地質條件和地表風對煤火蔓延特征的影響研究

王海燕 徐祚卉 張敏敏 劉振乾 高瑞浩

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

中國北方煤田每年因自燃燒失大量的煤炭資源，危害煤礦安全生產，造成巨大經濟損失。自燃既是煤礦防火的治理重點，也是火災的重要研究方向。孫寶亮對攀枝花大寶鼎4號露頭煤層進行煤自燃數值模擬，得出露頭與井口均漏風和只有露頭漏風情況下各溫度、濃度、流場，以及不同漏風速度下煤自燃的發展規律；邸建友通過模擬煤層自燃，得出自然發火期與風速及礦井深度變化的規律；王文才等對不同條件下的煤田露頭火區進行模擬，得出了進風通道風速和孔隙率對火區的影響；張培等對煤層露頭火區自然通風系統特征以及風流運動規律分析，得出煤田露頭火區風流運動基本方程，并通過模擬得出露頭火區風流運動規律；于濤等對不同煤層埋藏深度、孔隙率及滲透率的煤田露頭火區進行模擬，得出了多孔介質速度場、溫度場變化規律；徐佳對汝箕溝煤田上一火區進行數值模擬，得出不同火源溫度和入口風速下火區氧濃度場、溫度場及漏風流場變化規律；肖旸對烏達煤田火區進行數值模擬，得出煤田火區上覆巖層監測點溫度場和應力場隨時間的變化規律，以及火區煤巖體氧濃度、滲流速度場和壓力場的分布。上述研究成果對豐富煤自燃理論及滿足火區治理實踐發揮了重要作用，但是針對外部環境對煤層自燃中的熱作用深度研究還比較少，本文主要研究煤自燃的蔓延特性，并從蔓延深度研究外部環境對煤層自燃的影響，為盡早發現火災、查明火源位置及其范圍、熄滅火區奠定堅實基礎。

1 模型建立及參數設定

1.1 研究對象

新疆某煤田火區由于新構造運動作用，煤層露出地表與空氣氧化作用引起煤炭自燃?；饏^燃燒劇烈，地表發育成排裂隙，地面冒青煙，局部有明火。該火區地形屬中低山及丘陵地形，地層平緩，傾角10°～65°，含主要煤層三層，平均總厚度24.44 m?？刹擅簩佣?，平均可采厚度22.15 m，主要可燃煤層平均總厚度18.95 m，屬于特厚煤層，含灰分平均12.30%，揮發分44.94%，硫分0.734%，發熱量31.2 MJ/kg。煤質大多屬于長焰煤及不粘煤，具有較易自燃、煙濃、火焰略長、白灰等特點?；饏^屬大陸性氣候，春秋為風季，風向以西北風為主。

1.2 煤層自燃的物理模型及模擬參數

該火區有平原、山地兩種地形，根據新疆示范火區地形資料，將山地區含煤山體簡化為一個等腰梯形，山底寬290 m、高70 m、煤層厚20 m，并假設該梯形沿走向長度足夠長。將平原區含煤山體簡化為坡度統一0°、寬290 m、高70 m、地表以上大氣高80 m的幾何體。

本文主要研究煤層傾角、地形地貌及地表風向、風速對煤火高溫區蔓延的影響。設定模擬工況及主要參數見表1。根據新疆主要火區所在地區風速，確定地表模擬風速為2.1 m/s、4 m/s、8 m/s 3種狀態。該火區地質報告顯示，火區內無大的裂隙和斷層，故煤層取單一孔隙率0.1，巖層取單一孔隙率0.05?；饏^內有開采歷史，因此采空區漏風簡化為一條漏風通道，漏風速度取0.01 m/s。初始火區半徑3 m，火區中心半徑1 m區域溫度1500 K，向外溫度遞減，最外圍溫度500 K，自燃初始位置距露頭側20 m，地表大氣壓為101.325 kPa(1個標準大氣壓)。

表1 模擬工況及主要參數

2 模擬結果及分析

2.1 煤層傾角對于火區蔓延的影響

為研究煤層傾角對露頭煤火發展動態的影響差異，模擬煤層露頭山體坡度45°，煤層厚20 m，煤層傾角分別設定為7°、13°、30°、51° 4種情況。煤層和露頭區域均為多孔介質，地表風速2.1 m/s，底端存在采空區輕微漏風，漏風速度0.01 m/s，煤火高溫區域溫度為500～1500 K。模擬結果如圖1和圖2所示。

高溫區由于受到露頭散熱的影響，在露頭一側溫度梯度較大；傾角較小時，高溫區沿傾向向露頭蔓延速度較快；隨著傾角增大，高溫區向露頭蔓延的速度減緩。這主要是由于火風壓的作用使得高溫煙流流向上方，預熱上方途經地區，而煤層傾角越陡，煙流流過預熱煤炭的范圍越大，加上熱氣有上行的特性，進而使燃燒區域上方的露頭內滲流速度場發生改變，從而有利于傳熱和供氧。高溫區的這種變化趨勢說明煤層傾角大小對推動自燃的火風壓有影響，傾角越大，火風壓越大。結果與國內部分學者關于煤田露頭自燃火風壓變化特點結論一致。

隨著自燃時間的進行，露頭煤火高溫區域將逐漸向煤層內部蔓延，但到達一定深度后，高溫區將不再向更深部位蔓延。不同傾角下高溫區沿傾向向煤層深部的極限蔓延深度呈現出隨煤層傾角加大高溫區極限蔓延深度降低的現象。產生這種變化規律的原因，除受選擇幾何模型建立時差異性的影響，還受傳熱與氧氣供應、滲流難易的聯合影響。煤層傾角大，主要熱量向露頭方向傳遞，熱量向深部傳遞變難，新鮮空氣通過煤巖向內部滲流供氧能力將受限。

