回采采空区自燃的早期过程及数值模拟分析

用对流问题的迎风有限元方法结合图形显示技术，求解了采空区漏风渗流移动方程和氧浓度消耗与扩散方程（数值模型），描述了采宽区自燃早期的漏风流态和氧浓度分布特征，用高氧浓度区与蓄热区的叠加确定采空区自燃氧化带。该模型能分析在不同漏风条件下自燃氧化带的形状变化及自然发火危险位置；工作面进度和工作面风量与自燃氧化带范围具有连续的依赖关系，为研究采空区自然发火早期成长过程，合理控制工作面进度等提供一种辅助分析手段，有利于从根本上预防采空区自然发火。     

采空区遗煤自燃过程及其规律的数值模拟研究

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自燃数值模型。结合实例,从理论上描绘了工作面开采过程中采空区的漏风流态、氧、CO、瓦斯和温度等分布状态及其动态过程。计算中考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用;工作面动态推进对自燃的影响,以及沿边界冒落非压实性对漏风供氧、自燃高温区产生的影响。从理论上重点讨论了采空区自燃与各因素的定量化关系,得出自然发火期与煤氧化速度、工作面风量二者均呈显著的反比例关系;对于综放工作面采场漏风供氧系统,自然发火期主要取决于煤的耗氧能力,提高工作面风量仅能扩大自燃高温区的范围,增大自燃的发生几率;提高推进度能显著延长采空区自然发火期,呈指数变化。     

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。     

CFD模型下采空区瓦斯抽采与注氮防灭火设计

为寻求针对高瓦斯易自燃煤层的最佳注氮防灭火设计方案,以某矿综采面为原型,开发带有抽采孔的计算流体力学(CFD)模型。采用基于截断温度的稳态模拟方法,得出采场气体运移及分布的基本形态。在此基础上,分别模拟并分析不同抽采方式、抽采位置、抽采流量与注氮条件等因素对自燃危险区域分布的影响。结果表明:抽采方案的选择会直接影响采空区内部流场的形态,进而改变自燃危险区的分布。在相同注氮流量下,采空区深部注氮比浅部注氮能够达到更好的惰化效果,将自燃危险区域整体向前压缩。立体抽采时,应合理布置钻孔间距,以避免漏风通道相互贯通,配合采用注氮惰化缩减氧化自燃带范围,在实现瓦斯抽采最大化的同时防治遗煤自燃。     

基于试验与数值模拟的采空区氧化带漏风量的反演计算

以六家矿WⅡN16-7综放工作面为试验地点,研究采空区氧化带漏风情况。根据采空区自燃"三带"划分标准和防火注氮技术原理,通过现场实测、数值模拟、实验室试验确定注氮防火基本参数。首先,利用热重试验方法确定采空区惰化防火指标。根据惰化防火指标,通过现场实测和数值模拟的方法分别确定采空区在注氮和不注氮情况下自燃"三带"分布。然后,根据自燃"三带"分布范围,构建氧含量分布数学模型,计算出采空区氧化带混合气体中氧含量的平均值。最后,基于以上参数,通过反演计算得到采空区氧化带漏风量。计算结果表明,采空区氧化带内漏风量为15.12 m3/min,约占总供风量的2.1%。     

双鸭山煤田井下自燃火灾规律及防治

根据双鸭山煤田开采史上11次重大的井下自燃火灾。探讨其发火地、发火时间、发火条件方面的规律。同时提出某些预防煤田自燃发火的对策——采后或采空区预防性注浆;对可能产生自燃火灾的采空区注砂或充填,加以封闭隔离;采用直观判断、指标判断等方法进行预测预报:注氮防灭火;喷涂阻化剂以延缓煤氧化;选择合理的开拓方式和回采方法:选择合理的通风系统和利于防火的通风方式;控制向采空区的漏风等。     

供风量对采空区自燃动态影响及防灭火技术

为有效防治采空区遗煤自燃,以瑞安矿014N1~(-1)综放工作面为研究对象,监测工作面供风量为1 150 m~3/min时的氧气浓度及漏风速度数据;基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟方法,利用Comsol软件研究工作面不同供风量时采空区自燃带随回采时间的动态变化,确定稳定阶段自燃带的范围,得到工作面供风量与自燃带宽度的拟合曲线;提出构筑风流隔离墙与注氮相结合的防灭火技术。结果表明:随工作面供风量的增加,自燃带边界向采空区深部延伸,自燃带宽度也逐渐加大;在现有开采条件及推进速度下,工作面供风量应低于1 500 m~3/min;风流隔离墙与注氮相结合的防灭火技术,可使采空区自燃带宽度降至24. 6 m,防灭火效果较好。     

采空区亚自燃状态及其向自燃转化研究

针对高危自燃采空区遗留煤发生自燃问题,提出采空区亚自燃状态的概念.开采推进过程中的采空区自燃,都可理解为是从亚自燃状态向自燃状态转化的结果,且其转化过程时间很短,小于最短自然发火期.在不同条件下的自燃过程满足叠加组合原理,采空区亚自燃状态向自燃转化过程是两种以上过程的叠加.转化受亚自燃状态程度(稳定温度)、工作面推进度、漏风供氧、煤堆积状态及防灭火措施(注氮)等因素影响.亚自燃状态理论能够解释生产实践中一旦某一不利因素出现,能在短时间内导致自燃发生的现象(自燃突发性).亚自燃状态概念的提出,将有助于从理论上正确认识实际采空区自燃状态的演变过程,实现早期预防采空区自燃的发生.     

