采空区自燃"三带"微循环理论及漏风流场数值模拟

为掌握采空区自燃"三带"分布及其自然发火规律,通过唐口煤矿2307工作面采空区自燃"三带"现场温度和气样观测,利用FLUENT软件对采空区漏风流场数值模拟.结果表明:采空区自燃是一个氧热微循环过程,当漏风供氧大于氧化耗氧、氧化生热大于漏风散热时,氧热微循环可持续进行,直至自燃;得出工作面不同风量下采空区自燃"三带"的区域.进风巷侧采空区可能自燃带范围在48.2～98.6 m,而回风巷侧采空区可能自燃带范围在24.3～98.6 m.经对比分析,得出最有利于采空区防灭火的最佳供风量为1 200～1 440 m~3/min,可满足防灭火的需要.     

简放工作面供风量与采空区遗煤自燃危险性研究

针对地方煤矿易自燃厚煤层简易放顶煤开采推进速度低的现实条件,本文在分析不同氧浓度条件下煤的耗氧速度、采空区煤氧化自燃三带及其与采空区漏风量关系基础上,研究了工作面供风量与漏风量及其采空区氧化带宽度的关系,研究结果为厚煤层简放开采工作面的合理供风量及防治煤炭自燃措施应用提供了技术依据.     

低O_2含量条件下煤自燃产物生成规律的实验研究

针对采空区自燃带、巷道高冒区、封闭火区等自燃危险区域内O2体积分数φ(O2)低于矿内大气中O2含量的实际情况,开展了φ(O2)分别为21%,17%,13%,9%,5.8%的煤自燃试验,分析了氧化产物CO,C2H4,CO2的生成规律.结果表明,氧化产物的生成随φ(O2)的降低总体呈现"滞后效应":氧化产物生成的初始温度滞后;相同温度时氧化产物的生成量减小.由于滞后效应的存在,如按正常O2含量条件下测定的煤自燃特性预测自燃进程,会造成延迟预报或误报,因此,采用实际O2含量测定煤的自燃特性更符合现场情况.     

采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研究

基于漏风渗流方程、多组分气体混溶-扩散方程和综合传热方程,建立采空区瓦斯和自燃耦合数学模型．通过现场实测获得基础数据,用G3程序（有限元数值方法）求解了在煤耗氧和瓦斯涌出共同环境下采空区瓦斯-氧浓度及温度的分布．结果表明,在单纯瓦斯涌出（无消耗氧）条件下,采空区氧被瓦斯稀释现象比较显著;采空区内高强度的瓦斯涌出能够使自燃氧化区域进一步缩小,削弱了煤的自燃氧化进程;自燃产生的热风压也能加剧工作面向采空区的漏风及对采空区内瓦斯的排放．耦合影响随工作面向采空区的漏风量的提高而相对降低．     

煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法研究

通过煤自燃过程中的绝热氧化升温速率、耗氧量、交叉点温度的综合分析研究,指出以煤自燃某一阶段的单一特征参数无法体现煤自燃过程的整体特性,提出了煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法.该方法在测试程序升温条件下煤样温度70℃时煤样罐出气口氧气浓度和之后的交叉点温度的基础上,得出煤自燃倾向性的氧化动力学综合判定指数,根据该指数的大小判定煤自燃倾向性的强弱.对不同煤种的综合判定指数与绝热氧化、30℃物理吸氧量对比分析,结果表明氧化动力学综合判定指数更能够反映煤自燃的难易程度.     

煤巷高冒区破碎煤体自然发火微循环理论分析

为了有效防治煤巷高冒区的自燃火灾,通过对高冒区现场试验的测温、取样化验分析和计算机流场模拟,分析了高冒区附近的风流微循环过程,建立了高冒区破碎煤体中的微循环流场和温度场的数值模拟模型.结果表明:高冒区附近的破碎煤体自燃分为高冒区中部的最有可能自然发火区Ⅰ、周边的可能自然发火区Ⅱ和自燃氧化影响区Ⅲ.煤巷高冒区破碎煤体的自燃氧化微循环机理可以表达为氧化耗氧与漏风供氧的氧平衡和氧化生热与漏风对0流散热的热平衡,如果漏风供氧能够保证煤炭自燃氧化的进行,同时氧化生热大于散热,则煤炭自燃微循环过程则能持续下去,发展为自燃,有效的高冒区自燃火灾防灭火措施为充填、堵漏和惰化高冒区,破坏氧热微循环过程的进行.     

