深井综放采空区漏风流场数值模拟及自燃危险区域划分

随着矿井开采深度的增加,地温的升高,带来了系列的灾害现象。分析了高地温综放采空区煤自燃的危险性,研究了采空区氧浓度场及漏风流场。通过对龙固矿N1301综放面采空区漏风场的数值模拟,得出了采空区渗流速度及氧浓度分布。并结合实验得出的放热强度、自然发火期等参数,对采空区浮煤自燃危险区域进行了划分,得到了工作面最小安全推进速度,为2.56m/d。     

近距离煤层群开采自燃危险区域划分及自燃预测

通过数值方法求解复合煤层采空区渗流、扩散和化学反应耦合的三维稳态数学模型,得到常温下采空区氧浓度及渗流速度场的分布.结合大型煤自然发火实验得到的煤自燃的下限氧浓度、上限漏风强度、极限浮煤厚度等参数及煤的实验自然发火期,划分出开采下部煤层时上部煤层煤柱及采空区自燃危险区域,再结合工作面推进速度,预测自然发火期.采用这种方法对东荣二矿采煤工作面顶部煤层煤柱进行自燃预测,得到进风侧的煤柱氧化升温区在距离工作面50~140 m处,回风侧在距离工作面50~85 m处,工作面推进速度大于1.6 m/d时,煤柱无自燃危险,工作面停止推进但正常通风38 d后,煤柱进风侧将首先发生自燃.     

杭来湾煤矿3~#煤层自燃极限参数的实验研究

为了研究杭来湾煤矿3~#煤层开采过程中煤自燃危险区域的判定依据,利用大型煤自然发火实验台,模拟了该煤层从常温到170℃的自然发火过程,确定了其实验最短自然发火期为52 d。测算了耗氧速率与放热强度等煤自燃特性参数,掌握了最小浮煤厚度、下限氧浓度和上限漏风强度等极限参数。结合现场实际开采条件,提出了预防3~#煤层自燃的临界参数,为该矿煤自燃防治提供了重要的理论依据。     

自燃煤层沿空留巷采空区遗煤自燃规律及防控技术研究

针对沿空留巷情况下采空区遗煤易自燃、发火等问题，以平煤二矿为研究背景，根据沿空留巷采空区特征及工作面通风方式特点，建立采空区自然发火数学模型。对未留巷、留巷未采取防漏风措施及留巷采取措施等情况下采空区自然发火特征进行数值模拟，并在现场进行了工业性试验。研究结果表明：采用沿空留巷技术后增加了采空区漏风量，氧气浓度面积增加，致使采空区内温度升高；依据沿空留巷下采空区自然发火模拟分析，认为在沿空巷道采取漏风措施可降低采空区遗煤自然发火危险性；建立沿空留巷分级防控防灭火技术体系，并在现场进行了应用。为类似条件下沿空留巷采空区遗煤自燃防治提供参考。     

亭南煤样自燃极限参数实验研究

利用大型煤自然发火实验台模拟了亭南煤的自燃过程,测算出煤样自燃特性参数,结合现场实际条件,推算出下限氧浓度、上限漏风强度和最小浮煤厚度等极限参数,为该矿煤自燃预测及防治提供了重要的依据。     

动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟

基于非均质多孔介质中的连续性方程、多相气体渗流-扩散方程和综合传热方程,建立了工作面动态推进下的采空区遗煤自燃数值模型。结合实例条件,描绘了工作面开采推进过程中采空区内漏风流态、氧、CO、瓦斯和温度等分布状态及其动态过程。提出了工作面动态推进用各物理量分布后移的处理方法,使移动步距与时间动态过程相适应,实现了模拟计算在方法上的连续一体化。通过理论分析,发现采空区遗煤自燃与工作面推进速度呈指数关系,因而提高工作面推进速度能显著延长采空区内遗煤的自然发火期。     

冒落采空区氧浓度分布非均衡性研究

为分析回采采空区漏风强度与氧浓度分布特征，用非均质漏风渗流方程和氧浓度耗散方程建立了冒落采空区漏风流态和氧浓度变化的有限元数值模型，结合观测数据进行了求解；工作面附近流场按冒落介质和冒落空隙间的双流层问题处理。得到采空区内部进、回风侧两端的氧浓度分布是不均衡的，而导致这一现象的原因是采空区漏风流的沿程耗氧和瓦斯的涌出；指出采空区内进、回风两侧端的漏风强度分布基本是均衡的，当考虑瓦斯涌出的影响时，漏回风侧的漏风强度甚至要高于进风侧。从流体力学原理上对现场观测采空区内部进回风两侧氧浓度分布的不均衡给予更合理地解释。此结论将有助于澄清当前学术界对此问题的模糊认识。     

