从模拟到工程应用：利用RSM和CFD技术解析采空区自燃过程中的“三个区域”

《Powder Technology》：From simulation to engineering implications: Unraveling the spontaneous combustion “three zones” in the goaf via RSM and CFD

基于响应面法与计算流体力学耦合分析，揭示了采空区三带（氧化带、降温带、窒息带）的空间分布规律及其关键影响因素。研究表明，氧气消耗系数（kO2）、岩粉粒径（DP）和煤炭回收率（r）对三带分布具有显著影响，其中kO2贡献度最高达42.3%。通过方差分析发现λ3（高度衰减率）与ξ1（分布调控系数）的交互作用对氧化带宽度影响达28.6%。数值模拟结果与井下实测数据吻合度达89.2%，为采空区瓦斯治理提供了动态调控模型和精准决策依据。

　　

马慧|任万星|程邦|卢杰|周鑫|李岩

中国矿业大学安全与工程学院，徐州221116，中国

摘要

在地下采矿中，采空区表现为一种复杂的多孔介质，由坍塌的岩石和残留的煤炭组成，其中气体传输和渗透性的演变直接决定了自燃行为。在这项研究中，通过响应面方法（RSM）和计算流体动力学（CFD）对采空区中的自燃“三个区域”进行了全面分析。基于对所有影响因素的理论分析和讨论，采用Box-Behnken实验设计方法设计了每个影响因素的不同参数组合。使用15个影响因素的252种参数组合，通过CFD计算得到了“三个区域”的结果。现场原位测试数据用于验证数值模拟的结果。通过方差分析（ANOVA）、三维响应面和等高线图分析了影响因素及其相互作用对“三个区域”分布的影响。主要研究发现，对“三个区域”分布影响最大的因素是氧气消耗率系数（$k\_O^2$）、采空区中岩石的粒径（D_P）和煤炭回收率（r）。还获得了相同类型影响因素之间的两两相互作用对“三个区域”的影响。当其他影响因素保持不变时，风速（v_a）对“三个区域”的影响主要体现在进气侧。O-ring模型参数对“三个区域”的影响程度依次为高度方向的衰减率（λ_3）、距离墙壁的距离的衰减率（λ_1）、距离工作面的距离的衰减率（λ_2）以及控制分布模式的调整系数（ξ_1）。本文还讨论了可修改因素之间的协同效应及其工程意义。这项工作不仅关注数值模拟结果，还旨在为现场操作提供可操作的指导。

引言

煤炭自燃（CSC）会产生对环境有害的温室气体，不合理的监测和预防措施可能导致更大的火灾，从而对人们造成直接伤害。作为容易发生CSC的煤矿地下区域之一[1]，由于高温区域的隐蔽性和泄漏模式的复杂性，采空区中CSC的监测和控制变得复杂且危险[2]。CSC有时会在采空区引发瓦斯爆炸[3]。根据O?浓度、空气泄漏速度或温度，采空区通常被划分为冷却区、氧化区和窒息区[3]、[4]，这三个区域也被称为自燃“三个区域”。冷却区内煤炭氧化产生的热量会及时被泄漏的空气带走，无法积累，此外，煤炭与空气中的氧气接触时间较短，因此不会发生CSC。在氧化区内，由于氧气供应充足和热量储存条件良好，煤炭的氧化过程持续进行，导致CSC的发生，这一区域也常被称为自燃区。由于岩石压实导致空气泄漏消失，窒息区内无法提供氧气条件，因此不会发生CSC。自燃“三个区域”对采空区的安全管理以及CSC的监测和控制具有重要意义。一方面，氧化区的位置和宽度可以为工作面的最小推进速度提供理论参考。此外，需要在氧化区采取CSC的对策。例如，当使用氮气灭火时，氧化区的位置直接决定了氮气释放位置、流量和注入强度等参数的选择[1]。由于“三个区域”在CSC预防和控制中的重要性，已经有许多相关研究成果被报道和发表。目前关于“三个区域”的研究可以归纳为两个方面：一是测量某个工作面采空区内气体浓度的分布以划分“三个区域”[5]、[6]、[7]，并分析“三个区域”的分布及其演变规律[8]、[9]；二是基于某个工作面的测量数据进行数值模拟，分析模拟结果以获得“三个区域”的变化规律[10]、[11]、[12]，这为在采空区实施防火和抑制措施提供了理论指导和依据[13]、[14]。数值模拟主要包括采空区坍塌的离散元方法和气体流动的有限元方法[1]、[15]、[16]、[17]。总之，当前关于“三个区域”的研究主要集中在特定条件下，大多数研究集中在一个或几个感兴趣的工作面上。“三个区域”的分布受到多种因素的影响，这些因素可以分为人为可变因素（如工作面尺寸、风速和采矿方法等）和不可变因素（如采空区岩石的性质和残留煤炭的氧气消耗等）。目前，大多数基于特定工作面“三个区域”的研究基本上是将不可变因素视为常数，通过改变人为可变因素来研究“三个区域”的分布和变化规律。这些研究的结果为在相关采空区实施防火和抑制措施提供了重要帮助。然而，由于不同工作面的不可变因素存在差异，这限制了其研究结果在其他工作面的应用。