煤自燃特性的热重-红外光谱实验研究

煤体的结构不同决定其具有不同的氧化活性,不同结构的煤需要不同的温度条件才能够发生明显的氧化反应并释放相应的热量.通过对3种具有不同自燃倾向性的煤进行动力学研究,并结合3种煤样进行红外光谱实验,根据煤的主要特征光谱峰以及特征官能团吸收光谱强度变化,确定煤分子中的化学键和官能团对煤氧化能力的影响.认为活化能是评判煤的氧化自燃性的一个指标;羟基是影响煤氧化特性的一个重要官能团,芳氢/脂氢的比例也反应出煤自燃性的大小.研究结果为防治煤的自燃提供了理论依据.     

空气流量下易燃煤层采空区遗煤氧化升温特性研究

为研究空气流量对采空区遗煤自燃的影响,基于九宫格原理设计了易燃煤层采空区的漏风通道,借助自行搭建的实验平台进行了煤自燃氧化升温实验,分析煤样耗氧速率和放热强度随煤温变化的规律。结果表明:考虑煤样空隙率时,耗氧速率有3次较为明显的峰值,第一次峰值出现在48℃左右,第二次峰值出现在75℃左右,第三次峰值出现在105℃左右;不考虑煤样空隙率时,大空气流量下,耗氧速率的3次峰值均高于第一种方法计算出的耗氧速率,在小空气流量下,耗氧速率的峰值差别不大;80℃之后,实验煤样生成的热量开始占据主导地位,放热强度与温度呈指数变化。可根据实验结果调节矿井的漏风量,来防治井下采空区的遗煤自燃。     

基于FLUENT的采空区流场数值模拟分析及实践

利用流体力学数值模拟软件分析采空区流场的分布,对研究采空区自燃氧化"三带"的空间分布极其方便和有效.通过对仿真数值模型的建立和通风参数的改变,分析不同供风量条件下的流场分布,有利于对采空区自燃发火等情况的分析和预测.基于采空区漏风极限的原则,通过FLUENT对唐口1304综放工作面进行数值模拟,分析了流场的分布,划分了自燃氧化"三带"的范围,对矿井内因火灾的防治提供了指导,有利于矿井的安全生产和整体安全水平的提高.     

瓦斯抽采对采空区浮煤自燃影响及防治措施

针对立体瓦斯抽采对采空区自燃带分布及浮煤自燃的影响,以采空区风流速度的变化为切入点,以义马集团U+Ⅰ型通风系统为背景,研究在立体瓦斯抽采系统中由于漏风而造成采空区"三带"分布变化及对浮煤自燃的影响.结果表明,瓦斯抽采及采空区浮煤自热产生的"内生火风压"加剧了采空区的漏风,使自燃带的划分范围更复杂,增加了采空区发火的危险性,最后提出了增阻漏风及同步注氮、注水、注浆的综合防灭火措施.     

竖壁贴附射流加导流板呼吸区送风气流组织CFD及试验研究

本文以有集中热源的办公室建筑为例,在相同送风量和相同送风温度条件下,研究比较了两种直接向呼吸区送风(竖壁贴附射流加导流板送风和层式送风)的气流组织特性,分析比较了两种送风方式的温度场和速度场及温度和速度随房间高度的变化.研究结果表明,两种送风方式下,新风都可以直接达到呼吸区内,呼吸区内空气品质良好,但竖壁贴附射流加导流板形成的竖壁贴附呼吸区送风可以在工作区内形成一个速度和温度都更加均匀的空气湖环境,且能够获得较好的舒适度.该研究为竖壁贴附呼吸区送风的新型气流组织设计提供了参考依据.     

非均质采空区气-固耦合温度场迎风有限元求解

重点讨论了用迎风有限元方法结合图形显示技术计算回采采空区温度场温度分布问题．先建立采空区煤耗氧和自燃升温的定解数学模型，联立求解了漏风渗流方程、氧浓度消耗——弥散方程和传热方程．详细描述了在漏风流作用下采空区遗煤氧化自燃过程，给出了采空区温度分布的稳定的动态数值解．通过计算对比，该方法有效地控制了数值解的振荡，避免了人工干预对计算结果影响，又便于可视化处理．     

高硫自燃煤层低温氧化气体衍生规律研究

煤炭氧化后,随着氧化进程的不同将依次释放出各种气体,这些气体的出现及释放量能准确反映煤炭氧化自燃程度.利用煤氧化升温实验装置,研究了王台矿15号煤层煤自燃氧化特性,以及自燃升温过程中产生氧化气体和碳氢类气体随温度的变化规律.确定了15号煤自燃指标气体,并进行了详细分析,所得结果能够指导煤自燃的早期预测预报与防治工作.     

易自燃煤层放顶煤开采工作面合理长度分析

以采空区自然发火危险为约束条件,用采空区场流方法(数值模拟)和自燃三带理论,结合实例,研究放顶煤开采工作面合理长度问题.得到工作面长度安全临界值与煤的最短自然发火期成正比关系.通过现场测定风量和采空区气体浓度分布,得到在当前工作面特定采空区流场环境下的自燃氧化带宽度和模型基础参数,数值模拟出不同工作面长度的采空区自燃氧化区宽度的变化关系;回归得到,在理论上,工作面长度与自燃氧化带宽度近似服从二次曲线关系.分析中给出了自燃安全判别量和自燃安全区间.     