松散煤体自然发火过程氡析出及运移规律

火源精准探测一直是煤火灾害防治方向的世界性难题,而同位素测氡是火源精准探测的主要研究方法。为了解采空区火源位置分布及发火情况,基于煤自然发火实验台研究松散煤体发火过程中氡析出及运移规律。为减小测氡过程对自然发火实验影响,设计局部气体循环系统,控制实验取气量,获得松散煤体自然发火过程中氡活度浓度沿轴线分布规律;通过数据筛选及统计分析,获得同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律;根据氡活度浓度分布理论,推导实验台轴线方向氡分布方程;基于同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律及氡分布方程,获得松散煤体自然发火过程中氡的运移规律,确定真实反映氡析出与煤温关系的节点位置;通过松散煤体单元划分及氡析出理论分析,推导松散煤体氡析出随发火时间的对应关系;基于实验分析和理论推导,获得氡析出与发火时间的变化规律。结果表明:松散煤堆自然发火过程中,沿轴线方向松散煤体内氡运移主要以渗流为主,当T_(max)50℃时,渗流影响范围为0L175 cm,其中L为与进风口的距离;当T_(max)≥50℃时,渗流影响范围减小为0L125 cm,多种运移方式耦合作用范围为125L175 cm,可为采空区发火位置判断提供依据;在一定温度范围内,氡析出随煤温升高呈指数增长,且存在临界温度值,可为松散煤体发火程度判断提供依据。     

基于多参量的采空区煤自燃危险区域划分方法研究

工作面采空区漏风强度、浮煤厚度、氧气体积分数等多个因素共同影响采空区内的煤自燃危险区域分布范围。以王家山煤矿中二202工作面为研究对象,采用公斤级煤自然发火试验装置,测定煤样放热强度、耗氧速率等自燃特性参数,结合理论公式计算采空区危险区域划分参数的阈值(浮煤厚度、氧气体积分数、漏风强度、最短发火期、耗氧速率)。综合关键参量,构建了采空区煤自燃危险区域的划分方法。通过现场束管检测分析和Fluent流体模拟技术,观察采空区内氧气浓度场、气流场的分布规律,确定了王家山煤矿大倾角工作面采空区煤自燃"三带"及工作面每日最小安全推进度。研究成果对现场防灭火工作具有一定的指导意义。     

综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟

综放工作面采空区浮煤自燃主要取决于浮煤厚度，氧浓度，漏风强度，工作面推进速度和自燃发火期5个参量，工作面正常生产时，采空区自燃三带处于一个动态的稳定状态。根据综放工作面采空区自燃发火特点，将松散煤体自燃发火数学模型简化，建立了综放工作面采空区湿度变化的动态数学模型，用计算机动态模拟采空区浮煤自在升温过程，对时反映采空区温度分布状态及其动态变化规律，对采空区浮煤自然危险性进行超前预测，指导综放工作面的安全生产。     

供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

为研究煤自燃时期生成气体对诱发瓦斯爆炸的影响,选取瑞安煤业4^#煤层褐煤为实验煤样,通过管式炉程序升温和色谱分析仪研究供风量为40、120、200 mL/min时对煤自燃时期生成气体的影响,得到不同温度条件下管式炉出口O2、CO、CO2气体摩尔浓度,并计算了褐煤低温氧化阶段耗氧速率、气体生成速率和放热强度与煤样温度之间的关系。结果表明:随着温度升高,煤样的耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率、放热强度与温度之间均呈指数关系变化;煤样的耗氧速率与放热强度呈线性递增关系,相同耗氧速率下,当供风量为120 mL/min时放热强度最大,当供风量为200 mL/min时放热强度最小。     

煤最短自然发火期实验及数值分析

根据兖州矿区煤样自然发火实验,测算出煤不同温度时的发热强度和耗氧速度,在此基础上,通过煤自然发炎数值模拟计算,分析不同供风强度、散热边界条件和煤的粒度等对煤最短自然发火期的影响关系,从而确定出实际开采条件下煤层的最短自然发火期。     

不同气体环境长焰煤氧化进程基团演化特性北大核心

漏风强度不仅加大煤自燃的危险性,而且是采空区遗煤自燃引发煤火灾害的致因。为探究火区启封时漏风强度对遗煤自燃特性的影响,利用煤自燃特性测定装置对煤样进行程序升温实验,然后运用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)进行分析,得到不同气体环境下各特征温度点官能团相对含量变化。结果表明:含氧基团中,伴随温度阶段的提升,-COOH含量整体上升,-C-O-含量波动虽不明显,但整体含量较高;-OH官能团中,在各温度阶段都有存在且谱峰强度明显;脂肪烃中,-CH_(3)和-CH_(2)的谱峰面积均较大,无论干空气或氮气氛围各温度点都有参与反应,且活性较高;通过结构参数值分析,T_(120)是关键的活性点温度;干空气或氮气氛围下自然降温处理的煤样,在T_(120)相比原煤各官能团反应更加剧烈,官能团变化更大;整体上氮气氛围官能团变化增长和下降的趋势相比干空气氛围变化较小,煤复燃的危险性也降低。     

