半“O”型冒落采空区注CO_2防灭火的数值模拟

为确定采空区注入CO_2防灭火的相关技术参数,研究注CO_2过程中多组分气体浓度场分布、扩散及自燃温度场变化的规律,基于实测数据,建立采空区非均质多孔介质3D数值模型。运用FLUENT软件,解算按半"O"型圈描述冒落岩层碎胀系数分布的数学公式、通用控制方程、遗煤耗氧与放热公式。模拟结果表明:未注入CO_2时,CO_2浓度及O_2浓度随距工作面距离的增加而逐渐降低,采空区最高温度出现在回风侧;注入CO_2时,CO_2浓度随着注入口距工作面距离的增加和注入量的增大而逐步升高,O_2浓度则反之。采空区CO_2注入口的最佳位置在进风侧距工作面20~30 m处,合理注入流量为540~720 m~3/h,此时采空区氧化带最大宽度稳定在64 m,最高温度下降13℃。模拟结果与现场标志气体监测数据相符。     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

基于惰化降温耦合作用的采空区低温CO2注入位置研究

为了更好的使用低温CO2预防采空区煤自燃事故,利用FLUENT数值模拟的方法,结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件,构建了考虑采空区不同压实程度的低温CO2注入采空区惰化降温耦合作用数值计算模型;分别研究了CO2注入量为540m3/h和720m3/h时,不同注入位置对采空区氧化带内最高温度点和氧化带宽度变化的影响。研究表明,合理的低温CO2注入位置为距工作面支架尾梁20～30m。     

电厂烟道气预防遗煤自燃的合理含氧量模拟研究

为确定电厂烟道气用于遗煤自燃预防的含氧量参数,以塔山坑口电厂及塔山煤矿8105工作面为原型,建立基于计算流体力学(CFD)和煤氧复合理论的遗煤自燃三维数值模型。采用数值模拟方法,研究多场耦合条件下,含氧量为3%9%的烟道气注入采空区后的运移状态以及氧浓度场和温度场的变化规律。结果表明,注入烟道气能够有效惰化采空区遗煤,随注入烟道气含氧量降低,氧化带最大宽度的减小符合Boltzmann函数曲线,同时,遗煤最高温度呈指数下降趋势。降低烟道气含氧量有助于提升遗煤惰化水平,以实测注氮后采空区氧化带宽度为指标,确定7.08%为烟道气用于预防采空区遗煤自燃的合理含氧量上限。     

采空区热环境对深部倾斜厚煤层自燃区域影响研究*

为探究热场对深部倾斜采空区煤自燃区域划分的影响,通过对采场空隙结构和耗氧速率进行分析,利用Fluent软件模拟不同通风方式下热环境对采空区流场及自燃带影响。结果表明:受倾角工作面、采空区空隙率及地温梯度综合影响,下行冷风与受采空区浮升力作用的热风在工作面中下部汇合并涌向工作面,使工作面局部温度升高;上行通风方式采空区蓄热范围大于下行风,回风侧温度更高;上行通风自燃带进风侧范围25～40 m,回风侧范围21～52 m;下行通风自燃带进风侧范围15～40 m,回风侧范围15～24 m;结合工作面实测参数,上行风回风侧自燃带范围19～47 m,与实际误差较小。研究结果可为倾角采空区热场条件对自燃带划分影响分析提供参考。     

多场耦合作用下瓦斯与煤自燃协同预防数值模拟

为解决某综放面采用顶板巷与上隅角联合抽采方式可能引起的煤自燃及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题,采用数值模拟从瓦斯、氧气体积分数分布特点和温度场角度综合分析合理顶板巷位置与抽采流量,为协同预防瓦斯和煤自燃复合灾害提供指导。结果表明:抽采口、上隅角瓦斯体积分数随抽采流量增加而降低;抽采流量100m3/min是影响氧化带宽度变化幅度的拐点;抽采流量对采空区最高温度的影响较大,对高温范围宽度影响较小;综合确定合理顶板巷位置为内错回风巷15 m,合理抽采流量为100~150 m~3/min;现场应用表明该方案既能解决瓦斯超限问题,又能有效控制煤自燃威胁,表明数值模拟具有较好的可靠性。     

易自燃大采高工作面采空区注二氧化碳自燃区域分布规律研究

为了防治易自燃大采高工作面自然发火,采取采空区注二氧化碳抑制遗煤氧化自燃。通过数值模拟与束管监测相结合的方法,研究了采空区注二氧化碳前后的自燃区域分布规律。数值模拟结果表明,采空区进风侧自燃带最宽,更容易发生煤自燃,注二氧化碳后自燃区域显著减小。其中,压注口距工作面20 m时,采空区中部和回风侧自燃区域分别减小68 m和65 m;距工作面40 m时,采空区进风侧、中部和回风侧自燃区域分别减小50 m、50 m和61 m;距工作面60 m时,采空区进风侧自燃区域减小82 m。模拟结果和现场观测结果一致,证明了注二氧化碳可显著减小自燃危险性区域。     

晋牛矿1303综放面采空区注氮方案研究及数值模拟

为了合理设计采空区注氮防灭火方案，以晋牛煤矿1303综放工作面为研究对象，通过在采空区进、回风侧布置束管监测系统，连续测定采空区气体浓度变化，划分采空区自燃“三带”分布区域,并基于采空区自燃“三带”划分标准和数值模拟的方法，利用流体力学COMSOL计算软件，研究不同注氮量、注氮位置下采空区氧化自燃带的分布规律。研究结果表明:注氮量和注氮位置参数的变化，对氧化自燃带上界限的影响并不显著，而对氧化自燃带的下界限影响比较显著；最合适的注氮位置应该在距离切顶线30 m左右，运用Origin软件得出注氮量与氧化自燃带宽度呈指数关系，由拟合式计算出最优注氮量为386 m3/h，此时氧化自燃带的宽度为31.5 m。     

