高瓦斯易自燃煤层采空区自燃与瓦斯综合防治研究

阐述了高瓦斯易自燃煤层采空区自燃与瓦斯灾害难题,以N2202工作面为工程背景,通过室内实验、数值模拟和井下工业性试验等手段,研究了注入CO_2气体进行防治采空区自燃发火以及提高瓦斯抽采效率综合方法技术。结果说明,CO_2气体的注入使得采空区内CH_4气体浓度梯度分布向采空区深部移动,采空区中窒息带范围增大,进而减小了采空区氧化自燃的可能性;同时,采空区内原吸附于煤体中的部分CH_4气体被置换出来,提高了采空区内游离状态瓦斯浓度,使瓦斯抽采浓度由原平均浓度35.61%增高至49.25%。研究成果为高瓦斯易自燃煤层采空区综合防治提供了一定借鉴意义。     

自燃煤层放顶煤开采采空区“三带”划分研究

针对采空区遗煤氧化升温导致火灾现象，采用现场实测方法，研究采空区O₂、CO、CH₄浓度以及温度变化特征，结合遗煤氧化升温特性，对采空区发火趋势进行了预测。研究结果表明：当工作面推进超过80 m时，煤体已经充分压实，氧气浓度降低制约遗煤氧化升温反应，采空区进入窒息带，CO浓度稳定在18×10^-6;CH₄浓度变化随推进距离呈现连续增长趋势，略有下降后逐渐稳定，由工作面中部向两侧巷道纵向递减，最大CH₄浓度为1.15%;采空区各测点达到温度峰值呈现滞后性，工作面中部测点温度出现峰值时间早于回风巷早于进风巷，最高温度不超过21.2℃;采用氧浓度指标法确定氧化升温带为42.8 m,工作面最小安全推进速度0.658 m/d,在正常回采期间不会发生遗煤自燃现象。     

瓦斯对煤自燃过程中官能团演变的影响

为了探究瓦斯与煤自燃复合灾害演化过程中瓦斯对煤自燃进程的影响机制,以煤体内部化学官能团作为指标变量,基于正交实验设计及分析方法,分别研究了煤自燃过程中CH₄浓度、O₂浓度、N₂浓度及氧化温度对煤体内部不同种类官能团的影响规律。实验结果表明:与—CH₂—/—CH₃、C—H或—OH等其他官能团相比,—COOH与煤体氧化程度的线性拟合相似度最高,能够准确地反映煤体氧化进程。煤自燃过程中CH₄对—COOH占比的影响可分3个阶段进行,CH₄浓度＜6.0%时,CH₄有助于—COOH等官能团的氧化消耗,且浓度增加激励作用更为显著;6.0%＜CH₄浓度＜13.6%时,CH4仍起到促进作用,但促进幅度逐步降低;CH₄浓度＞13.6%时,CH₄起到抑制作用,且随着浓度的增加抑制作用逐步加剧;相较于N₂,低浓度和中浓度时CH₄对—COOH消耗的促进效应更强,高浓度时对—COOH消耗的抑制效应则更弱。     

CH4/CO2不同浓度混合气体的吸附－解吸实验

选择山东菜园矿的气煤和山西古交矿的焦煤的平衡水煤样对不同浓度的CH₄和CO₂混合气体进行了吸附－解吸实验,分析了CH₄和CO₂在吸附－解吸过程中各组分浓度的变化规律,并探讨分析了实验过程中出现高压阶段吸附量小于低压时的原因.结果表明,不同浓度的CH₄和CO₂混合气体的解吸曲线都滞后于吸附曲线;相同条件下,焦煤的吸附量大于气煤的吸附量;CO₂与CH₄浓度之比越大,气体的吸附量越大;吸附过程中,CO₂组分的吸附速率是先快后慢,而CH₄组分的吸附速率先慢后快,解吸时则相反.吸附和解吸平衡时,游离相中的CO₂浓度低于原始混合气体中的CO₂浓度,CH₄浓度高于原始气体中CH₄浓度.实验结果证实了CO₂在与CH₄的竞争吸附中占据优势,注入CO₂可以有效地置换或驱替煤层CH₄,注入CO₂气体的数量越大、相对浓度越高,单位压差CH₄解吸率和CO₂吸附率就越高.     

