煤田露頭火區多孔介質滲流運動的數值模擬研究

于 濤劉 曄毛肖杰

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，113122；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京市海淀區，100083；3.昆明理工大學，云南省昆明市，650093）

煤田露頭火區多孔介質滲流運動的數值模擬研究

于 濤1劉 曄2毛肖杰3

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧省沈陽市，113122；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京市海淀區，100083；3.昆明理工大學，云南省昆明市，650093）

煤田露頭煤層自燃使得煤田露頭發生塌陷，為了合理地治理煤田露頭火區，研究了影響煤田露頭火區的重要參數，應用Fluent數值模擬軟件針對不同煤層埋藏深度、孔隙率、滲透率進行了宏觀數值模擬。得到了煤田露頭多孔介質速度場、溫度場變化規律，并根據孔隙率與滲透率對火區溫度分布的變化規律提出治理方案。

煤田露頭火區 塌陷區 孔隙率 滲透率 數值模擬

煤田煤層露頭在自然通風的影響下發生自燃，隨著露頭煤層燃燒深度的加深，煤田火區地表塌陷。煤田露頭火區煤層燃燒后的塌陷區上覆巖層在垂直方向上產生冒落帶及其充填區、裂隙帶和彎曲下沉帶，“三帶”高度可按照巖層控制理論來確定。煤田露頭火區多孔介質的孔隙率及滲透率影響到火區的溫度場及滲流速度場分布規律，進而影響煤田露頭煤層自燃的結果。因此，研究煤田露頭火區多孔介質的孔隙率及滲透率的關系，有利于科學分析煤田露頭火區燃燒過程和防治原理，對做好煤田火區防治工作，保護煤炭資源和生態環境具有重大的意義。

1　煤田露頭火區多孔介質氣體滲流形式的分析

煤田露頭由露頭煤層自燃產生的塌陷形成塌陷“三帶”，“三帶”煤巖、土層的破碎構成了多處進風口和出風口。為了研究方便，本文根據相關理論進行合理簡化，將煤田露頭火區簡化為一主要的進風口和出風口。即新鮮自然風流由進風口通過冒落帶及其充填區構成的多孔介質通道，再經過塌陷裂隙帶和彎曲下沉帶的裂隙及孔隙，最終由出風口排到地表，其中部分氣體由冒落帶及其充填區的孔隙和裂隙滲入燃燒區，在火源區域與煤層發生氧化燃燒，隨后燃燒的煙氣沿巖層裂隙、孔隙逸出地表，其過程如圖1所示。塌陷 “三帶”由于孔隙率和滲透率的差異，得到的是不連續的滲流形式，本文為研究孔隙率及滲透率的關系，將其非均勻區忽略，認為風流在塌陷 “三帶”滲流運動過程中是連續的。

圖1　風流在煤田露頭火區滲流運動路線示意圖

風流在煤田露頭火區內可能存在兩種流體，一種是煤自燃生成氣體，另一種是外界進入的新鮮風流。且存在兩種流體同時流動的情況，煤自燃生產的氣體和新鮮風流一起在塌陷區 “三帶”中裂隙及孔隙形成的回風通道做滲流運動，從而形成了煤田露頭火區通風系統。

2　煤田露頭火區多孔介質孔隙率與滲透率關系分析

煤田露頭火區多孔介質的孔隙率和滲透率是物性參數中重要的參數，也是影響風流在火區內滲流速度的重要因素之一。確定孔隙率與滲透率的關系對研究煤田露頭火區內滲流速度場、溫度場分布規律及燃燒區火勢大小變化規律提供一定的理論支持。本文主要介紹裂隙帶與彎曲下沉帶、冒落帶及其充填區研究孔隙率與滲透率關系的結果。

（1）在煤田露頭火區塌陷 “三帶”中，裂隙帶與彎曲下沉帶主要是由松散巖土及巖塊構成的多孔介質組成的，根據試驗得到的孔隙率及滲透率關系曲線，孔隙率與滲透率關系函數基本符合冪函數：

式中：K——滲透率，m2；

φ——孔隙率。

（2）在煤田露頭火區塌陷 “三帶”中，冒落帶及其充填區的自燃產物為完全燃燒的余煤及破碎巖塊組成的多孔介質，新鮮空氣和煙氣主要以層流和分子擴散方式運動，根據相關滲透率研究成果，冒落帶及其充填區孔隙率與滲透率關系可表示為：

