特厚易自燃煤层综放工作面采空区氧化自燃带分布规律模拟研究

特厚煤层(厚度8m)放顶煤开采过程中,采空区遗煤多,煤自燃火源隐蔽,位置和程度难以判定,加大了矿井火灾防治的难度。本文通过ANSYS FLUENT软件对山西峁底矿13204易自燃煤层综放面(煤层平均厚度12.06m)采空区的空间自燃"三带"分布规律进行了研究。模拟结果表明:沿采空区走向,在底板进风侧附近,氧化自燃带离工作面最小距离为20m,宽度68m;沿工作面倾向,氧化自燃带沿垂直于工作面的中心线呈非对称分布,进风侧氧化自燃带最宽,回风侧次之,采空区中部最窄;沿垂直高度方向,进风侧氧化自燃带距离底板最高可达30m,其宽度为12m。本文研究结果有望为特厚易自燃煤层综放面采空区防灭火提供理论借鉴作用。     

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.     

工作面推进下采空区煤自燃进程的动态模拟研究

提出了一种改进的非稳态模拟方法,用于分析工作面推进对采空区遗煤所处渗流和氧化环境的动态影响.基于所建立的模拟方法,模拟了耿村矿13210工作面不同推进距离下采空区渗流参数、氧气浓度和温度场的动态分布,并通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟方法的可行性.结果表明:该模拟方法实现了采空区煤自燃过程与工作面动态推进间的反演,发现采空区自燃危险区域随推进距离的增加呈现阶段化分布特征;当工作面推进90～120 m后,采空区渗透参数、氧气浓度的分布在滞后工作面一定范围内相对稳定,但温度场具有明显的拖尾降温现象.采空区动态尺度下的模拟更能体现采空区煤自燃过程与自燃危险区域分布,为动态推进下的采空区煤自燃预测提供了指导.     

采空区自燃“三带”分布规律的四维动态模拟

从空间和时间四维角度出发,提出了一种可实现动态回采过程模拟的"定网格、动属性"的非稳态模拟方法,利用优化改进了的采空区孔隙率、渗透率动态分布数学模型,通过计算流体动力学(CFD)法模拟了某综放工作面推进过程中采空区氧气浓度的变化规律,得到了不同推进阶段采空区氧浓度的分布规律.结果表明:采空区氧浓度分布受"O"型圈影响显著,"氧化带"分布范围随工作面推进分为两个阶段:一是工作面回采初期,采空区内进风侧-开切眼-回风侧一线漏风明显,随工作面推进,漏风范围逐渐增大;二是工作面回采中后期,主要漏风区域集中在进回风两侧及近工作面一带,氧化带分布相对工作面位置趋于稳定,大致呈非对称的"U"型分布.     

瓦斯抽采下沿空留巷采空区自燃危险区域判定

由于沿空留巷工作面采空区漏风严重且对具有自然发火的煤层影响较大,所以研究沿空留巷采空区自燃危险区域具有重要意义。针对沿空留巷侧采空区瓦斯抽采及充填墙裂隙演化诱导漏风及自燃问题,以沙曲矿沿空留巷综放面为研究对象,通过SF6漏风实测及束管观测研究,研究了工作面及沿空留巷侧采空区漏风规律及氧气体积分数分布特征,并对采空区不同倾向范围内自燃氧化"三带"的分布区间进行了识别及划分,进而在理论及实测分析的基础上,结合工作面推进速度及煤层自然发火期发现在沿空留巷侧采空区倾向方向5~30 m存在自燃危险区,若改变工作面开采条件,其他非自燃区域可能转变为自燃危险区。     

倾斜煤层采空区自燃“三带”划分及防灭火措施

山西金晖瑞隆煤业有限公司主采的8+10号煤层具有自然发火危险性,为准确确定8115工作面自燃带位置,以便为采取防灭火措施提供靶位,以氧气体积分数作为划分指标,采用束管抽气法进行采空区自燃“三带”现场测定。构建采空区数值模型,采用FLUENT软件进行解算,得出采空区氧气体积分数分布规律。基于此,对自燃“三带”进行划分,确定自燃带宽度,并提出防灭火对策。结果表明：8115工作面采空区散热带为0～51.2 m;自燃带为51.2～86.2 m;窒息带为86.2 m以里。建议采用埋管注氮或架间插管汽雾阻化防灭火措施,对采空区自燃带进行全方位防灭火控制。     

