采空区自然发火“三带”的数值模拟研究王浩1魏威2（1、江苏省徐州机电工程高等职业学校，江苏徐州2210112、江苏徐州矿务集团生产技术部，江苏徐州221001）划分“三带”有三种标准，即以采空区内的漏风强度、氧气浓度和温度分布来划分。

本文研究某矿2324工作面采空区温度的变化规律，不宜作为划分“三带”的指标，因此结合前两项指标，利用数值计算方法研究采空区遗煤漏风状态和氧气浓度分布，分析采空区自然发火的危险性，从而为制定采空区防灭火技术措施提供理论依据。

1工作面概况及相关参数1.12324工作面概况2324面位于-700m水平西二采区，开采煤层为下石盒子组3煤，为易燃煤层，自然发火期为3个月，最短时间只有46天，地面标高+32.1m，工作面标高-574~-625m。

该面四周均为采空区，上部为2122面采空区，下部为13202面采空区，西部为2123面采空区，东部为1121面采空区。

其中，13202面在收作期间采空区出现高浓度CO。

2324工作面走向长530m，倾向长136m，煤层总厚0.1~3m，倾角8°，回采方式为高档普采。

1.22324工作面通风参数按工作面倾向长度，平均间隔布置若干测点，每个测点埋设两个温度传感器和一根束管，并沿工作面倾斜及材料道布置一趟Ф50mm钢管，将温度引线和取样束管放置于钢管内，测温取样测点布置系统图，如图1所示。

对2324工作面通风参数测定结果如表1所示。

图1测温取样测点布置系统图试验测得：进风道绝对压力：1065.3hPa，温度22.3℃，相对湿度55%，标高-606.7m，出口道绝对压力：1063.5hPa，温度24.6℃，相对湿度55%，标高-589.3m。

表12324工作面通风参数测定结果1.3采空区数值计算基本物性参数取值数值计算中的主要参数取值如表2所示。

表2数值计算中各主要参数取值表1.4该矿采空区松散煤体孔隙率的取值孔隙率是决定采空区漏风风流运动的重要参数，它直接关系到采空区渗流流场中气体的渗流强度。

另一方面，孔隙率会影响到煤体的传热性能，因此对煤的自然发火过程影响极大。

采空区空隙系数较难确定，一般采用物理相似材料模拟试验来确定。

采空区内平均空隙率在各区一般不同，由该矿采空区岩层调查资料取值如图2所示。

2工作面采空区自然发火的数值模拟2.1概述编制数值计算程序可以以多种程序语言来实现，诸如FORTRA N、C、C++等。

而目前流行的工具语言MATLAB，内含丰富的函数库和工具箱可以利用，避免了使用传统的编程语言一切要从零开始的困境。

因发火的数值模拟计算。

为了研究方便，忽略垂直于工作面方向的流场变化，将整个采空区风流场看成二维渗流问题，研究图1所示的采空区域内（工作面长110m，采空区走向长400m）的风流流动规律。

利用有限元技术将渗流区域分成一系列的三角形单元，网格划分图如图2所示，其中三角形单元数5632个、节点数2921个。

由于采空区距工作面120m处以后，基本都处于窒息带，因此本文重点研究0~120m范围内的三带情况。

图3采空区模拟区域单元剖分图2.2数值计算结果及“三带”划分根据实际测量，2324工作面风量为487m3/min，两端压差为34.8Pa。

利用有限元数值计算结果如图3和图4，分别为采空区在正常风量下漏风流线和等速线图，根据目前国内采用的确定“三带”范围的风速界限0.1~0.24m/min，得出2324工作面的可能自燃带的范围如图阴影部分所示。

可见可能自燃带的范围：沿采空区中心线宽50m，起自距工作面10m处；沿采空区两侧宽42m，起自工作面18m处。

此结果和由现场测试的结果基本吻合。

图4采空区漏风流场流线图图5采空区内漏风等速线图2.3采空区内氧气浓度分布规律计算条件：初始氧浓度为新鲜空气中氧的摩尔浓度（体积浓度为21%）9.375mol/m3。