式中：K0——初始滲透率，取1×10-9m2。

3　煤田露頭火區數值模擬模型

煤田露頭煤層自燃過程是自主完成的，不同孔隙率與滲透率則對火區氣體滲流運動及火災形勢有不同影響，進而影響露頭煤層的燃燒。根據礦區火區地質資料，進行合理簡化后建立物理模型，并根據相關資料對煤田露頭火區作如下假設：

（1）由于露頭煤層燃燒使得地表塌陷，導致露頭火區的進出口較多，本文將其合理簡化為一個主要進風口和回風口；

（2）假設氣體在塌陷區 “三帶”多孔性介質中為穩定流動；

（3）根據相關試驗得假設氣體在塌陷區多孔性介質中的運動為層流且線性運動；

（4）不考慮液體影響，氣體為理想氣體；

（5）假設煤田露頭火區塌陷區 “三帶”中的裂隙帶及彎曲下沉帶為一整體且孔隙率和滲透率是不變的。

根據桌子山煤田駱駝山礦區煤樣及相關樣本測得，其煤層塌陷區的孔隙率在0.1～0.4之間。取孔隙率為0.2和0.4兩種情況對煤田露頭火區進行數值模擬。

煤層塌陷區的孔隙率在0.2和0.4時，由式（1）計算得裂隙帶與彎曲下沉帶對應的滲透率為5.104×10-11m2和4.0832×10-10m2；由式（2）計算得冒落帶及其充填區對應的滲透率為5.1867 ×10-11m2和7.3767×10-10m2。

煤田露頭煤層自燃時，假設煤氧化反應在區域塊內進行，則煤巖露頭自燃時3個區域的組分i的滲流方程如下。

露頭煤層燃燒區內孔隙中滲流方程：

煤田露頭塌陷區冒落帶及其充填區區內孔隙中滲流方程：

煤田露頭塌陷區裂隙帶及彎曲下沉帶區內孔隙中滲流方程：

式中：w——滲流氣體的組分i的質量分數；

P——壓力，Pa；

g——重力加速度，N/kg；

μ——動力粘性系數；

ρ——密度，kg/m3；

γi——區域內孔隙中組分i與裂隙中組分i的交換量；

Si——氣體組分i的源項。

4　煤田露頭火區數值模擬結果及分析

根據上述相關理論分別對兩種孔隙率進行數值模擬，并對兩種孔隙率在煤層距露頭地面燃燒區深度（埋藏深度）L為60 m和70 m位置處分布進行模擬，得到對應的煤田露頭火區滲流速度和溫度場分布規律如圖2、3所示。

圖2　煤田露頭火區滲流速度分布云圖

通過圖2火區滲流速度分布云圖可以看出，煤田露頭火區進、出風口的風速較高，且隨著火區距煤層露頭距離的增加，氣體滲流速度逐漸減小；在靠近燃燒區時滲流速度幾乎為0，此時氣體主要以分子擴散運動方式進入火區。此外，在不同的煤層埋藏深度、不同孔隙率下，其滲流速度、分布范圍不同。滲流速度隨孔隙率增大而增加，滲流速度分布范圍也隨之增大，但隨著煤層深度的加深，滲流速度會隨之減小。對比圖2中（a）、（b）或（c）、（d）可得在煤層相同埋藏深度時，不同孔隙率，氣體在冒落帶及其充填區和裂隙帶、彎曲下沉帶的滲流速度場分布不同。孔隙率與滲透率是影響氣體在煤田露頭火區滲流速度的主要因素，說明孔隙率越大在單位時間滲入燃燒區的氧氣量增大。由此可以驗證孔隙率與滲透率關系在不同塌陷地帶的關系式也不相同，即在冒落帶及其充填區孔隙率與滲透率的關系滿足式（2）；而在裂隙帶及彎曲下沉帶孔隙率與滲透率的關系式滿足式（1）。這為研究煤田露頭火區煤層燃燒速度、氣體滲流速度的關系及煤田露頭火區火災治理提供了一些理論支持。

