合下采空區(qū)最高無(wú)因次溫度，當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú)因次溫度達(dá)到或超過(guò)1時(shí)，采空區(qū)就有自然 發(fā)火危險(xiǎn)；當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú)因次溫度小于1時(shí)，采空區(qū)不具有自然發(fā)火危險(xiǎn)。將組合到的 最高無(wú)因次溫度繪制成圖（如圖2所示），圖中的橫坐標(biāo)為采空區(qū)自燃準(zhǔn)則的耗氧準(zhǔn)則Ro，圖 的縱坐標(biāo)為解算所得的采空區(qū)最高無(wú)因次溫度，用0 max表示。圖中的四條曲線分別為四個(gè)放 熱準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)不同Ro值所解算得采空區(qū)最高無(wú)因次溫度的連線。由于傅立葉數(shù)的間隔大致為 等比的，所以縱坐標(biāo)取為對(duì)數(shù)刻度。
[0120] 上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以 有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等 同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，該預(yù)測(cè)方法包括以下步驟： 1) 設(shè)置靜坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型； 2) 利用經(jīng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型及采空區(qū)動(dòng)態(tài)移動(dòng)特點(diǎn)，引入移動(dòng)坐標(biāo)系建立移 動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火模型； 3) 在移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)貨模型基礎(chǔ)上獲得無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型； 4) 根據(jù)無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型獲取自燃預(yù)測(cè)準(zhǔn)則:耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則； 5) 求出耗氧準(zhǔn)則和放熱準(zhǔn)則的取值范圍，并利用無(wú)因次的通用采空區(qū)自燃模型對(duì)兩準(zhǔn) 則取值范圍內(nèi)的不同取值組合進(jìn)行自燃情況模擬，將模擬得到的采空區(qū)最高溫度繪制成曲 線得到采空區(qū)自燃判別圖，完成對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟1)中， 流場(chǎng)模型及邊界條件：式中，Kx為采空區(qū)內(nèi)浮煤的滲透系數(shù)，單位為m/s; p為空氣靜壓和速壓之和，單位為Pa; Pg為采空區(qū)內(nèi)空氣的密度，單位為kg/m3; pq為采空區(qū)工作面空氣的密度，單位為kg/m3; g為 重力加速度，單位為m/s2;a為煤層的傾角;n為采空區(qū)內(nèi)的空隙率;t為時(shí)間，單位為s ; Vx、Vy 分別為沿X方向和y方向的滲流速度，單位為m/s; h、r2、r3、r4為采空區(qū)邊界，其中rd 沿工作面切頂線側(cè)，r2為采空區(qū)上部邊界，r3為采空區(qū)下部邊界，r4為采空區(qū)深部邊界;p (X，y)為沿邊界上的風(fēng)壓函數(shù)，單位為Pa。3. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟1)中， 氧濃度場(chǎng)模型及邊界條件：式中，c為氧氣濃度，單位為mol/m3; d(〇2)為氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s ; u (t)為松散煤體內(nèi)的氧氣消耗速，單位為mol/(s ? m3) ;c(x，y)為r :邊界下部的氧氣濃度函 數(shù)，將r i邊界分成上部r ls、下部r lx兩部分。4. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟1)中， 溫度場(chǎng)模型及邊界條件：式中，P' = (1 -n) psCs+npgCg; pe、ps、Pg分別為松散煤體、固體和氣體的密度，單位為kg/ m3; Ce、Cs、(^分別為松散煤體、固體、氣體的熱容，單位為kj/(kg ? K); = (1 -n)As+nAg入、 入s人分別為松散煤體、固體、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為kj/(m? s ?!〇;〖為溫度，K;q(t)為單 位時(shí)間、單位體積內(nèi)固體顆粒的放熱量，單位為kJ/(mol ? s);t(x，y)為「:邊界下部的溫度 函數(shù)，單位為K; r 5~r 1Q為假想的溫度場(chǎng)邊界。5. