急倾斜综放面采空区注氮方案研究及数值模拟

急倾斜综放面由于大倾角开采、地质条件差等原因,导致工作面推进过慢,以致为采空区遗煤自燃提供了充分的供氧和蓄热条件,同时由于不能随采随注浆,进风隅角封堵也可能受障,采空区持续供氧,工作面后采空区大范围自燃的可能性也很大。注氮成为解决急倾斜综放面采空区防灭火的重要技术之一。为解决因注氮流量、注氮位置凭经验设置造成的氮气浪费问题,采用Fluent数值方法优化急倾斜注氮方案,分析了注氮量、注氮位置等参数对急倾斜综采面采空区氧气和氮气的体积分数分布,及自燃"三带"分布的影响规律,得出急倾斜综放面采空区注氮量、注氮位置和工作面风量的合理匹配。结果表明:供风量越大,采空区横三带后移,宽度越大,注氮位置与氧化带前端距离随工作面风量增大而增大,但是风量增大到1 000 m3/min后,变化较小,注氮位置基本控制在距离工作面25 m左右;注氮量在600~800 m3/h时效果明显。根据模拟结果,提出了双管注氮方案,解决了急倾斜综放面采空区自燃发火问题。     

天池矿102综放孤岛工作面控制风量防灭火技术研究

为了防治天池煤矿15#煤层102综放孤岛工作面采空区煤炭自然发火,对工作面实际供风量40.0 m3/s时进行了现场监测,并基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟的方法,采用流体力学COMSOL计算软件,研究了工作面不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律,确定了氧化升温带的范围,并得到了工作面供风量与氧化升温带宽度的拟合曲线。研究结果表明,"U+I"型102工作面采空区自然发火主要是由采空区漏风引起的;氧化升温带宽度随着工作面供风量的增加而增加;现场监测与数值模拟的采空区"三带"变化规律吻合较好;当工作面供风量为40.0m3/s时,既能有效抽排瓦斯,又能有效预防采空区煤炭自然发火。在102综放孤岛工作面的现场实践表明,运用控制风量防灭火技术防治天池煤矿采空区遗煤自燃是可行的。     

U型通风采空区注氮参数优选

现场实测了某矿工作面采空区的氧气浓度分布,并利用反演的方法确定了更符合现场实际的基础参数,模拟得到的氧气浓度分布与实测数据基本吻合,以确定的基础参数为条件,利用FLUENT软件对U型通风方式下采空区注氮防灭火技术参数进行了研究。研究结果表明:注氮量相同的条件下,注氮口位置不同时的采空区氧气浓度分布规律也不尽相同,其所达到的防灭火效果也不一样,对比分析自燃“三带”及考虑相应的安全回采速度,确定了最佳注氮口位置为进风侧距工作面10m处;注氮口位置相同时,随着注氮量的增加,采空区自燃带不断回缩前移,自燃带宽度越来越小,通过比较模拟结果及参照相关判定条件,确定了注氮口为10m时的最佳注氮量180m3/h。     

急倾斜综放面采空区瓦斯及自燃综合防治数值模拟

针对急倾斜高瓦斯易自燃厚煤层综放面缓慢推进条件下采空区瓦斯事故及火灾的严重性,提出了上隅角浮抽、上顺槽铺设预埋管路采空区抽放、钻场顺层钻孔裂隙带抽放瓦斯的综合防瓦斯措施,但抽采扩大了自燃氧化带,为保证采空区抽放条件下的自然发火控制,采用注氮技术控制缓慢推进工作面的采空区自燃三带范围,通过Fluent模拟分析了工作面风量对采空区火与瓦斯的影响,瓦斯抽放对采空区流场及自燃"三带"分布的影响及注氮效果。结果表明,供风量增大到一定程度,自燃氧化带最大宽度及瓦斯浓度超90%边界距工作面最大距离都会趋于平缓,该拐点为防火防瓦斯的最佳风量,Fluent模拟分析了采取防火防瓦斯措施后流场,验证了综合抽放配合注氮技术解决采空区瓦斯积聚及自然发火危险的有效性。     

矿井工作面注氮防控采空区自然发火技术应用研究——以告成矿23041工作面为例

在矿井工作面回采期间,上隅角煤自燃指标参数经常出现异常,给工作面采空区防火措施的执行带来难题。注氮防灭火工艺因其可靠性高成为防止工作面采空区发生自燃的有效措施。结合告成矿23041工作面的具体情况,对适用的注氮工艺与参数进行设计：对采空区采用埋管注氮工艺、间歇注氮,注氮流量选择380～500 m3/h,注氮位置为进风侧距离工作面40 m。当工作面出现自燃指标参数异常时,应适时启动注氮防灭火措施,直到煤自燃指标参数恢复正常,可有效构建精准的采空区防控火技术体系。     