乌达矿区煤自燃预测标志气体研究

为遴选预测煤自燃进程的标志气体,采集了乌达矿区6个具有代表性的煤样.在实验室开展煤升温氧化气体产物的测定实验,主要测试了煤样在升温氧化条件下各种气体组分的发生量.根据各种气体组分的发生量及最低检测温度,确定了乌达矿区煤自燃预测预报的标志气体,为该矿区煤自燃火灾的预测预报提供了实验依据,对矿区的安全生产具有较好的指导作用.     

乌达矿区煤自燃预测标志气体研究

为遴选预测煤自燃进程的标志气体,采集了乌达矿区6个具有代表性的煤样．在实验室开展煤升温氧化气体产物的测定实验,主要测试了煤样在升温氧化条件下各种气体组分的发生量．根据各种气体组分的发生量及最低检测温度,确定了乌达矿区煤自燃预测预报的标志气体,为该矿区煤自燃火灾的预测预报提供了实验依据,对矿区的安全生产具有较好的指导作用．     

三相泡沫对综放面采空区漏风的影响规律

为研究综放面上隅角埋管注三相泡沫时采空区漏风风流的变化规律,采用FLUENT软件进行模拟分析.模拟结果表明,当综放面倾角分别为0°,10°,30°时,三相泡沫在采空区沿工作面倾斜方向的扩散范围分别达到20～30,50～100,100～150m,大大地减少了采空区的漏风风量;同时,采空区氧化带带宽分别缩减为10～20,10～15,5～10m,模拟结果表明三相泡沫能有效地防治采空区的煤炭自燃.以新集二矿1606工作面为例,注三相泡沫后,采空区氧化带带宽由60m缩减为15m以内,漏风风量由原来的约200m3/min减少到约25m3/min,以此为依据制定的防灭火方案取得了很好的效果,表明了模拟结果跟现场实际基本吻合.     

承压破碎煤体低温氧化试验系统研制及应用

为研究应力、温度、水分对采空区煤自燃的综合影响,结合多场耦合理论与现有测试技术,开发一套煤低温氧化试验系统。该试验系统可模拟应力、温度、水分及渗流环境,可测试采空区破碎煤体在不同应力、温度、水分条件下的渗透参数,改变了目前煤低温氧化测试不能加载应力的现状,改进了煤自燃的试验研究方法,为后续研究承压破碎煤体多场耦合氧化机制及氧化动力行为差异性提供了途径。应用该系统测试了承压破碎煤体的低温氧化特征,识别了应力、温度、水分对煤体堆积状态和低温氧化过程的影响。     

多邻近采空区瓦斯抽采下工作面漏风规律研究

为了掌握邻近多采空区及本煤层采空区瓦斯抽采背景条件下的采空区漏风规律,以沙曲矿15202工作面为例对邻近多采空区的开采环境及其采空区瓦斯抽采所导致的漏风问题开展研究。通过对采空区的空间环境分布及瓦斯抽采对15202工作面漏风影响的分析,辅助工作面沿程漏风量实测,采空区及瓦斯抽采系统中气体体积分数的测定,结果表明:(1)多邻近采空区及在瓦斯抽采条件下,工作面采空区漏风严重;(2)采空区漏风风量中的55.7%经采空区漏入工作面,18.5%经上覆裂隙进入14202采空区抽采系统,14.7%进入邻近采空区,11.1%进入上隅角瓦斯抽采系统。此结果为采空区煤自燃防治提供了决策依据,并对类似工作面的漏风识别具有指导意义。     

“U+I”型采煤工作面采空区瓦斯抽采量理论研究

以顶板巷卸压瓦斯抽采"U+I"型工作面为背景,为协调采空区瓦斯抽采与煤自燃耦合防治,提出了合理瓦斯抽采量概念,并分析了合理瓦斯抽采量的3种模式,建立了合理瓦斯抽采量理论.结合采空区漏风源汇特征,以质量守恒、风排瓦斯安全指标、采空区氧化带宽度、回采速度及自然发火期为指标,分别建立了瓦斯涌出及遗煤自燃的约束边界条件.在合理瓦斯抽采量理论基础上,确定了采空区合理瓦斯抽采量的数学模型.以义马耿村矿13210工作面为例,利用建立的数学模型,得到理论合理瓦斯抽采量范围为129.0~236.8m3/min,后续通过工作面瓦斯涌出及自燃氧化三带宽度数据,发现现场180.0~190.0m3/min的瓦斯抽采量满足瓦斯及自燃防治的需要,从而验证了模型的正确性和有效性.