矿井火区封闭进程中瓦斯爆炸危险性的数值模拟分析

为分析火区封闭过程瓦斯爆炸危险性,本文采用热平衡法对封闭过程中烟气影响条件下的甲烷爆炸危险性开展了研究,建立了CO2与CO影响下甲烷爆炸危险性变化数学模型和封闭过程中火区气体组分演化数学模型,并采用FLUENT软件对封闭过程中的主要气体体积分数变化进行了数值分析,在此基础上分析了封闭过程中甲烷爆炸的危险性,得出了甲烷爆炸危险区域位置分布规律和易爆炸时间节点.结果表明:封闭过程中由于受多组分烟气存在的影响,甲烷爆炸下限受CO体积分数的影响较大,而甲烷爆炸上限对CO2体积分数变化较为敏感;火区封闭过程中,火源燃烧状态由富氧燃烧变为富燃料燃烧后甲烷爆炸危险区域大范围增加,得出封闭过程中瓦斯爆炸危险区域主要分布在靠近火源位置和采空区回风侧,其中采空区火源位置的爆炸危险区域持续时间更长,爆炸危险度更大.     

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.     

易燃煤层隅角封堵效应研究

由于高瓦斯易自燃煤层采用U+I型通风,上下隅角极易向采空区形成大量漏风,从而诱发采空区浮煤发生自燃.通过数值模拟与现场实测,利用自燃氧化带区域的分布情况作为量化指标,表征上下隅角封堵措施对采空区浮煤自燃的影响效应.首先,利用FLUENT模拟隅角封堵前后采空区的立体瓦斯场、氧气场以及速度场分布,并以风速与氧气体积分数双指标划分采空区的自燃氧化带区域;其次,利用SF6示踪气体实测隅角封堵前后工作面的漏风量及漏风特征;最后,埋点实测封堵前后采空区的氧化环境,对比模拟结果,从而验证封堵措施的有效性,为矿井瓦斯抽采与煤自燃防治提供技术参考.     

综采放顶煤采空区注氮防灭火模拟试验研究

采用物理模拟试验研究了综采放顶煤采空区注氮防灭火的适用性．综采放顶煤采空区注氮模型的相似性分析表明，在保证采空区流体动力相似的条件下，即可满足采空区注氮模拟条件．模拟结果表明，对２００ｍ长的综放面采空区注氮难以取得有效的惰化效果．现场观测表明，无煤柱开采的综放面，邻近采空区的漏风及自燃发火危险更大，应在漏风源处注氮，并配合堵漏和均压措施，彻底惰化漏风源．     

Spontaneous combustion influenced by surface methane drainage and its prediction by rescaled range analysis

This study established numerical modeling using COMSOLTMto examine the influence of horizontal location and drainage ability of surface borehole on spontaneous combustion in longwall working face gob. Rescaled Range Analysis(R/S analysis) was employed to investigate the chaos characteristic of N_2/O_2 ratio from a surface borehole in 10416 working face gob, Yangliu Colliery, China. The simulation results show that there is always a circular ‘‘dissipation zone" around the drainage borehole and an elliptic ‘‘spontaneous combustion zone" in deep gob. Little influence was found on spontaneous combustion zone on the intake side of the gob but the width of spontaneous combustion zone in middle gob is enlarged, while the depth of spontaneous combustion zone near the return side is reduced. The R/S analysis indicates that the influence of surface borehole on spontaneous combustion can be divided into two stages by the chaos feature of N_2/O_2: safety drainage stage and spontaneous combustion initiating stage. It can be concluded that the methane drainage from gob through surface borehole can intervene in the distribution of spontaneous combustion zone in gob and the chaos feature of N_2/O_2 from surface borehole can effectively reflect coal spontaneous combustion condition in gob.     

Temperature field simulation of gob influenced by atmospheric pressure

The current temperature field model of mine gob does not take the boundary conditions of the atmospheric pressure into account, while the actual atmospheric pressure is influenced by weather, so as to produce differences between ventilation negative pressure of the working face and the negative pressure of gas drainage in gob, thus interfering the calculated results of gob temperature field. According to the characteristics of the actual air flow and temperature change in gob, a two-dimensional temperature field model of the gob was built, and the relational model between the air pressure of intake and outlet of the gob and the atmospheric pressure was established, which was introduced into the boundary conditions of temperature field to conduct calculation. By means of analysis on the simulation example, and comparison with the traditional model, the results indicate that atmospheric pressure change had notable impact on the distribution of gob temperature field. The laboratory test system of gob temperature field was constructed, and the relative error between simulated and measured value was no greater than 9.6%, which verified the effectiveness of the proposed model. This work offers theoretical basis for accurate calculation of temperature and prediction of ignition source in mine gob, and has important implications on preventing spontaneous combustion of coal.     

