关于煤田露头火区多孔介质渗流运动数值模拟的探索

作者：郑晓敏

研究煤田露头火区多孔介质的孑L隙率及渗透率的关系，有利于科学分析煤田露头火区燃烧过程和防治原理，对做好煤田火区防治工作，保护煤炭资源和生态环境具有重大的意义。

1  煤田露头火区多孔介质气体渗流形式的分析

    煤田露头由露头煤层自燃产生的塌陷形成塌陷“三带”，“三带”煤岩、土层的破碎构成了多处进风口和出风口。为了研究方便，本文根据相关理论进行合理简化，将煤田露头火区简化为一主要的进风口和出风口。即新鲜自然风流由进风口通过冒落带及其充填区构成的多孔介质通道，再经过塌陷裂隙带和弯曲下沉带的裂隙及孔隙，最终由出风口排到地表，其中部分气体由冒落带及其充填区的孔隙和裂隙渗入燃烧区，在火源区域与煤层发生氧化燃烧，随后燃烧的烟气沿岩层裂隙、孔隙逸出地表，其过程如图1所示。塌陷“三带”由于孔隙率和渗透率的差异，得到的是不连续的渗流形式，本文为研究孔隙率及渗透率的关系，将其非均匀区忽略，认为风流在塌陷“三带”渗流运动过程中是连续的。

    风流在煤田露头火区内可能存在两种流体，一种是煤自燃生成气体，另一种是外界进入的新鲜风流。且存在两种流体同时流动的情况，煤自燃生产的气体和新鲜风流一起在塌陷区“三带”中裂隙及孔隙形成的回风通道做渗流运动，从而形成了煤田露头火区通风系统。

2煤田露头火区多孔介质孔隙率与渗透率关系分析

    煤田露头火区多孔介质的孔隙率和渗透率是物性参数中重要的参数，也是影响风流在火区内渗流速度的重要因素之一。确定孑L隙率与渗透率的关系对研究煤田露头火区内渗流速度场、温度场分布规律及燃烧区火势大小变化规律提供一定的理论支持。本文主要介绍裂隙带与弯曲下沉带、冒落带及其充填区研究孔隙率与渗透率关系的结果。

    (1)在煤田露头火区塌陷“三带”中，裂隙带

与弯曲下沉带主要是由松散岩土及岩块构成的多孔介质组成的，根据试验得到的孑L隙率及渗透率关系曲线，孔隙率与渗透率关系函数基本符合幂函数：

式中：  K一一渗透率，m2；

        φ——孔隙率。

    (2)在煤田露头火区塌陷“三带”中，冒落带及其充填区的自燃产物为完全燃烧的余煤及破碎岩块组成的多孑L介质，新鲜空气和烟气主要以层流和分子扩散方式运动，根据相关渗透率研究成果，冒落带及其充填区孔隙率与渗透率关系可表示为：

式中：K o一一初始渗透率，取1×109m2。

3煤田露头火区数值模拟模型

    煤田露头煤层自燃过程是自主完成的，不同孔隙率与渗透率则对火区气体渗流运动及火灾形势有不同影响，进而影响露头煤层的燃烧。根据矿区火区地质资料，进行合理简化后建立物理模型，并根据相关资料对煤田露头火区作如下假设：

    (l)由于露头煤层燃烧使得地表塌陷，导致露头火区的进出口较多，本文将其合理简化为一个主要进风口和回风口；

    (2)假设气体在塌陷区“三带”多孔性介质中为稳定流动；

    (3)根据相关试验得假设气体在塌陷区多孔性介质中的运动为层流且线性运动；

    (4)不考虑液体影响，气体为理想气体；

    (5)假设煤田露头火区塌陷区“三带”中的裂隙带及弯曲下沉带为一整体且孔隙率和渗透率是不变的。

    根据桌子山煤田骆驼山矿区煤样及相关样本测得，其煤层塌陷区的孔隙率在0. 1～0.4之间。取孔隙率为0.2和0.4两种情况对煤田露头火区进行数值模拟。

    煤层塌陷区的孑L隙率在0.2和0.4时，由式(l)计算得裂隙带与弯曲下沉带对应的渗透率为5. 104×l0-1m2和4. 0832×l0-10m2；由式(2)计算得冒落带及其充填区对应的渗透率为5. 1867×10-11m2和7. 3767×l0-10m2.

