一種確定邊坡殘煤自燃溫場及燃深的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤炭工程，特別是涉及確定露天礦邊坡內(nèi)殘煤發(fā)生自燃時(shí)內(nèi)部溫度分布及燃空區(qū)深度。
【背景技術(shù)】
[0002]露天煤礦邊坡內(nèi)往往存在殘煤，由于儲量小，開采條件復(fù)雜，造成殘留。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全國統(tǒng)配煤礦與重點(diǎn)煤礦中的自燃發(fā)火的火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總次數(shù)的94%，其中采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃火災(zāi)次數(shù)又占總火災(zāi)次數(shù)的60%，是井下發(fā)火最嚴(yán)重的部位。而海州露天礦礦坑已經(jīng)測得有200余處發(fā)火點(diǎn)，主要發(fā)火點(diǎn)約有50處。從1953-2008年之間共發(fā)生了 80次滑坡，其中，由殘煤自燃誘發(fā)達(dá)29次，占34%?？梢妼埫鹤匀嫉难芯渴窍喈?dāng)必要的。
[0003]目前對露天礦邊坡的殘煤自燃研究較少。但實(shí)際上，邊坡自由面一定深度內(nèi)由于采動以形成非連續(xù)介質(zhì)；自燃造成巖體碎裂后形成裂隙，使氧氣隨之進(jìn)入巖體深部，有助于自燃的發(fā)展。考慮到這些因素使用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行這種模擬并不妥當(dāng)。
[0004]嘗試使用非連續(xù)的顆粒流理論(PFC3D)對殘煤自燃進(jìn)行模擬，模擬自燃過程中巖體破碎形成裂隙后，氧流經(jīng)過裂隙與煤層接觸促進(jìn)自燃的過程，從而得到邊坡內(nèi)溫度分布及燃空區(qū)發(fā)展情況。研究能為有邊坡殘煤自燃隱患的露天礦提供可能的燃空區(qū)范圍，進(jìn)而判斷邊坡的穩(wěn)定性。
[0005]顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動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(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)的相對運(yùn)動，計(jì)算彼此的接觸力。
[0006]顆粒流理論基于以下假設(shè):
[0007]I)顆粒單元為剛性體；
[0008]2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點(diǎn)接觸；
[0009]3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；
[0010]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?。?br>[0011]5)接觸處有特殊的連接強(qiáng)度；
[0012]6)顆粒單元為圓盤形。
[0013]顆粒流理論的接觸本構(gòu)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。
[0014]PFC3D (Particle Flow Code in3Dimens1ns)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)理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(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)展問題、以及顆粒的流動等大位移問題。在巖土體工程中可以用來研究結(jié)構(gòu)開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開采、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題。
[0015]PFC3D的熱模型可以模擬瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，由PFC3D顆粒組成的儲熱材料，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)通過連接儲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流。熱拉力的產(chǎn)生是通過修改材料顆粒的半徑實(shí)現(xiàn)的。
[0016]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。
[0017]PFC3D熱力模型中主要給定的方程如下:
[0018]連續(xù)介質(zhì)熱導(dǎo)方程如圖4所示公式(I)所示。
[0019]根據(jù)Fourier法則確定的連續(xù)介質(zhì)熱通量與溫度梯度的關(guān)系如圖5所示公式(2)所示。
[0020]溫度的改變量AT與顆粒半徑R的關(guān)系如圖6所示公式(3)所示。
[0021]顆粒連接的鍵(bond force vector)力矢量如圖7所示公式(4)所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]由于PFC3D建模的特殊性，結(jié)合實(shí)際觀測邊坡(砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖)自由面裂縫間隔一般在0.8m到1.2m之間，故將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.8?1.2m的正態(tài)分布。煤層根據(jù)實(shí)際調(diào)查的節(jié)理裂隙等特點(diǎn)將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.5?Im的正態(tài)分布。考慮到泥巖和砂質(zhì)頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自燃對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面。