圖1 自燃高溫區隨煤層傾角變化時的溫度場及速度場變化

2.2 地形地貌對火區蔓延的影響

火區蔓延主要考慮地形山體坡度以及山丘和平原兩類地形對火區高溫區的影響。本文模擬煤層傾角30°，煤層厚20 m，地表大氣風速2.1 m/s，下部存在采空區漏風風速0.01 m/s，地表大氣壓力為101.325 kPa(1個標準大氣壓)，山體坡度分別設定為0°、30°、45° 3種。模擬結果如圖3所示。

露頭坡度對火區蔓延的影響特征為：坡度越陡，高溫區向煤層深部的蔓延速度越快。這是因為山體坡度越大，越有利于空氣向多孔介質中的煤層滲流。在傾斜的山坡，自然風壓是導致空氣對流的主要驅動力，山坡越陡，自然風壓越大，使更多的空氣流入坡度較陡的山體，影響空氣在露頭及煤層內的滲流速度，進而增加煤層中供氧量，最終對煤田火區的蔓延產生影響。

圖2 自燃高溫區的蔓延距離隨傾角的變化曲線

根據模擬結果，提取高溫區域沿煤層傾向向深部蔓延的距離，如圖4所示。其結果同樣表明山體陡峭的煤層露頭利于煤火高溫區向深部蔓延?？傮w上看，山體坡度增加，自燃高溫區沿煤層傾向向下蔓延距離增加。但隨著自燃時間的進行，高溫區將停止向下蔓延。

2.3 地表風對火區蔓延影響

地表風速的大小直接影響露頭煤層內的漏風速度和蔓延特性。模擬煤層露頭山體坡度30°，煤層厚20 m，煤層傾角13°，露頭在迎風側，存在采空區漏風，地表大氣壓力為101.325 kPa(1個標準大氣壓)。對于地表風向與露頭的相關性，選取坡度為30°，煤層厚20 m，煤層傾角為30°，地表大氣風速(分迎風和背風)2.1 m/s、4 m/s和8 m/s進行模擬。

不同風速下高溫區沿傾向的蔓延距離如圖5所示。由圖5可以看出，2.1 m/s、4 m/s和8 m/s 3種風速條件下高溫區沿煤層傾向向深部的極限蔓延深度分別為4.977 m、3.98 m和3.355 m，與之對應的，平均蔓延速度為0.13 m/h，0.14 m/h和0.23 m/h。說明高溫區的蔓延深度與外界風速大小呈反比。但風速高時，高溫區向深部蔓延速度會增加，直至達到極限蔓延深度。產生這種現象的原因是煤層露頭中的風流滲流具有兩面作用，既可為煤的氧化反應提供充足的氧氣，從而有利于自燃，但也會帶走煤氧化反應產生的熱量，導致蓄熱困難，從而降低反應速度。

圖3 不同坡度影響下的煤自燃高溫區溫度云圖

圖4 不同地形下的自燃高溫區蔓延距離

不同風向下露頭內溫度場和速度場分布如圖6所示。由圖6可以看出，迎風時，火區向內部蔓延的速度大于背風，且迎風露頭火區高溫區沿煤層傾向向深部蔓延的極限距離和熱作用深度也高于背風側露頭。主要原因是迎風時地表風速對迎風坡產生風壓，提高了煤層深部的供氧速度和供氧范圍，有助于火區的發展，進而加快高溫區的遷移速度。

不同風向下高溫區蔓延距離散點圖見圖7。由圖7可知，迎風側高溫區蔓延深度達5.37 m，時間為40.77 h；背風側蔓延深度達4.39 m，時間為32.29 h。即迎風側高溫區向內部蔓延的深度大于背風側。地表風速對山坡產生風壓，造成山體內部與地表兩端的氣壓差，根據達西定律可知，多孔介質中的滲流速度與介質兩端的氣壓差呈正比，迎風側地表風壓大于背風側，其內部滲流速度大于背風側，將更多的氧氣帶入煤層深部，供氧量增加有助于火區深部燃燒反應的持續進行，且加快燃燒速率、擴大高溫區的范圍，因此使迎風側高溫區蔓延深度大于背風側。

圖5 不同風速下高溫區沿傾向的蔓延距離

圖6 不同風向下露頭內溫度場和速度場分布

圖7 不同風向下高溫區蔓延距離散點圖

3 結論

以新疆某煤田火區為背景，選取煤層傾角、地形地貌、地表風向為研究對象，建立物理模型，進行了實際煤田自燃的模擬分析。結果表明：高溫區沿傾向向露頭蔓延的速度隨著煤層傾角的增大而減??；高溫區蔓延極限深度隨著煤層傾角的增加而減小。平原地形火區高溫區最先到達露頭側；高溫區沿傾向向煤層內部蔓延的極限深度隨著山體坡度增加而增加。迎風側露頭高溫區面積稍大于背風側，且背風側高溫區主要向頂板處蔓延；露頭位于迎風側時高溫區沿傾向向煤層內部蔓延極限深度大于背風側。

煤田火區的發展和蔓延是國內乃至世界性的難點和亟需解決的問題之一。本研究結果尚需在未來的現場實踐和應用中進一步補充和提高，并進行一定成果的驗證，為我國大面積煤田火區預防和治理提供技術和理論支撐。

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