高瓦斯矿井孤岛综放采空区遗煤自燃综合防治技术

针对国阳二矿高瓦斯自燃煤层综放开采的实际情况,分析了"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃特点及危险性。利用单元法对孤岛面的漏风状况进行了实测,并通过数值模拟分析了综放采空区内的漏风流场,根据采空区自燃"三带"的渗流风速确定了可能自燃带的范围,表明采空区漏风是"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃的主要危险因素。在此基础上,结合实际情况系统地制定了以有效控制采空区漏风和重点发火区域注胶为主的综合防灭火技术措施,为有效控制综放采空区遗煤自燃,实现矿井高产高效、安全生产提供技术保障。实践表明,运用控制工作面风量与高抽巷负压、均压堵漏、压注胶体防灭火材料及加快工作面推进速度等综合防灭火技术防治高瓦斯矿井"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃是可行的。     

近距离煤层联合开采采空区自然发火规律及防治技术研究

为了解决近距离煤层上、下回采工作面联合开采易引起采空区遗煤自燃的安全问题,通过实验室实验、现场测试和数值模拟等方法,系统研究了山西华苑煤业有限公司9号与10号近距离自燃煤层回采工作面联合开采采空区自然发火的相关问题,包括煤层赋存与煤质特征、煤自燃特性与自燃标志气体及指标优选、联合开采工作面布置与开采参数、采空区漏风检测、采空区气体分布与自燃"三带"划分。给出并实施了束管监测预报、限定工作面最低推进速度、喷洒阻化剂、注氮防灭火和凝胶灭火等综合防灭火技术措施,实现了近距离自燃煤层联合开采的安全生产,对类似条件有一定的参考价值与借鉴意义。     

采空区遗煤自燃升温过程的数值模型及其应用

基于漏风渗流方程、氧浓度渗流-扩散-消耗方程和传热方程,建立了采空区自然发火非定常数值模型,并用迎风格式的有限元方法联立求解.结合实例,从理论上描绘了采空区漏风渗流、氧浓度分布和温度分布,以及它们随时间的加速变化过程,同时给出自燃的附产物CO的分布情况,重点给出了遗煤的自燃耗氧与升温的量化关系.结果表明,通常情况下采空区高温区偏在入风一侧,边界漏风对高温区有一定影响.与传统的采空区冷却带、自燃带和窒息带的三带划分相比,该模型能对自然发火问题给出更准确的解.模拟的自燃升温是加速的过程,同基于实验分析和实际观测得到的规律基本一致.     

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。     

Y形通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、多相气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区瓦斯与自燃发火耦合数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解的计算机程序(简称G3).计算以图形方式给出各量的区域分布解,从理论上描绘了Y形通风采空区的漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧和CO的体积分数以及温度分布状态及其变化过程,并证明了Y形通风形式能避免采空区瓦斯向工作面涌出.计算中采空区按冒落非均质介质处理,考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,给出了这种耦合作用关系和解决办法.Y形通风采煤的自燃,两者存在着顾此失彼的关系.     

浅埋近距离煤层内错布置采空区自燃危险区域研究

浅埋近距离煤层内错布置开采下部煤层时,地表裂隙易与复合采空区相互贯通,造成地表漏风,使采空区,特别是上部老采空自燃危险区域的分布难以预测。针对此问题,以酸刺沟煤矿6上109工作面至地表空间为研究对象,在漏风测定及束管监测的基础上,建立地表与复合采空区漏风模型,借助FLUENT数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。研究表明,地表漏风最终汇入下部采空区回风侧,加大了其自燃危险区域范围;漏风流在向回风侧偏移的过程中,由于煤柱的阻挡,风速逐渐降低,与下部漏入的风流共同作用,使上部老采空区形成了氧浓度中间低四周高的不规则环状自燃危险区域;下部采空区进风侧向上的漏风增加了本煤层采空区的总漏风量,加大了其自燃危险区域宽度,同时增加了上部老采空区局部氧浓度,使其自燃危险性增大。     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区“O”型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈“L”形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。     

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。     

堵漏技术在无煤柱开采防火中的应用

无煤柱开采技术已广泛应用。该技术虽然提高了回采率,但同时也加剧了采空区的漏风量,大面积采空区联通给防灭火带来了难题。由于采空区难以触及等原因很难直接探知采空区内煤岩体的自燃情况。文中采用有限单元法计算了采空区内渗流速度场和氧浓度场分布,通过两者叠加划出了采空区堵漏前后自燃＂三带＂分布,并对比分析了堵漏前后两种情况下自燃带宽度的变化,可以看出漏风对采空区＂三带＂分布的影响较大,显示了在无煤柱开采中应用堵漏技术防治采空区自燃的必要性。     

高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟

为了掌握高瓦斯沿空留巷采空区遗煤自燃危险区域分布规律,指导工作面防灭火工作。采用数值模拟的方法,以首次采用沿空留巷技术的乌兰矿工作面为实例,模拟分析采空区漏风及氧化带三维分布规律。使用单因素分析法,分别模拟高位钻孔、上隅角埋管及地面钻孔抽采对采空区氧气浓度分布的影响。结果表明:多种瓦斯抽采措施下,工作面及沿空留巷均向采空区漏风,导致氧化带范围扩大,但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同,高位钻孔抽采最弱,上隅角瓦斯抽采次之,地面钻孔抽采最强。沿空留巷附近及上覆采空区供氧时间长,自然发火危险性高。     

综放采空区防灭火注氮数值模拟与参数确定

用有限元数值方法 ,求解了综放开采采空区注氮情况下的漏风渗流方程和氧浓度渗流耗散方程 ;结合计算机图形技术 ,直观展示了注氮前后采空区流场、流态和氧浓度分布动态变化 ;模拟了在不同注氮量下注氮控制区边界的变化过程 ,得到控制区边界位置与注氮流量呈负指数关系 ;重点探讨了用数值模拟方法确定合理注氮参数 (注氮流量、注氮位置和注氮时间 )的新方法。