[0023]氧流通道的形成與煤層自燃是相互促進(jìn)的。煤層在邊坡自由面露頭處與大氣接觸產(chǎn)生自燃，由于溫度的傳遞及氧氣的充足使自燃向煤層深處發(fā)展。如果認(rèn)為燃空區(qū)發(fā)展到邊坡內(nèi)一定深度因缺氧而停止是不對的。在上述工程實(shí)例中燃空區(qū)根據(jù)物探發(fā)展深度為150m?200m，遠(yuǎn)大于氧氣供應(yīng)深度。這是由于在煤層自燃過程中，煤燃燒體積減小造成上覆巖層失去支撐產(chǎn)生裂隙或斷裂。這些裂隙向上發(fā)展到邊坡自由面，使煤層與外界大氣環(huán)境形成聯(lián)通的氧流通道，使煤能繼續(xù)燃燒，進(jìn)而又促進(jìn)了氧流通道的形成。但是隨著燃空區(qū)的深入，巖體完整性和強(qiáng)度逐漸提高，形成的裂隙逐漸減少封閉了氧流通道，所以燃空區(qū)的發(fā)展應(yīng)該有一個(gè)最大深度。
[0024]為模擬煤層自燃的過程，要解決三個(gè)問題:1)將空氣中的氧按比例等效為顆粒；2)模擬氧氣在邊坡內(nèi)巖體裂隙中流動情況；3)煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧的過程。
[0025]由于巖體裂隙滲入氣體是空氣，而與煤反應(yīng)的氧氣應(yīng)按空氣的體積按比例設(shè)置。將空氣中的氧按比例等效為顆粒的過程:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Imol氣體=22.4L，所以lm3=44.64mol。O2 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顆粒濃度為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(gè)O2顆粒的相對質(zhì)量為1.407X10_4kg。為了氧在煤堆里充分?jǐn)U散，設(shè)氧顆粒半徑Rffi=0.0001m,則球的密度為4.48kg/m3。
[0026]模擬氧氣在裂隙中流動是通過FISH實(shí)現(xiàn)的，首先要確定可以容納氧氣流動的裂隙范圍。對于巖土模型而言，在初始地應(yīng)力場計(jì)算完成后，最大不平衡力達(dá)到設(shè)定值(10-5)，將單元速度和位移設(shè)為0，認(rèn)為巖土模型達(dá)到穩(wěn)定平衡，作為進(jìn)一步模擬的基礎(chǔ)。研究巖層裂隙范圍，首先明確破裂是由于位移產(chǎn)生的空隙造成的，所以應(yīng)根據(jù)模型中顆粒的位移情況判斷裂隙范圍，進(jìn)而確定形成氧流通道范圍，才能模擬氧的流動?；谏鲜隹紤]，設(shè)煤層自燃過程中模型相鄰顆粒位移差大于0.05m時(shí)認(rèn)為形成裂隙，這些空隙范圍組成了氧流通道，即在這些范圍內(nèi)設(shè)置氧氣顆粒。自燃接近結(jié)束時(shí)的邊坡內(nèi)顆粒位移(對于位移的模擬另文闡述)如圖2所示，圖中大面積的黑色箭頭代表符合條件位移矢量，這個(gè)區(qū)域就是氧顆粒設(shè)置的區(qū)域。
[0027]設(shè)氧在裂隙中的流動服從達(dá)西定律。將氧流動分解成豎直方向和水平方向，水平方向只考慮風(fēng)的作用，豎直方向考慮溫度變化產(chǎn)生的浮力和顆粒的重力。氧在裂隙中運(yùn)動是通過對流和擴(kuò)散使實(shí)現(xiàn)的。煤顆粒與氧顆粒反應(yīng)消耗氧是通過FISH實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)過程中由于反應(yīng)，按照一定條件刪除氧顆粒。假設(shè)煤顆粒與氧氣顆粒外表面距離小于等于R02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。
[0028]使用上述模型在PFC3D中模擬熱力耦合情況下的殘煤自燃后邊坡內(nèi)溫場分布。首先將煤層在坡腳露頭處附近設(shè)置煤的溫度為200°C，模擬煤在自燃情況下的自燃開始溫度，這個(gè)溫度產(chǎn)生的熱量使煤快速燃燒，自燃得以維持。在模擬過程中自燃使煤體積減少，促使上覆巖層產(chǎn)生裂隙，裂隙發(fā)展至邊坡自由面形成氧流通道，氧氣通過氧流通道深入煤層，維持煤的自燃，這個(gè)過程是相互促進(jìn)的。但是隨著煤自燃產(chǎn)生的燃空區(qū)深入，巖體的強(qiáng)度和完整性得到加強(qiáng)，自燃導(dǎo)致煤體積的缺失難以使上覆巖層中形成的裂隙發(fā)展到邊坡自由面(由于深部顆粒相對位移較小)構(gòu)成氧流通道，燃空區(qū)到達(dá)某深度后煤層自燃最終停止。
[0029]模擬自燃煤層燃空區(qū)發(fā)展過程中的溫場圖如圖3所示。與圖3(H)對應(yīng)的位移矢量圖如圖2所示。溫度分布區(qū)域的顏色代表的溫度為300K以下為白色，根據(jù)溫度的不同每隔30K灰度改變一次，480K以上灰度不改變；圖中的箭頭線段表示能量的流動，是矢量，長度表示能量的大小，方向表示能量傳遞的方向。
【附圖說明】
[0030]圖1模型示意圖。
[0031]圖2對應(yīng)于圖3-8的位移矢量圖。
[0032]圖3燃空區(qū)發(fā)展過程中的溫場圖，注:由于燃空區(qū)深度的發(fā)展，導(dǎo)致上述子圖的比例是不相同的。
[0033]圖4 公式(I)。
[0034]圖5 公式(2)。
[0035]圖6 公式(3)。
[0036]圖7 公式(4)。
[0037]圖8部分相關(guān)參數(shù)表。
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