大采高综采工作面瓦斯与煤自燃综合治理技术

针对张集煤矿1215（3）高产高效综采工作面高瓦斯、易自燃开采过程中的安全问题,本文介绍了大采高综采工作面采空区顶板高位抽采技术,优化顶板走向钻孔位置,结合顺层钻孔和上隅角埋管等抽采瓦斯措施综合治理瓦斯,同时采取均压通风、加快工作面推进速度、采空区灌浆、注氮等技术措施防治煤自燃,保证了回采期间回风流瓦斯浓度平均小于0.5%,CO浓度20PPm以下,实现了工作面的正常安全生产。研究成果为淮南矿区一次采全高高产高效工作面的瓦斯、防火治理提供了借鉴经验。     

深井易自燃煤层沿空掘巷预留窄煤柱煤自燃防治技术

针对深部采区沿空掘进巷道窄煤柱的自燃发火状况,在应用能位测定的方法基础上,分析了巷道关键位置的能位关系和采空区的漏风状况,及时采取巷道全断面喷浆、注浆加固煤柱和压注阻化剂等措施,控制了煤柱自燃氧化的一步恶化趋势,实现了预留窄煤柱沿空掘进巷道的安全施工,研究成果对类似条件的易自燃煤层留设窄煤柱沿空掘进的煤柱防灭火工作有现实指导价值.     

Bulking factor of the strata overlying the gob and a three-dimensional numerical simulation of the air leakage flow field

The present study examines the results of the researches related to the gob bulking factor carried out at home and abroad. A mathematical function of a three-dimensional gob bulking factor is described based on a three-dimensional gob model. The method of taking value for interstice and permeability ratios is also proposed. The law of air leakage of fully mechanized top coal is researched in this study. The results show that the speed of air flow near the upper and lower crossheadings is higher than that in the central section of the gob at the same distance from the working face. When the amount of air at the working face exceeds a critical amount, the width of the spontaneous combustion zone in the upper and lower crossheadings is also larger than that in the central section. In this situation, the key is preventing the coal left in the upper and lower crossheadings from self-igniting. Reducing the amount of air at the working face can decrease the width of the spontaneous combustion zone, especially the width near the upper and lower crossheadings. This also moves the spontaneous combustion zone in the direction of the working face. It can prevent the coal in the gob from self-igniting by making the coal left in the crossheadings to be inert and by effectively controlling the amount of air at the working face.     

注氮惰化窒息燃烧煤炭氧浓度的实验研究

利用煤炭自燃实验系统,对龙固煤矿7煤煤样的自燃过程进行了模拟实验.实验研究了注氮情况下的煤氧化煤温、自燃状态与氧含量的变化关系,确定了龙固煤矿7煤煤样窒息的最低氧浓度,研究结果对使用注氮防治煤炭自燃技术的应用具有重要的现实指导意义.     

大倾角中厚煤层短壁工作面防灭火实践

沛城煤矿8325采煤工作面属大倾角中厚煤层短壁开采.工作面回采过程中发生严重的采空区煤炭自燃现象,针对具体条件采用均压、埋管注胶、雾化阻化剂等防灭火措施,取得了较好的效果,提出了采煤工作面大倾角中厚煤层短壁开采的防灭火方法.     

综放面采空区矿压特征与漏风形态

分析了综采放顶煤工作面采空区岩体碎胀特征，着重讨论了采空区内各分区漏风形态和范围以及由此引起的遗煤自燃特性和上隅角瓦斯超限问题。     

综放面煤层自然发火区域划分的理论研究

应用煤炭自然发火理论,对综放面煤层自燃发生区域进行了全面分析,认为遗留在采空区内回采巷道周围的煤体容易自燃,即综放面采空区易形成自然发火的"U"型区域.根据通风渗流强弱情况,对采空区进行了重新划分,分别称之为强渗流带、弱渗流带和窒熄带.同时根据"U"型发火区和弱渗流带的交汇处能够发生高概率煤自燃的特点,提出了"易着火区"的新概念.在总结发火区域划分结果的基础上指出了综放面今后在防灭火技术措施的方向.