长壁采空区空间变渗透率条件下煤自热耦合传热传质数值模拟研究

《Energies》：Coupled Heat and Mass Transfer Modelling of Coal Self-Heating in Longwall Goaf Areas with Spatially Variable Permeability

　　

摘要 长壁采空区（goaf）内的煤自热（coal self-heating）源于含残余煤的多孔介质中气体渗流、传热、质量输运与化学反应之间的强耦合作用。本研究基于现场开采数据，建立了一个用于分析具有空间变渗透率（spatially variable permeability）的瞬态非等温过程的数学模型与数值模型。该模型考虑了采空区多孔介质中的气体渗滤（gas filtration）、气固两相间的传热与传质、非均相煤氧化反应（heterogeneous coal oxidation）、均相气相反应（homogeneous gas-phase reactions）、连续甲烷涌出（continuous methane emission）以及氮气惰化（nitrogen inertisation）的可能性。控制方程构成强耦合非线性系统，采用有限体积法（finite volume method, FVM）求解。针对U型与Y型两种通风布局进行了数值模拟。模拟结果给出了甲烷、氧气和一氧化碳浓度的空间分布，以及气体温度、固相温度、压力和气体速度场。模拟结果表明，通风配置对采空区内的氧气渗入深度、气体组成和温度演化具有显著影响。尤其值得注意的是，Y型通风系统促进了氧气向多孔区域更深处的渗入，这可能扩大易发生煤自热区域的范围。所提出的方法为分析煤自燃相关的耦合热输运与传质现象，以及评估通风条件对长壁采空区热灾害发展影响提供了分析框架。

长壁采空区煤自热耦合传热传质建模研究解读

一、研究背景与问题提出

煤自热是地下煤矿开采中最严重的火灾隐患之一。其本质是残余煤在渗流空气携带的氧气作用下发生氧化反应，进而可能发展为自燃，对采矿作业安全构成严重威胁。统计数据表明，2020至2024年间，波兰地下煤矿共发生13起因煤自燃引起的内因火灾，其中5起发生在生产区域，2024年即有1166名矿工被疏散。这一现实凸显了开发有效火灾防治方法的迫切性。

已有研究普遍认为，煤自热过程受多场耦合机制控制，包括多孔介质中的气体流动、质量输运、化学反应和热量积聚。然而，现有模型多基于简化假设，如等温条件（约25°C）、稳态气流和恒定甲烷供给，且采空区渗透率常被假定为常数。这些简化限制了模型对真实采矿条件的表征能力，因为垮落带的渗透率强烈依赖于岩体的地质组成和破碎程度。

针对上述不足，本研究旨在建立一个描述非等温、瞬态条件下采空区煤自热引发火灾的数学模型。该模型综合考虑气流渗滤、连续甲烷涌出、氮气惰化、气固两相耦合化学反应与传热过程。研究的核心贡献在于：基于现场开采数据确定的空间变渗透率分布，同时预测瞬态条件下气相与固相温度场、气体组成、压力和气体速度，并对比分析U型与Y型两种通风布局对氧气输运、热量产生、温度演化和煤自热易发区域空间演化的影响。

二、主要技术方法

研究人员采用有限体积法（FVM）对强非线性耦合控制方程进行数值求解，空间离散采用POWER-LAW格式近似对流项，时间离散采用后向差分格式。计算域为二维矩形区域，代表直接垮落带（direct caving zone），厚度取7 m。渗透率空间分布基于先前研究中的现场开采数据确定，并通过Blake–Kozeny关系反演得到局部孔隙度。模型考虑六组分气体混合物（N₂、O₂、CO、CO₂、H₂O、CH₄），包含三种不可逆反应：碳氧化（非均相表面反应）、一氧化碳燃烧（均相气相反应）和甲烷燃烧（均相气相反应）。反应动力学采用Cygankiewicz提出的分段Arrhenius型关系，分三个温度阶段描述。气固相间传热系数通过Froessling关联式确定。数值计算采用变时间步长以保证稳定性和计算效率。

三、研究结果

U型通风配置下的模拟结果。 模拟结果显示，新鲜空气在250 m处进入长壁工作面并引发向采空区的气流渗入。甲烷浓度在进风口附近降低，向出风口方向逐渐升高，反映出采空区释放的甲烷随气流输运的特征。氧气随新鲜空气渗入采空区，从进风口深入约75 m，为残余煤氧化提供了条件。氧化过程生成一氧化碳，并伴随气体温度升高，表明自热过程正在发展。计算结果呈现了新鲜空气渗入、氧气穿透、残余煤氧化、一氧化碳生成和热量积聚这一系列耦合现象的连贯序列。

Y型通风配置下的模拟结果。 在Y型通风系统中，新鲜空气在250 m处进入，同时在出风口附近引入附加气流。该流动配置促使氧气向采空区更深区域渗入，与U型系统相比，氧气在更大范围内可供残余煤氧化利用。这一差异在甲烷、氧气、一氧化碳浓度和气体温度的分布图中均有体现。研究结果表明，在分析条件下，Y型配置比U型配置创造了更大的煤氧化和自热潜力，特别是在含残余煤且局部流动条件发生改变的区域。

四、讨论与结论

由于采空区内部不可直接进入，计算结果无法在采空区内直接验证，但研究通过与分析域边界（进风口和出风口）处的运行测量数据进行比较，确认了预测的气体浓度定性趋势与实际观测一致。Y型配置中的附加回风巷提供了额外的边界位置用于模型结果与运行数据的对比，有助于未来开展更广泛的间接验证。

研究结论指出：通风布局对采空区内的气体流动、氧气渗入、气体组成和热状态发展具有显著影响；在分析条件下，Y型配置促进了更深的氧气渗入，因此比U型配置创造了更大的煤氧化和自热潜力；计算结果形成了与煤自热相关的物理一致的过程序列；研究强调了在分析多孔采空区火灾发展条件时，考虑通风诱导气流、组分输运、化学反应和传热之间耦合效应的重要性。本研究的主要局限在于缺乏采空区内部直接测量数据，当前验证基于分析域边界处运行数据的定性比较。未来工作应侧重于利用间接现场测量数据进行定量验证，并对模型参数进行系统敏感性分析，同时可考虑将水分输运和相变效应纳入模型扩展。