高瓦斯矿井采空区瓦斯与遗煤自燃综合防治技术

针对潞安集团某高瓦斯矿井综放开采过程中采空区煤层易自燃问题,以N2202工作面为工程背景,采用水平分支井对工作面瓦斯进行抽采,同时对采空区注入CO_2气体防治采空区自然发火。基于FLUENT通过CFD软件包对该工作面注入CO_2前后采空区内CH_4气体浓度进行数值模拟,结果表明,对采空区注入CO_2气体使得CH_4气体浓度梯度分布向采空区深部移动,并能有效对采空区内瓦斯积聚带瓦斯浓度进行稀释。CO_2气体的注入使得采空区内氧化带范围减小,同时致使吸附于煤体中的部分CH_4气体被置换出来,在防治采空区自然发火的同时有效提高了水平分支井对采空区瓦斯抽采效率。该研究成果为受煤层高瓦斯和自燃影响的矿井提供了一定的借鉴意义。     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程，利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大，CO₂储存量与CH₄产量增加，当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时，驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时，驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中，驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行，CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域，CO₂的注入对煤层渗透率影响较大，煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降；而在CO₂未影响区域，煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

张集煤矿1301综放面采空区气体场分布规律研究

为确定张集煤矿1301综放面采空区遗煤自燃风险范围，采用经孔隙度优化的数值模拟与现场实测相结合的方法，研究了该综放面采空区自燃“三带”分布规律以及CH₄在采空区内部的分布特点，确定了该综放面采空区煤自燃危险区域，明确了工作面的最小安全推进速度。结果表明：采空区CH₄体积分数随工作面走向距离的增加呈整体上升趋势；但在采空区中部沿走向存在20～80 m的相对稳定区；O₂体积分数随采空区深度的增加呈明显下降趋势，进、回风侧采空区氧化带范围分别为44.8～76.8 m、27.6～51.3 m.为了防止1301综放面采空区遗煤自燃，在不采取其他防火技术措施的情况下，应确保综放面推进速度大于1.43 m/d.     

阳煤五矿采空区注CO2防灭火技术研究

为研究阳煤五矿8406工作面遗煤自然发火的危险性，文章结合8406工作面对瓦斯治理的同时，对注CO₂的防灭火技术进行研究。利用程序升温实验得到阳煤五矿无烟煤耗氧速率与放热强度等参数应用到数值模拟当中，通过Fluent对不同注CO₂的位置、流量、温度进行研究，对比氧化升温带的区域范围变化。结果表明CO₂注入流量越大，对采空区防灭火工作越有利；注入CO₂温度越低，预防采空区遗煤自燃效果越好，在考虑现场经济效益以及实际工程应用的前提下，文章选定最佳注CO₂位置为采空区进风侧距工作面30 m,最佳注入流量设置为900 m³/min,最佳注入温度为278 K.     

采用三态材料防灭火技术的效果评价

为解决阳煤集团二矿采空区浮煤自燃问题,采用三态防灭火材料在80704工作面采空区进行现场试验。通过光纤温度在线监测系统和束管监测进行相关数据采集,采空区气体浓度、温度、三带在注入三态材料后发生显著变化,各测点的O₂浓度均在降低,最终维持在5%左右,CO₂浓度维持在10%左右,采空区深部的温度维持在20 ℃左右,CO浓度维持在11×10^-6;氧化升温带提前了11 m,缩短了18 m,窒息带提前了29 m,有效防止了采空区浮煤的自燃氧化。验证了既定三态材料防灭火系统的适用性,同时也说明了三态材料防止采空区浮煤自燃的可靠性。     

河北开滦矿区晚古生代煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性

研究了开滦矿区不同变质程度煤对不同配比CH₄/ CO₂二元气体等温吸附特性,用扩展Langmuir方程的推论计算了CH₄/ CO₂二元气体各组分在吸附相中的浓度,并分析了其变化特征,表明：煤对CH₄/CO₂二元气体的吸附并不是对纯CH₄和纯CO₂的独立吸附,而是2种气体的竞争吸附,混合气体中CO₂含量越高,总吸附量越大.在开滦矿区煤对CH₄/ CO₂二元气体的吸附过程中,利于CO₂吸附的条件是高CO₂组分浓度和高压力;中等变质程度煤利于CH₄吸附的条件是高CH₄组分浓度和高压力,而低变质程度煤是相对的低CH₄组分浓度和高压力.研究区低变质程度煤对CH₄ 的竞争吸附大于其对CO₂的竞争吸附,并不适合CO₂-ECBM 技术的实施;中等变质程度煤对CO₂ 的竞争吸附优于对CH₄的竞争吸附, 适于CO₂-ECBM 技术的实施.     

