[发明专利]一种确定采空区发火过程的方法

权利要求书

1.一种确定采空区发火过程的方法，其特征在于，为了解U型通风下采空区遗煤层自然发火过程中，不同时间的温度和升温区的变化，提出使用颗粒流理论为基础的模型；其包括如下步骤：基本模型建立，相关参数设置，遗煤发火的细观模型构建，结果分析；本发明可用于分析采空区自燃发火位置及发展过程。

2.根据权利要求1所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，所述基本模型原点为左下角采空区(O点)，X轴方向从左到右(横向，300m)，Y轴方向从下到上(纵向,200m)，对于煤颗粒的设置：颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m³，弹性模量和剪切模量为3.5×10⁸Pa，颗粒半径范围[0.05m,0.075m]，孔隙率0.3。

3.根据权利要求1所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，所述相关参数设置为：气体常数R_s/(J·mol^-1·K^-1)=8.314；空气动力黏性系数μ/kg/(m·s)=1.8×10^-5；空气扩散系数D/m²/s=1.5×10^-5；活化能E_a/(J·mol^-1)=5×10⁴；煤导热系数λ_s/(J·mol^-1·K^-1)=0.2；放热量ΔQ/(J·mol^-1)=4.2×10⁴；遗煤渗透系数k/m²=8×10^-7；煤的线性热膨胀系数α/(K^-1)=3.0×10^-6；煤的定容比热C_V/(J·kg^-1·K^-1)=1100；模型处于标准状态。

4.根据权利要求1所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，遗煤发火的细观模型构建包括：将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程，模拟氧气在采空区内的流动，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧。

5.根据权利要求4所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程，标准状态下，1mol气体=22.4L，所以1m³=44.64mol，O₂浓度=44.64×21%×32=0.3kg/m³；因为模型厚0.5m，设1m³气体模型内有100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度=1m×1m×0.3kg/m³×0.5m/100=0.0015kg/m²=0.0469mol；氧气相对空气的密度（去掉空气对氧气的浮力）为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469mol/×3g/mol/1000=1.407×10^-4kg；为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径R_O2=0.003m，则球的密度=1.407×10^-4(kg)/(4/3πR_O2³)=3.9kg/m³。

6.根据权利要求4所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，模拟氧气在采空区内的流动是通过FISH实现的，以通过采空区的进气口与出气口两点，构造采空区内的二次抛物线，模拟气流在采空区的运动轨迹，从而为氧颗粒施加速度矢量；同时为模拟气流带走煤层热量的现象，与速度矢量成正比的减小气流经过区域煤颗粒的温度值，实现模拟。

7.根据权利要求4所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，将氧在遗煤中的流动分解成竖直方向和水平方向，分别如μ/k)u（1）和μ/k)v+Δρg(1-T_α/T)（2）所示，氧的运输方程如

ε(?c/?t)+?(uc)/?x+?(uc/?y)=D(?²u/?x²+?²v/?y²)-(1-ε)R（3）所示。

8.根据权利要求4所述的确定采空区发火过程的方法，其特征在于，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，在这个过程中由于反应，假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于R_O2时，发生反应并放出热量，删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动，反应遵循碳与氧反应的化学方程式。