]圖9 公式(5)。
[0039]圖10 公式(6)。
[0040]圖11 公式(7)。
[0041]圖12部分相關(guān)參數(shù)設(shè)置。
【具體實(shí)施方式】
[0042]海州露天煤礦，位于阜新車站東南3km處，在阜新市區(qū)南部太平區(qū)境內(nèi)。全礦占地26.82km2，其中，采場6km2，排土場及排矸廠14.8km2，工業(yè)廣場3.84km2，住宅及生活設(shè)施
2.18km2。露天煤田最大范圍為西端最大邊界為W9+50m，東端最大邊界為E29+50，東西長
3.9km ;南端最大邊界為S5+00m，北端最大邊界為N13+00m，南北寬L 8km。地表海拔標(biāo)高為+165?+200m，平均+175m。地勢東南高，西北低。露天礦設(shè)計開采深度為350m。
[0043]某邊坡水平(X方向)長271m,高(z方向)157m,地質(zhì)條件復(fù)雜,從上到下斜向分布著砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、煤層、泥巖和砂質(zhì)頁巖，傾角約為-15。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.Sm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?？紤]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。相關(guān)參數(shù)如圖8所示。
[0044]模型的邊界條件:給定煤層溫度邊界，參考海州露天礦實(shí)際情況，環(huán)境溫度為25°C。模型下部和右部為固定邊界。整個模型長(X方向)337m、高(z方向)207m，考慮到主要研究的是邊坡剖面，且只在豎直(z方向)受重力作用及顆粒直徑等因素，確定模型寬(y方向)為2.5m。模型示意如圖1所示。
[0045]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。分別如圖9所示公式(5)和圖10所示公式(6)所示。
[0046]氧在裂隙中運(yùn)動是通過對流和擴(kuò)散使實(shí)現(xiàn)的，氧的運(yùn)動方程如圖11所示公式(7)所示。
[0047]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Rffi時，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。
[0048]其他相關(guān)參數(shù)如圖12所示:
[0049]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。
[0050]如圖3所示，子圖3-1?3-8分別代表燃空深度大致為20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m。從模擬結(jié)果看，可將上述燃空區(qū)發(fā)展過程的邊坡內(nèi)溫場分布的變化劃分為三個階段。
[0051]第一階段為圖3-1?3-3，這階段的特點(diǎn)是溫度分布的等溫線是扇形分布的，燃空區(qū)范圍在60?70m。該階段由于距離邊坡自由面較近，煤層自燃形成了較多裂隙，氧流通道豐富，氧氣充足。3-1圖的扇形均勻，而3-3圖煤層下邊緣的等溫跨度大于自由面的等溫跨度，這是由于煤自燃，使燃空區(qū)深度增加造成的。這個階段溫度最高的區(qū)域在坡腳，最高溫度從300K到420K，變化較快。
[0052]第二階段為圖3-4?3-6，這階段的特點(diǎn)是溫度分布的等溫線由扇形分布向長方扇形分布過度，燃空區(qū)范圍在70?120m。該階段由于距離邊坡自由面距離增加，煤層自燃雖形成了較多裂隙，但由于巖層漸趨完整且應(yīng)力較大，使裂隙向上覆巖層發(fā)展開始出現(xiàn)困難，豎直方向的氧流通道逐漸被封堵，氧氣的供應(yīng)轉(zhuǎn)而借助于已燃燒區(qū)域形成的氧流通道，氧氣供應(yīng)量逐漸減少。從圖3-4?3-6邊坡自由面的等溫線跨度區(qū)域穩(wěn)定不變，等溫線的分布開始以煤層燃空區(qū)前端某一區(qū)域為中心長方扇形分布。這個區(qū)域就是處于快速燃燒階段的煤層區(qū)(下文用“O”區(qū)表示，即圖中480°C以上區(qū)域)，O區(qū)的前方和上方的等溫線跨度基本相同，后方的等溫線跨度增加了幾倍。這是由于處于深部的熱量難以以熱對流形式傳遞出去在O區(qū)積聚，同時O區(qū)煤燃燒釋放熱量，使O區(qū)的溫度在480K以上，這個階段最高溫度從420K到480K。