采空区下综采面采空区自燃“三带”实测研究

针对浅埋近距离采空区下综采面采空区煤层自燃防治,以李家壕煤矿31115工作面为生产技术背景,采用理论分析与现场实测相结合的方式,研究了采空区气体浓度分布特征与采空区自燃"三带"分布范围。研究结果表明:由于上覆采空区气体下泄导致31115工作面采空区O₂、CO气体浓度异常,下泄影响范围为采空区100 m以内;工作面进风侧散热带宽度为25 m,氧化升温带宽度为137 m,大于137 m为窒息带;回风侧散热带宽度为21 m,氧化升温带宽度为92 m,大于92 m为窒息带。     

采空区煤自燃引爆瓦斯的机理及控制技术

为有效防治高瓦斯易自燃矿井煤自燃引发瓦斯爆炸的难题,实验研究了CH₄与煤自燃火灾主要气体CO的混合气体的爆炸浓度范围及爆炸危险度,理论分析了煤自燃引爆瓦斯的可能发生区域和参与过程.结果表明,在高瓦斯易自燃矿井采空区内,当CH₄气体中混入大量CO,则混合气体的爆炸浓度上、下限的范围大大增加,爆炸危险度增大;同时,在煤自燃产生的火风压作用下,在发火区与非发火区之间不断形成CH₄,CO与新鲜空气的充分混合和热量的对流交换,导致瓦斯爆炸事故的发生.最后提出了采用大流量高品质的含N2三相泡沫来防治煤自燃引爆瓦斯的新技术.     

寺家庄矿无烟煤对CH4和CO2混合气体的吸附特性研究

通过对寺家庄15#无烟煤样多组分气体吸附试验的研究,比较了竞争吸附和置换吸附的试验结果,得出了寺家庄无烟煤对不同浓度的CH₄-CO₂二元混合气体的吸附特征,并对扩展Langmuir预测模型的适用性进行了评价。结果表明：竞争吸附和置换吸附的试验结果基本相同,注入的原始气体中CO₂相对浓度越高,置换的CH₄量越多。在3 MPa压力以下,利用扩展Langmuir方程预测无烟煤对不同浓度CH₄-CO₂二元混合气体的吸附量,精度均较高,一般误差在4～10个百分点。     

灵新煤矿煤自然发火规律及指标气体研究

利用大型煤自燃试验台对灵新煤矿16号煤层煤样在常温170℃范围内的氧化特性和指标气体参数规律进行了测试。结果表明，煤温以26 d和37 d为界呈现出不同的升温速率；期间CO、CO₂为煤氧反应的主要产物，其余指标气体陆续由煤体氧化与分解产生且浓度较低；随着煤温的不断升高，实验炉内最高温度点的位置主要沿中轴线变化，并逐渐向进风口下移。此外，对于指标气体的讨论结果表明，炉内O₂浓度沿气流方向从进口侧开始逐渐降低，而CO和CO₂浓度则表现出相反的变化规律。研究结果为现场煤自燃的预测和防治提供了有力的依据。     

煤自燃指标体系分析与优选实验研究

为了更加精准预测煤自燃发展进程并及时采取有效预防措施，利用自主研发的程序升温实验装置，以宁夏清水营煤矿与大佛寺煤矿的新鲜煤样为研究对象，获取2个实验煤样在不同氧化温度时所产生的气体体积分数与气体组分，分析实验煤样在低温氧化阶段的气体变化规律，并确定2个实验煤样的特征温度；同时，分别采用多参数指标法、气体增长率分析法与格雷哈姆系数3种方法，综合分析并预测实验煤样的氧化进程。结果表明：2个实验煤样在实验过程中产生的CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄与温度呈正相关关系；CO、CO₂与第二火灾系数R₂可作为预测2个实验煤样自燃的主要气体指标；CH₄、C₂H₆、C₂H₄、第一火灾系数R₁、第三火灾系数R₃作为辅助气体指标；宁夏清水营煤样的临界温度为60～80℃；干裂...     