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟3)中， 流場(chǎng)模型的無(wú)因次判別：設(shè)回采工作面長(zhǎng)度L為定型尺寸，工作面兩端的壓力差A(yù) PQ，其中 回風(fēng)側(cè)的壓力為P〇,工作面的推進(jìn)速度進(jìn)風(fēng)流中的空氣密度P〇為基準(zhǔn)密度，采空區(qū)的滲 透系數(shù)為K^Kof^)，其中Ko的量綱與速度的量綱相同，故取Ko為基準(zhǔn)速度； 在對(duì)移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自燃流場(chǎng)模型引入以下無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)：無(wú)因次坐標(biāo)準(zhǔn)數(shù)：6. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟3)中， 氧濃度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別：設(shè)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流中的氧氣濃度co為基準(zhǔn)氧濃度，采空區(qū)進(jìn)風(fēng) 流溫度為to,煤升溫氧化的臨界溫度為t c，A tc = tc - to;在對(duì)采空區(qū)自燃氧濃度場(chǎng)模型定義 如下無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)： 無(wú)因次氧氣濃度準(zhǔn)數(shù)；無(wú)因次溫度準(zhǔn)數(shù)： ；無(wú)因次氧氣擴(kuò) 散系數(shù)準(zhǔn)數(shù)：；無(wú)因次耗氧速度系數(shù)a準(zhǔn)數(shù)：無(wú)因次耗氧速度系數(shù) b準(zhǔn)數(shù)7. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟3)中， 溫度場(chǎng)模型的無(wú)因次判別:設(shè)松散煤體的導(dǎo)溫系數(shù)a e = Ae/(peCe)，$ag = Ae/(pgCg);在對(duì)采 空區(qū)自燃溫度場(chǎng)模型再定義如下的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)： 采空區(qū)浮煤的傅立葉數(shù)準(zhǔn)數(shù)：；無(wú)因次放熱強(qiáng)度 系數(shù)e準(zhǔn)數(shù)；無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù)f準(zhǔn)數(shù)：無(wú)因次工作 面推進(jìn)速度準(zhǔn)數(shù)8. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟4)中， 耗氧準(zhǔn)則Ro為：式中，無(wú)因次耗氧速度系數(shù)a準(zhǔn)數(shù);L為回采工作面長(zhǎng)度；Atc = tc-to，t()為采空區(qū) 進(jìn)風(fēng)流溫度，t。為煤升溫氧化的臨界溫度;kb為與煤的比表面積有關(guān)的系數(shù);kh為與煤的厚 度有關(guān)的系數(shù);a為無(wú)因次耗氧速度系數(shù);co為進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中的氧氣濃度;Ko為基準(zhǔn)速度。9. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟4)中， 放熱準(zhǔn)則Rt為：式中，E為無(wú)因次推進(jìn)速度;F〇s為實(shí)煤的傅立葉數(shù);Ne為無(wú)因次放熱強(qiáng)度系數(shù);L為回采 工作面長(zhǎng)度;kb為與煤的比表面積有關(guān)的系數(shù);kh為與煤的厚度有關(guān)的系數(shù);e為無(wú)因次放熱 強(qiáng)度系數(shù);vo為工作面的推進(jìn)速度；A tc = tc -to，to為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)流溫度，為煤升溫氧化 的臨界溫度;Ce為松散煤體的熱容，單位為kj/(kg ? K) ;pe為松散煤體的密度，單位為kg/m3。10. 如權(quán)利要求1所述的一種采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述步驟5)中， 當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú)因次溫度達(dá)到或超過(guò)1時(shí)，采空區(qū)就有自然發(fā)火危險(xiǎn)；當(dāng)采空區(qū)的最高無(wú) 因次溫度小于1時(shí)，采空區(qū)不具有自然發(fā)火危險(xiǎn)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK106055880SQ201610351586
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】朱建芳, 秦躍平, 郭文杰, 王曄, 段嘉敏, 馬輝
【申請(qǐng)人】華北科技學(xué)院