[0053]第三階段為圖3-7?3-8，繼承了上一階段的溫度分布特點(diǎn)，即以O(shè)區(qū)為中心的長方扇形等溫線分布。最后階段的3-8與3-7相比各等溫線的范圍在縮小，燃燒在逐漸停止。由于燃空區(qū)深度的增加，豎直方向的氧流通道以無法形成，氧氣流動完全靠已燃燒區(qū)域形成的氧流通道。氧氣通道的距離過長導(dǎo)致流動過程中氧與通道前端未燒盡煤反應(yīng)，使O區(qū)氧氣濃度降低，抑制該區(qū)煤的自燃，O區(qū)不斷減小，最終停止。這個階段的燃空區(qū)在120?170m，最終O區(qū)消失的位置深度約為165m。O區(qū)消失后，煤停止快速燃燒，主要熱源消失，熱量會通過熱交換和熱對流散失，最終達(dá)到平衡恢復(fù)原狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1.一種確定邊坡殘煤自燃溫場及燃深的方法，其特征在于，基于PFC3D作為模擬平臺借助其熱力耦合模型，以及前期對自燃造成邊坡破壞形成裂隙的情況，模擬了氧在裂隙中運(yùn)動并與煤層反應(yīng)且相互促進(jìn)發(fā)展的過程，從而得到了邊坡內(nèi)溫場及燃空區(qū)發(fā)展深度；使用極小顆粒模擬氧氣的流動及其與煤的反應(yīng)，并通過FISH實(shí)現(xiàn)該過程；其包括如下步驟:邊坡模型構(gòu)建，氧流通道的形成，殘煤自燃的細(xì)觀模型構(gòu)建，熱力模擬溫場結(jié)果；本發(fā)明可用于有一定規(guī)模的煤堆進(jìn)行自燃過程分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的邊坡模型構(gòu)建，其特征在于，采用PFC3D的熱力耦合模型處理煤顆粒之間及圍巖的熱力關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的邊坡模型構(gòu)建，其特征在于，顆粒半徑的確定，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.Sm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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的邊坡模型構(gòu)建，其特征在于，模型邊界的確定，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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧流通道的形成，其特征在于，氧流通道的形成機(jī)理，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；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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的殘煤自燃的細(xì)觀模型構(gòu)建，其特征在于，I)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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力模擬溫場結(jié)果，其特征在于，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，這個溫度產(chǎn)生的熱量使煤快速燃燒，自燃得以維持。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的邊坡內(nèi)溫場分布，其特征在于，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。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自燃過程，其特征在于，燃空區(qū)發(fā)展過中邊坡內(nèi)溫場分布的變化劃分為三個階段；第一階段燃空區(qū)范圍在60?70m，溫度從300K到420K，裂隙較多，氧氣充足；第二階段燃空區(qū)范圍在70?120m，溫度從420K到480K，裂隙減少，氧氣供應(yīng)量逐漸減少；第三階段燃空區(qū)在120?170m，溫度從高于480K到逐漸回落，裂隙形成困難，氧氣稀少。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定邊坡殘煤自燃溫場及燃深的方法，其特征在于，基于PFC3D作為模擬平臺借助其熱力耦合模型，以及前期對自燃造成邊坡破壞形成裂隙的情況，模擬了氧在裂隙中運(yùn)動并與煤層反應(yīng)且相互促進(jìn)發(fā)展的過程，從而得到了邊坡內(nèi)溫場及燃空區(qū)發(fā)展深度；使用極小顆粒模擬氧氣的流動及其與煤的反應(yīng)，并通過FISH實(shí)現(xiàn)該過程；其包括如下步驟：邊坡模型構(gòu)建，氧流通道的形成，殘煤自燃的細(xì)觀模型構(gòu)建，熱力模擬溫場結(jié)果；本發(fā)明可用于有一定規(guī)模的煤堆進(jìn)行自燃過程分析。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104794317
【申請?zhí)枴緾N201410018812
【發(fā)明人】孫寶志, 李建剛, 趙景昌, 崔鐵軍, 曹蘭柱
【申請人】遼寧工程技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2014年1月16日