    煤田露头煤层自燃时，假设煤氧化反应在区域块内进行，则煤岩露头自燃时3个区域的组分i 的渗流方程如下。

    露头煤层燃烧区内孔隙中渗流方程：

    煤田露头塌陷区冒落带及其充填区区内孔隙中渗流方程：

煤田露头塌陷区裂隙带及弯曲下沉带区内孔隙中渗流方程：

式中：ω——渗流气体的组分i的质量分数；

       P一一      压力，Pa；

       g一一重力加速度，N/kg;

       μ——动力粘性系数；

       ρ一一密度，kg/m3；

       y i——区域内孔隙中组分i与裂隙中组分i的交换量；

       S i——气体组分i的源项：

4煤田露头火区数值模拟结果及分析

    根据上述相关理论分别对两种孑L隙率进行数值模拟，并对两种孔隙率在煤层距露头地面燃烧区深度（埋藏深度）L为60 m和70 m位置处分布进行模拟，得到对应的煤田露头火区渗流速度和温度场分布规律如图2、3所示。

    通过图2火区渗流速度分布云图可以看出，煤田露头火区进、出风口的风速较高，且随着火区距煤层露头距离的增加，气体渗流速度逐渐减小；在靠近燃烧区时渗流速度几乎为0，此时气体主要以分子扩散运动方式进入火区。此外，在不同的煤层埋藏深度、不同孔隙率下，其渗流速度、分布范围不同。渗流速度随孔隙率增大而增加，渗流速度分布范围也随之增大，但随着煤层深度的加深，渗流速度会随之减小。对比图2中(a)、(b)或(c)、(d)可得在煤层相同埋藏深度时，不同孔隙率，气体在冒落带及其充填区和裂隙带、弯曲下沉带的渗流速度场分布不同。孔隙率与渗透率是影响气体在煤田露头火区渗流速度的主要因素，说明孔隙率越大在单位时间渗入燃烧区的氧气量增大。由此可以验证孔隙率与渗透率关系在不同塌陷地带的关系式也不相同，即在冒落带及其充填区孔隙率与渗透率的关系满足式(2);而在裂隙带及弯曲下沉带孔隙率与渗透率的关系式满足式(l)。这为研究煤田露头火区煤层燃烧速度、气体渗流速度的关系及煤田露头火区火灾治理提供了一些理论支持。

    由图3可以明显的看出在温度场分布范围由大到小排列顺序为图3(d)>(c)>(b)>(a)。从而看出在相同火源温度下不同孔隙率、不同煤层埋藏深度，温度场的分布影响范围不同，煤层火势也不同。由图3 (a)、(b)或(c)、(d)可知，孔隙率由0.2到o．4时高温范围明显变大。在入口风速不变的情况下孔隙率增大，温度场的分布范围也增大，说明了单位时间渗入燃烧区的氧气量增大，煤层的火势也增大。孔隙率增加，一方面增加了反应面积，直接加快化学反应；另一方面增强了高温气体与固体骨架间的对流换热面积，间接加快了化学反应。因此，孔隙率增加对煤自燃（燃烧）起到了促进作用。由此在煤田露头火区火灾治理时可以考虑在减小孔隙率方面做工作，如往塌陷区及滑体裂隙注浆封堵煤田露头火区原生裂隙和次生裂隙，从而减小塌陷的孔隙率和渗透率，进而减小或隔绝煤体与氧气的接触，实现灭火目的。

5结论

    (1)得到了煤田露头火区时气体渗流运动的主要影响因素关系。分析塌陷区孔隙率与渗透率关系式，确定孔隙率与渗透率关系在不同塌陷地带的关系式也不相同，即在裂隙带及弯曲下沉带和冒落带及其充填区的孔隙率及渗透率关系分别满足式(1)和(2)。

    (2)模拟结果表明，在不同的煤层埋藏深度、不同孔隙率下，其渗流速度、分布范围不同。渗流速度随孔隙率增大而增加，渗流速度分布范围也随之增大，但随着煤层埋藏深度的加深，渗流速度会随之减小。

(3)随着孔隙率的增大单位时间渗入燃烧区的氧气量增大，煤层燃烧火势也随之增大，由此在煤田露头火区火灾治理时可以考虑在减小孔隙率方面做工作，为煤田露头火区火灾治理提供技术路线。

5摘  要  

煤田露头煤层自燃使得煤田露头发生塌陷，为了合理地治理煤田露头火区，研究了影响煤田露头火区的重要参数，应用Fluent数值模拟软件针对不同煤层埋藏深度、孔隙率、渗透率进行了宏观数值模拟。得到了煤田露头多孔介质速度场、温度场变化规律，并根据孔隙率与渗透率对火区温度分布的变化规律提出治理方案。