由圖3可以明顯的看出在溫度場分布范圍由大到小排列順序為圖3（d）＞（c）＞（b）＞（a）。從而看出在相同火源溫度下不同孔隙率、不同煤層埋藏深度，溫度場的分布影響范圍不同，煤層火勢也不同。由圖3（a）、（b）或（c）、（d）可知，孔隙率由0.2到0.4時高溫范圍明顯變大。在入口風速不變的情況下孔隙率增大，溫度場的分布范圍也增大，說明了單位時間滲入燃燒區的氧氣量增大，煤層的火勢也增大。孔隙率增加，一方面增加了反應面積，直接加快化學反應；另一方面增強了高溫氣體與固體骨架間的對流換熱面積，間接加快了化學反應。因此，孔隙率增加對煤自燃（燃燒）起到了促進作用。由此在煤田露頭火區火災治理時可以考慮在減小孔隙率方面做工作，如往塌陷區及滑體裂隙注漿封堵煤田露頭火區原生裂隙和次生裂隙，從而減小塌陷的孔隙率和滲透率，進而減小或隔絕煤體與氧氣的接觸，實現滅火目的。

圖3　煤田露頭火區溫度分布云圖

5　結論

（1）得到了煤田露頭火區時氣體滲流運動的主要影響因素關系。分析塌陷區孔隙率與滲透率關系式，確定孔隙率與滲透率關系在不同塌陷地帶的關系式也不相同，即在裂隙帶及彎曲下沉帶和冒落帶及其充填區的孔隙率及滲透率關系分別滿足式（1）和（2）。

（2）模擬結果表明，在不同的煤層埋藏深度、不同孔隙率下，其滲流速度、分布范圍不同。滲流速度隨孔隙率增大而增加，滲流速度分布范圍也隨之增大，但隨著煤層埋藏深度的加深，滲流速度會隨之減小。

（3）隨著孔隙率的增大單位時間滲入燃燒區的氧氣量增大，煤層燃燒火勢也隨之增大，由此在煤田露頭火區火災治理時可以考慮在減小孔隙率方面做工作，為煤田露頭火區火災治理提供技術路線。

［1］ 曾強，王德明，蔡忠勇.煤田火區裂隙場及其透氣率分布特征［J］.煤炭學報，2010（10）

［2］ 孫若山，王海燕，周心權.煤田自燃表征系統的灰關聯模型及應用［J］.中國煤炭，2011（4）

［3］ 梁運濤，張騰飛等.采空區孔隙率非均質模型及其流場分布模擬［J］.煤炭學報，2009（9）

［4］ 王海燕，周心權，張紅軍等.煤田露頭自燃的滲流-熱動力耦合模型及應用 ［J］.北京科技大學學報，2010（2）

［5］ 王鐵利.滲透率與孔隙度、束縛水、飽和度的關系［J］.煤炭技術，2010（1）

［6］ 姚秀云，張鳳蓮，趙鴻儒.巖石物性綜合測定——砂、泥巖孔隙度與深度及滲透率關系的定量研究［J］.石油地球物理勘探，1989（5）

［7］ 何學秋，王恩元，林海燕.孔隙氣體對煤體變形及蝕損作用機理［J］.中國礦業大學學報，1996（1）

［8］ Yuan L，Smith A C.Numerical study on effects of coal properties on spontaneous heating in longwall gob areas［J］.Fuel，2008（87）

［9］ 段品佳，王芝銀.煤巖孔隙率與滲透率變化規律試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2013（6）

［10］ 但漢成，李亮等.變形多孔介質流固耦合非線性滲流模型及解析［J］.長江科學院院報，2009（6）

［11］ 李唐山.煤田露頭自燃氣體滲流和傳熱傳質規律研究［D］.北京：中國礦業大學（北京），2006

［12］ 陳國新.煤田露頭自燃雙重介質滲流規律及發展趨勢預測［D］.北京：中國礦業大學（北京），2008

（責任編輯 張艷華）

Numerical modeling study on the seepage of porous media of coalfield outcrop fire zone

Yu Tao1，Liu Ye2，Mao Xiaojie3
（1.Shenyang Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group，Shenyang，Liaoning 113122，China；2.School of Civil&Environment Engineering of University of Science&Technology Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；3.Kunming University of Science&Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

Coal spontaneous combustion of coalfield outcrop made coalfield outcrop subsided. In order to reasonably manage the coalfield outcrop fire zone，the important parameters affecting coalfield outcrop fire area were studied and the macroscopic numerical modeling was made for different buried depth of coal seam，porosity and permeability by Fluent simulation software.The variation law of velocity field and temperature field of porous medium of coalfield outcrop was obtained，and the treatment scheme was put forward according to the effect of the porosity and permeability on the temperature distribution in the fire area.

coalfield outcrop fire zone，subsidence area，porosity，permeability，numerical modeling

TD752.2

A

于濤（1982-），女，漢族，遼寧營口人，工程師，研究方向：礦井通風與安全、煤與瓦斯鑒定，瓦斯涌出量預測等。