Experimental simulation and numerical analysis of coal spontaneous combustion process at low temperature

The characteristic of coal spontaneous, combustion includes oxidative property and exothermic capacity. It can really simulate the process of coal spontaneous combustion to use the large-scale experimental unit loading coal ! 000 kg. According to the field change of gas concentration and coal temperature determined through experiment of coal self-ignite at low temperature stage, and on the basis of hydromechanics and heat-transfer theory, some parameters can be calculated at different low temperature stage, such as, oxygen consumption rate, heat liberation intensity. It offers a theoretic criterion for quantitatively analyzing characteristic of coal self-ignite and forecasting coal spontaneous combustion. According to coal exothermic capability and its thermal storage surroundings, thermal equilibrium is applied to deduce the computational method of limit parameter of coal self-ignite. It offers a quantitative theoretic criterion for coal self-ignite forecasting and preventing. According to the measurement and test of spontaneous combustion of Haibei coal, some token parameter of Haibei coal,spontaneous combustion is quantitatively analyzed, such as, spontaneous combustion period of coal, critical temperature, oxygen consumption rate, heat liberation intensity, and limit parameter of coal self-ignite.     

尾巷风压及风量变化对采空区自然发火影响的理论分析与数值模拟

基于多孔介质的渗流连续性方程、动力弥散方程以及相似理论,建立了U+I型综放工作面与尾巷负压和风量变化相关的理论数学模型,对4种尾巷风量条件下有关采空区可能自燃带范围和回风流瓦斯浓度进行了模拟分析。通过理论分析和数值模拟发现,回风巷瓦斯浓度随尾巷风量变化幅度较大,而采空区可能自燃带宽度变化曲线较为平缓,因此,是否需要通过降低尾巷负压来减小采空区可能自燃带范围,必须根据各矿具体的实际情况而定:当工作面供风量较小时,实施意义不大;当工作面风量较大时,降低尾巷负压则可能既使回风巷瓦斯不超限,又使采空区浮煤自然发火危险性显著降低。     

高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应

基于高瓦斯易自燃煤层高位巷道瓦斯抽采技术条件下,以研究煤自燃形成机理为切入点,依据义马煤业集团耿村矿13190工作面自然发火实际情况,通过理论分析,数学建模及现场辅助测试,对煤岩裂隙发育漏风通道模式、采空区浮煤碎胀特性、漏风动力源展开研究,发现巷道瓦斯抽采,增加了高瓦斯易自燃煤层的自燃风险,主要体现在:1)造成工作面、采空区及抽放巷道端口间存在漏风通道及动力;2)采动应力及抽采巷道松动圈造成采空区煤岩裂隙充分发育,采空区浮煤压实程度降低,浮煤碎胀性增加,有利于煤自燃蓄热;3)采空区浮煤一旦氧化,造成采空区高温点与漏风通道间存在温度梯度,从而形成的内生火风压,加剧采空区破裂浮煤的自燃进程,诱导采空区浮煤自燃发生。     

沿空巷破碎煤体自燃耗氧及升温特征数值模拟

为研究巷道顶煤和煤柱破碎后由漏风引起的自燃耗氧及升温规律,在质量、动量和热量守恒模型的基础上利用FLUENT软件求解了沿空巷周围破碎煤体的稳态氧气分布和温度的动态变化过程。计算结果表明：在煤柱较完整的情况下,顶煤的氧气浓度分布高于煤柱,但二者都具有自然发火的危险。由于散热作用,高温区离二者的漏风边界都有一定的距离,顶煤升温速率较煤柱更快。在改变漏风强度后,高温区位置和范围也会随之改变。此研究结论可以帮助缩小现场火源区的寻找范围,以便及时采取措施抑制自燃。     

基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟

为了研究非达西渗流下的采空区自然发火情况,对4种不同平均粒度的破碎岩样分别进行了稳态渗流实验,再对得到的数据按非达西方程处理,然后进行二元拟合得到非达西渗透系数 K 与孔隙率 n 和粒度 d 的关系式以及非达西流因子 β 与 n 和 d 的关系式。依据流体动力相似准则的雷诺准则将这些关系式推广应用到实际采空区,结合采空区动态移动的特点,建立了移动坐标下的采空区漏风流场、氧浓度场和温度场相耦合的自然发火数学模型,利用有限体积法编制了数值解算程序。以河东矿31005工作面的采空区为例,解算得到了不同推进速度下的氧浓度场和垮落煤岩温度场的分布情况,比较分析后得出加快推进速度能显著降低该采空区自然发火危险。