工作面动态推进下采空区煤自燃分布特征模拟

为了研究动态推进过程中工作面推进距离对采空区煤自燃分布特征的影响,采取及时有效的煤自燃防治措施,以13210综放面为工程背景,基于采空区渗透率分布公式和传热传质控制方程,建立采空区煤自燃数值解算模型。利用COMSOL软件模拟了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律,分析了高温区域与氧化带的叠加效应。通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟的准确性。研究结果表明:采空区渗透率随着工作面推进距离的增加而不断变化,近工作面端渗透率变化不大,而中深部采空区的渗透率不断减小;采空区氧化带分布随工作面推进距离的增加呈现阶段性变化特征,推进初期氧化带范围不断变化,推进后期氧化带范围趋于稳定;采空区氧化带分布与高温区域重叠深度随工作面推进不断增加,最终稳定于工作面后方60~70 m范围内。     

孔隙率和风速对上覆采空区煤自燃的影响研究

为探究孔隙率和风速对上覆采空区煤自燃的影响,以某矿井的综采工作面为研究对象,运用Fluent软件进行数值模拟,建立了矿井U型工作面立体模型和采空区内多孔介质的渗流场数学模型,得到了上覆采空区氧气浓度和瓦斯浓度的分布状况。当孔隙率恒定时,随着风速增大,下覆采空区和上覆采空区的散热带和氧化带的面积增大,上覆采空区遗煤的二次氧化造成煤自燃倾向增大,对采空区深部的氧浓度和自燃发火的影响较小,对回风巷道上隅角的瓦斯浓度影响较大;当风速大小恒定时,随着孔隙率增大,上覆采空区和下覆采空区漏风区域面积的增加小于风速对其的影响,上覆采空区遗煤自燃发火的几率相对较小。该研究对采空区遗煤火灾和瓦斯超限防治具有重要意义。     

“U+I”型采煤工作面瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究

为了研究“U+I”型工作面进风量和顶板巷抽采负压对工作面瓦斯浓度与采空区氧化带宽度的影响,协调瓦斯抽采和浮煤自燃之间的关系。以2306综放面为工程背景,基于“U”型冒落岩层孔隙率分布公式和流体通用控制方程建立采空区数值模拟解算模型。采用CFD软件对不同进风量、不同抽采负压下的工作面瓦斯浓度和采空区氧化带宽度进行模拟,结果表明:随着工作面风量的增加,工作面和顶板巷瓦斯浓度减小,但工作面处浓度减幅逐渐变小而顶板巷浓度减幅几乎不变;提高顶板巷抽采负压,对减少工作面瓦斯浓度效果明显,顶板巷自身瓦斯浓度先增加再减小,采空区进风侧氧化带宽度变窄,回风侧和采空区中部氧化带宽度增加,总体上增加了采空区浮煤自燃的危险性但影响程度有限。     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

高位巷瓦斯抽采下采空区自燃危险性数值分析及应用

针对大流量高位巷瓦斯抽采可能诱发采空区自燃问题,以南山矿18层5分段综放面为研究背景,构建采空区气体渗流分析模型。利用变渗透系数和Forchheimer方程,求解非线性流与层流并存下采空区三维氧气分布。结果表明:高位巷瓦斯抽采使工作面氧气更易沿漏风方向采空区纵深发展,氧化带总体宽度会随抽放流量的提高而增加。在进风侧氧气分布后移程度较小,而回风侧受抽放负压显著影响,出现明显氧气富集区。上下隅角封堵配合注氮,会降低抽放对氧气渗入的诱导影响。依据研究结论,利用综合防火措施消除了高位巷附近潜在的自燃危险。     

不同孔隙率对采空区自燃的影响规律研究

为探究煤矿采空区在不同孔隙率条件下对煤自燃环境的影响,基于多孔介质渗流特性的相关理论,以煤矿综采工作面为原型建立了U型通风采空区三维模型和渗流数学模型,利用Fluent软件对采空区以不同的孔隙率大小和分布方式进行数值模拟计算,从而得到采空区的漏风和氧气浓度的分布状态,以及氧化带的位置变化情况,进而研究不同孔隙率对采空区煤自燃环境的影响规律。研究表明:采空区漏风主要源于工作面下隅角处,进入采空区的漏风量大小与采空区的孔隙率有关。孔隙率越大,靠近工作面的漏风流速越大,氧气浓度越高,而深入采空区,孔隙率大小对采空区漏风影响越小,氧化带随着孔隙率的增大不断向采空区深部移入;孔隙率分布方式对采空区漏风速度的影响较大,且距离工作面越近影响越大,采空区深部则差别不大。     

采空区开区注氮灭火温度场冷却过程的数值模拟

为研究开区注氮条件下,采空区遗煤自燃被抑制和熄灭作用复杂力学过程(原理),由非均质多孔介质中的渗流连续性方程、气体弥散方程和综合传热方程的联立,建立了注氮采空区煤自燃的非定常数值模型。结合实例,用迎风格式有限元方法求解。计算在不同情况下采空区自燃高温点熄灭过程,以图形方式给出了采空区的漏风流态、氮气流态,描绘灭火降温过程中,采空区氧、CO和温度分布的动态变化过程。提出了对自燃早期火灾施行开区注氮灭火的方法和适用的判定准则。理论计算得到开区注氮灭火分为两个阶段过程,即原火源熄灭和新自燃氧化区形成并自燃。指出实施开区注氮灭火应准确把握注氮时机和防止新自燃氧化区形成的工作面开采推进时机;并配合降低漏风措施条件下进行注氮。