新鲜气流温度为23℃，相应的松散煤体耗氧速度V0(T)为0.68mol/（m3.h）。

工作面边界取第一类边界，采空区其余边界取第二类边界。

计算结果如图5所示。

由图中可见，氧气浓度从进风侧向回风侧逐渐减小，其原因主要为漏风流中氧气逐渐和采空区遗煤结合，发生氧化反应所致。

2.4工作面风量对“三带”的影响受工作面风量的影响，当风量发生变化时，自燃带的范围也随之变摘要：本文利用有限元方法对某矿2324工作面采空区自然发火“三带”进行数值模拟研究，得出采空区三带范围，从而为制定采空区防灭火技术措施提供理论依据。

关键词：采空区；自然发火“三带”；数值模拟测点编号风量（m3/min）测点编号风量（m3/min）1 4802 4633 4284 3915 3526 4367 47327--隧道长时间涌水，并且涌水量较大不仅会影响隧道施工进度和安全，严重的还会造成区域地下水失衡，破坏地下水资源，从而影响周边居民饮水等。

因此，查明隧道附近地下水的空间分布范围、动态特征等情况是指导隧道安全合理施工的重点和难点。

大地电磁法和瞬变电磁法均是对地下水体很敏感的物理探测方法，两者相结合能、相互对比，能更准确地反演地下水体，从而较精确的确定地下水体情况。

本文为应用大地电磁方法和瞬变电磁法在复杂电磁环境下开展地下水体特征探测工作积累了宝贵的经验。

1方法简介大地电磁测法（MT ）是利用天然场源获取地体数据，从而探测地下信息的方法[1]，其测量的是大地中电磁场产生的电分量。

其理论基础是Maxwell 方程[2]。

它的场源为交变电磁场，在距离场源较远的地方，大地电磁场可视为垂直于地面入射的平面波。

该设备轻便、操作简单，其接收频率广泛，接收频率越低，测深越深。

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods ）或称时间域电磁法（Time domain Electromagnetic Methods ），简写为TEM ，一种时间域电磁法[3-8]。

它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。

其工作原理为：通过地面布设的线圈，向地下发射一个脉冲磁场（一次场），在一次场磁力线的作用下，地下介质将产生涡流场。

当脉冲磁场消失后，涡流并没有同步消失，它有一个缓慢的衰减过程，在地表观测涡流衰减过程所产生的二次磁场，即可了解地下介质的电性分布。

本次工程物探找水工作共采用了两种物探方法，即大地电磁法和瞬变电磁法。

其中大地电磁法共敷设测线12条，测点752个；敷设瞬变电磁测深剖面2条，点距3m 。

利用综合物探方法进行地下水的勘探，主要是为了相互验证异常的可靠性，便于勘探成果的综合分析与解释，提高勘探的准确性。

2工程概况隧道斜穿北北东向山体，隧道区段内主要为碳酸盐岩地层，少量碎屑岩及岩浆岩层，岩溶洼地，落水洞，漏斗发育广泛。

该区地层出露主要为第四系全新统、更新统、石炭系下统大塘阶石磴子段、测水段、泥盆系上统锡矿山组上段和下段，并在北部有一条稳定的花岗岩脉侵入。

隧道区地层主要由泥盆系与石炭系厚层状灰岩组成，南部山地灰岩多裸露，溶洞、溶蚀裂隙、岩溶洼地发育；中部盆地落水洞、岩溶洼地、岩溶泉点分布广泛。

地下水主要通过南部山地灰岩中溶蚀裂隙、层间裂隙，其次是隧道中部三个相对低洼岩溶盆地中的岩溶洼地、落水洞直接渗入，以及覆盖层残积土中孔隙水的缓慢渗透，沿灰岩中近平行岩层走向的岩溶裂隙通道及层间溶蚀裂隙径流。