采空区对CO2置换开采海域天然气水合物置换效果影响的实验研究

为揭示固体开采形成的采空区对CO₂置换开采天然气水合物置换效果的影响,开展了含采空区储层与完整储层的CO₂/N₂置换开采不同天然气水合物饱和度对比实验研究。结果表明:对于水合物饱和度分别为30%和45%的试样,含采空区储层较完整储层的CH₄置换率分别提高了5.5%和9%,单位体积CO₂封存量分别提高了26.5%和39.8%。采空区的存在提高了置换介质与天然气水合物的摩尔比率,从而提供了更高的置换驱动力;且在较高水合物饱和度试样中采空区还会提高置换介质的扩散作用,导致含采空区储层的置换效果好于完整储层。因此,在固体开采后进一步进行CO₂置换开采,可以提高置换开采效率,同时有助于碳封存与地层稳定,是一种潜在的海域天然气水合物安全、绿色开采模式。     

高瓦斯易自燃煤层采空区瓦斯与自然发火综合防治研究

以余吾矿N2202工作面为工程背景,对采空区注入CO_2气体进行防治采空区自然发火以及提高瓦斯抽采效率进行研究。结果表明注入CO_2气体使得瓦斯浓度梯度向采空区深部移动,并对采空区瓦斯积聚带瓦斯浓度进行稀释。同时致使吸附于煤体中的部分CH_4气体被置换出来,在防治采空区自然发火的同时有效提高了水平分支井对采空区瓦斯的抽采率。     

红阳二矿12号煤层标志性气体实验研究

针对红阳二矿12号煤层遗煤氧化的规律与特点，有效地进行防灭火工作，掌握采空区中遗煤氧化的速度，对红阳二矿12号煤层进行了煤样升温氧化实验，在温度不断升高的过程中检测出CO与多种烯烃气体，并且在不同温度下煤体析出气体的速度不同，最终选择CO、C₂H₄、C₂H₂作为标志性气体，产生的临界温度分别为59、176、403 ℃。在采空区检测出CO气体，说明采空区遗煤进入快速氧化阶段；检测出C₂H₄气体时，遗煤进入剧烈氧化状态；检测出C₂H₂气体时，说明采空区中已经产生明火，井下人员需要迅速撤离。通过煤体标志性气体的确定，建立12号煤层自燃预警系统，保证井下工作人员的生命安全与能源的充分利用。     

不同φ(CO2)/φ(O2)比例对煤自燃特性的影响

为了研究CO₂对煤自燃特性的影响,利用热重与质谱联用技术测试了阳泉五矿煤在不同φ(CO₂)/φ(O₂)比例下的氧化燃烧过程,分析了热重曲线,特征温度点,放热量与气体逸出规律。研究结果表明:随着φ(CO₂)/φ(O₂)比例增大,热重曲线向高温偏移,特征温度点升高,燃烧剧烈程度降低,气体逸出温度升高;温度小于360℃前,放热量相差较小;温度继续升高后,在相同温度下,放热量随氧浓度降低而降低;由于CO₂与H2反应产生CH₄,所以CO₂含量越高,CH₄逸出强度更高;同时,煤在低氧浓度下更易不完全燃烧,所以会产生更多CO;相较于空气氛围,CO₂浓度高于88%时才具有抑制作用。     

涌水采空区自燃火灾防治技术研究及应用

针对涌水采空区自然发火问题，采用惰性复合材料和惰性气体对采空区进行充填惰化，研究了惰性复合材料和惰性气体防灭火机理，利用光纤测温和束管测气技术，对粉煤灰灌浆和液态CO₂在22101涌水采空区煤自燃火灾防治中的实际应用效果进行研究分析。结果表明：在涌水量较大的采空区，液态CO₂比粉煤灰灌浆的环境适应性更好，能够迅速扩散并惰化拟处理区域，中断遗煤的加速氧化过程；在采空区形成窒息环境之前，遗煤氧化过程减慢但仍在持续。分析认为，粉煤灰灌浆在大涌水工况下的扩散性和稳定后的滞留性有待进一步优化，与液态CO₂结合使用，可提升对涌水采空区自燃火灾防治的应用效果。