停采状态下采空区自然发火模拟方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种停采状态下采空区自然发火模拟方法及应用，其中，停采状态下采空区自然发火模拟方法，包括以下步骤：1)建立停采状态下采空区自然发火多场耦合数学模型，并确定其边界条件；2)编制停采状态下采空区自然发火多场耦合数学模型求解程序；3)数值模拟获取各物理场的动态演化结果；4)根据各物理场的动态演化结果，确定高氧浓度区以及高温区域，判断采空区是否存在自然发火危险。本发明专利技术所述的停采状态下采空区自然发火模拟方法，可以提高停采期间采空区自然发火预报的准确性和可靠性，对于采空区火灾防治具有积极意义。

【技术实现步骤摘要】
停采状态下采空区自然发火模拟方法及应用
本专利技术属于煤矿采空区自然发火预测及防治
，尤其是涉及一种停采状态下采空区自然发火模拟方法及应用。
技术介绍
煤矿火灾一直是威胁井下安全生产的重大矿山灾害之一，而采空区煤炭自燃则是造成大部分矿井火灾的主要原因。由于采空区过大，并且地质条件极为复杂，氧浓度、温度等自燃指标不能直接测量，难以实施实时的监测，从而难以准确预测采空区煤自燃的具体位置。此外，在停采状态下，采空区也极易发生自燃现象，而目前关于停采状态下的预测采空区自然发火的有效方法少之又少。为了有效地预测停采状态下采空区自然发火变化规律，从而降低矿井危害，提出一种新的停采状态下的采空区自然发火模拟方法是具有重要的现实意义的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种停采状态下采空区自然发火模拟方法，以提高停采期间采空区自然发火预报的准确性和可靠性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：停采状态下采空区自然发火模拟方法，包括以下步骤：1)建立停采状态下采空区自然发火的流场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场多场耦合数学模型，并确定其边界条件；2)编制停采状态下采空区自然发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：1)建立停采状态下采空区自然发火的流场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场多场耦合数学模型，并确定其边界条件；2)编制停采状态下采空区自然发火多场耦合数学模型求解程序；3)数值模拟获取各物理场的动态演化结果；4)根据各物理场的动态演化结果，确定高氧浓度区以及高温区域，判断采空区是否存在自然发火危险。

【技术特征摘要】
1.停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：1)建立停采状态下采空区自然发火的流场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场多场耦合数学模型，并确定其边界条件；2)编制停采状态下采空区自然发火多场耦合数学模型求解程序；3)数值模拟获取各物理场的动态演化结果；4)根据各物理场的动态演化结果，确定高氧浓度区以及高温区域，判断采空区是否存在自然发火危险。2.根据权利要求1所述的停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：步骤1)中，流场模型为式(1)：边界条件为：式中：V为流场中任一控制体的体积；S为流场中任一控制体的面积；ε0为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；ρg为空气密度，单位为kg/m3；τ为时间，单位为s；vg空气渗流速度，单位为m/s；为单位法线向量；为空气的渗流速度的矢量形式，单位为m/s；K为渗透系数，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s2；P为工作面总压差，单位为Pa；ρ0为标况下的空气密度，单位为kg/m3；T0为标况下的温度，单位为℃；Tg为气体的温度，单位为℃；P(x,y,z)是沿工作面的气压函数；Г1为靠近工作面的边界，属于对流换热边界；Г2、Г3为上下两行煤柱，Г4为采空区深部边界，Г5为顶板边界，Г6为底板边界。3.根据权利要求1所述的停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：步骤1)中，氧浓度场的模型为式(2)：边界条件为：式中：V为氧浓度场中任一控制体的体积；S为氧浓度场中任一控制体的面积；D为氧浓度场中任一控制体的封闭曲面；ε0为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；τ为时间，单位为s；Co2为氧气的摩尔浓度，单位为mol/m3；vg为空气渗流速度，单位为m/s；为单位法线向量；k0为氧气扩散系数，单位为m；Cx为采空区某个位置的氧气浓度，单位为mol/m3；C0为新鲜风流中的氧气浓度，单位为mol/m3；kh为遗煤厚度影响系数；kb为遗煤粒径影响系数；u(T)为遗煤在T℃下的标准耗氧速率，单位为mol/(m3·s)；C(x,y,z)是沿工作面的氧浓度函数；Γ1-in代表边界Γ1中从工作面吸入空气量流入采空区的部分，Г1为靠近工作面的边界，属于对流换热边界；Г2、Г3为上下两行煤柱，Г4为采空区深部边界，Г5为顶板边界，Г6为底板边界。4.根据权利要求1所述的停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：步骤1)中，固体温度场的模型为式(3)：边界条件为：式中：V为固体温度场中任一控制体的体积；D为固体温度场中任一控制体的封闭曲面；ε0为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；ρs为固体颗粒的密度，单位为kg/m3；Cs为固体颗粒的比热容，单位为J/(kg·℃)；Ts为固体颗粒的温度，单位为℃；τ为时间，单位为s；λs为固体颗粒的导热系数，单位为W/(m·℃)；为单位法线向量；Ke为对流换热系数，单位为W/(m2·℃)；Se为表面积和体积的比值，单位为1/m；Tg为气体的温度，单位为℃；Cx为采空区某个位置的氧气浓度，单位为mol/m3；C0为新鲜风流中的氧气浓度，单位为mol/m3；kh为遗煤厚度影响系数；kb为遗煤粒径影响系数；q(T)为遗煤氧化的标准放热速率，单位为W/m3；Г1为靠近工作面的边界，属于对流换热边界；Г4为采空区深部边界，Г5为顶板边界，Г6为底板边界，Г7、Г8为扩展边界。5.根据权利要求1所述的停采状态下采空区自然发火模拟方法，其特征在于：式(3)中，以停采前工作面的平均推进速度带入式(4)中所计算出的温度作为初始温度：边界条件为：式(4)中：V为固体温度场中任一控制体的体积；D为固体温度场中任一控制体的封闭曲面；ε0为采空区内浮煤孔隙率，单位为％；λs为固体颗粒的导热系数，单位为W/(m·℃)；Ts为固体颗粒的温度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，秦跃平，洪文杰，李越，郭丹丹，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11