隧道施工受区域性构造的影响，场地内断裂、褶皱构造较为明显。

区内断裂相互连接构成了区内一个较复杂的含、导水系统。

该隧道施工过程中多点多次产生突泥突水，地下水长时间的大量由隧道流失，造成区域地下水位下降，浅层岩溶裂隙水断流以及隧道上方一定区域地面塌陷等环境地质灾害，致使隧道穿越区的下地下水疏干，导致附近自然村吃水困难，故急需开展水体预测，了解水体分布规律。

3数据采集与解译本次大地电磁法探测采用TR-2天然电场选频仪，共测量的十个频大地电磁法与瞬变电磁法综合物探在某隧道找水勘查中的应用宋漪（中南大学地球科学与信息物理学院勘基所硕士研究生，湖南长沙410083）摘要：大地电磁法和瞬变电磁法均是对水体较为敏感的探测方法。

通过现场大量大地电磁法和瞬变电磁法探测，划分了基岩分界面，分析了隧道附近含水地质体的分布规律，并通过水文钻孔加以验证，应用大地电磁方法和瞬变电磁法在复杂电磁环境下开展地下水体特征探测工作提供了一定依据。

关键词：地下水体；大地电磁法；瞬变电磁法化，其变化规律由数值计算结果整理如表3。

表3风量与“三带”变化关系根据以上数据绘出不同风量下自燃带区间的示意图，如图6所示，进行回归，得到回归方程为：进入自燃带的深度为：y 1=5E-06x 3-0.0058x 2+2.4544x-335.21R 2=0.9806进入窒息带的深度为：y 2=6E-06x 3-0.0069x 2+2.878x-362.43R 2=0.9756通过以上公式可计算出，不同风量下自燃带的范围。

从以上数值模拟结果可见，当采空区工作面风量增加，内部漏风相应增大，自燃带范围增加。

3结果及分析通过以上研究得出该矿2324工作面采空区自燃规律，并形成了以下结论：（1）采空区自然发火是个多因素综合作用的结果，主要取决于煤自身的氧化放热性能、供氧条件及蓄热环境。

其发火模型要综合考虑松散煤体漏风状况和氧气浓度状态，是二者耦合作用的非线性方程组。

（2）采空区渗透风流流速较低。

而且在采空区内部分布不均，在采空区渗流入口和出口处较大，而在中部区域相对较小。

（3）在正常风量下，2324工作面的可能自燃带的范围：沿采空区中心线宽50m ，起自距工作面10m 处；沿采空区两侧宽42m ，起自工作面18m 处。

此结果和由现场测试的结果基本相吻合。

（4）氧气浓度从进风侧向回风侧逐渐减小，其原因主要为漏风流中氧气逐渐和采空区遗煤结合，发生氧化反应所致。

（5）当工作面风量发生变化时，自燃带范围也发生变化。

采空区工作面风量增加，自燃带范围扩大。

因此在保证人员、设备、稀释瓦斯的前提下，降低工作面的风量可以减少向采空区的漏风，缩小自燃带范围。

作者简介院王浩（1977.6-）男，陕西乾县人，讲师，硕士，2000年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现就职于江苏省徐州机电工程高等职业学校。

通风量 /m 3/min 0.24m/min 风速线 距工作面距离/m 0.1m/min 风速线 距工作面距离/m自燃带宽度/m 325 8 40 32360 11 43 32395 14 50 36435 16 55 39460 17 57 40487 18 60 42510 23 70 47图6采空区内氧气浓度分布图28--采空区自然发火“三带”的数值模拟研究作者：王浩， 魏威作者单位：王浩(江苏省徐州机电工程高等职业学校,江苏 徐州 221011)， 魏威(江苏徐州矿务集团生产技术部,江苏 徐州 221001)刊名：科技创新与应用英文刊名：Technology Innovation and Application年，卷(期)：2012(34)引用本文格式：王浩.魏威采空区自然发火“三带”的数值模拟研究[期刊论文]-科技创新与应用 2012(34)。