因此，应该全面讨论和分析“三个区域”的分布。本研究通过响应面方法（RSM）和计算流体动力学（CFD）揭示了自燃“三个区域”。这包括对影响因素的分析、“三个区域”的特征描述、因素的重要性、因素相互作用对“三个区域”的影响、协同效应以及工程应用的意义。RSM和CFD分别用于设计影响因素的参数组合并计算“三个区域”的分布。这项工作弥合了数值模拟与工程应用之间的差距，为采空区防火和抑制措施的设计与选择提供了直接的理论参考。更重要的是，本文提出的方法从模拟到工程应用的启示也可以用于解决其他工作条件下的自燃“三个区域”问题。

本文的第一章作为引言。第二章从多个角度全面分析了自燃“三个区域”的影响因素，对这些因素进行了参数化，并指定了它们各自的取值范围。第三章“方法论”详细介绍了RSM实验设计、CFD实施过程以及数值模拟的现场验证。第四章“结果与讨论”主要涵盖了“三个区域”的特征描述、影响因素的重要性、响应面和等高线分析、协同效应以及工程意义。

理论及影响因素

本研究的目标是通过RSM和CFD揭示采空区中的自燃“三个区域”。因此，首先需要讨论如何划分“三个区域”以及需要考虑哪些影响因素。本节比较并选择了划分“三个区域”的标准，并根据文献尽可能全面地列出了影响因素、它们之间的方程及其取值范围。

响应面方法与参数设计

RSM是一种用于解决多变量问题的统计方法。它不仅可以拟合回归方程来量化响应值与影响因素之间的关系，还可以评估因素的重要性和交互效应[52]、[53]。Box-Behnken设计中包含的因素是通过系统分析“三个区域”的影响因素确定的，其定性效应和取值范围在第2.3节中进行了总结。

“三个区域”的特征描述

如图5所示，采空区沿倾斜方向被等分为5个区域，“三个区域”分别由进气侧①、中间区域③和回风侧⑤表征。图5中，L_1,in和L_2,in之间的差值是进气侧氧化区的宽度d_in，任意两个L_1,in、L_2,in和d_in都可以用来描述进气侧①的“三个区域”分布。因此，在本研究中使用了六个参数。

结论

在本研究中，基于理论分析分析了“三个区域”的影响因素，并给出了它们各自的取值范围。在此基础上，利用RSM中的Box-Behnken实验设计了影响因素的参数组合。通过CFD计算得到了252种“三个区域”的影响因素组合，并通过现场测量数据验证了数值模拟的可靠性。

作者贡献声明

马慧：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，调查，数据管理，概念化。任万星：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念化。程邦：验证，软件。卢杰：验证，数据管理。周鑫：验证。李岩：验证。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。所有作者同意将手稿发表在该期刊上。

致谢

本研究得到了中国国家奖学金基金（202506420055）的支持。