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。     

工作面长度与采空区遗煤自燃的关联性分析

为了研究工作面长度与采空区遗煤自燃规律的内在联系,利用理论分析方法对工作面长度与其推进速度及遗煤自然发火期的关系进行了分析,得到了保证遗煤不自燃的最长工作面的确定方法。以九道岭矿和华兴矿某工作面为例,利用数值模拟和相似模拟方法对工作面长度与采空区漏风量及"三带"划分之间的关系进行了研究,得到了工作面长度与采空区漏风量及"三带"宽度的关系表达式。结果表明:工作面长度的确定受多种因素的影响,为了保证遗煤不自燃,工作面长度存在一个上限值,此值可以通过工作面长度与工作推进速度及遗煤自然发火期的关系进行确定;当工作面供风量不随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足对数函数关系;当工作面供风量随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足"∪"型二次抛物线函数关系,工作面长度与采空区氧化带宽度之间近似满足"∩"型二次抛物线函数关系。     

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%。     

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。     

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。     

采空区氧化带与发火期动态演化规律模拟研究

为研究采煤工作面开采过程中采空区自燃氧化带的分布与宽度及发火期动态变化规律,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,基于变形几何和其他多物理-化学场,以瑞安公司014N1-1综放工作面为例,建立采空区自燃动态数值模拟模型,开展采空区遗煤自燃数值模拟研究。结果表明:工作面开采过程中,供风量大、推进速度低,氧化带初次出现所需时间长、发火期短;氧化带最大宽度与时间间有类似"S"型关系,动态非稳定性增加;开采初期氧化带宽度随风量增加而变小,开采稳定阶段,则相反;随开采速度增加,氧化带最大宽度与推进速度的比值(Lmax/vt)变小,自燃危险性降低。     

基于CFD及正交试验的工作面流场参数优化

采空区注氮是一种常用的采空区防灭火及治理遗煤自燃的措施,与采空区瓦斯抽采及工作面通风相似,均会对整个工作面及采空区流场产生影响,为了实现工作面及采空区生产安全性及经济性最优化,对进风量、采空区流管总量、流管高度、流管间距、注氮量 、注氮位置六因素进行正交试验,借助数值模拟软件对正交试验确定的方案进行三维流场模拟,根据模糊数学相关理论选择模糊优选评价指标及指标权重,对所得结果进行优选,得到所有因素的最优解,进而得到优组合。实现采空区注氮、瓦斯抽采及工作面通风参数优化。     

低透自燃煤层综放采空区瓦斯与火共治方法研究

红庙矿5-2S煤层为低透气性自燃煤层,顺层预抽钻孔抽采效果较差。针对其在综放开采过程中遇到的采空区瓦斯抽采与自然发火防治互相矛盾的问题,开发上隅角浅部埋管抽采瓦斯与筛管注氮防治遗煤自然发火的共治办法。采用下限8%氧体积分数曲线与上限0.004 m/s漏风风速曲线为边界来划分采空区自燃"三带",应用COMSOL软件模拟采空区在瓦斯抽采量为70 m3/h和注氮量为350 m3/h条件下,注氮时间和配风量对采空区自燃"三带"宽度的影响。求出当注氮时间为16 h和配风量为770 m3/min为平衡二者矛盾的平衡点。对比分析依据现场监测数据绘制的自燃"三带"曲线和模拟得到的自燃"三带"曲线,发现模拟结果准确可靠,说明所开发的共治方法可用于生产实践中。     

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。     

综放孤岛工作面采空区自燃与爆炸危险区监测及数值模拟

针对高瓦斯矿井自燃煤层综放孤岛工作面开采时采空区漏风导致的采空区自燃和瓦斯爆炸灾害综合防治的技术难题,以天池煤矿102孤岛工作面为例,进行采空区自燃"三带"及爆炸危险带现场监测及数值模拟研究。监测结果表明,102工作面采空区氧气体积分数随与工作面距离增加而下降,工作面进风侧采空区氧化升温带宽度较大,工作面中部到回风侧采空区氧化升温带宽度逐渐减小。利用COMSOL软件模拟采空区风流速度场、氧气体积分数场、甲烷体积分数场和自燃"三带"分布。数值模拟结果表明,102工作面采空区进风侧切顶线20~70 m范围内氧气体积分数大于8%,风速小于0.004m/s,存在自然发火危险;工作面回风侧采空区没有自燃危险带;工作面进风端头后部采空区的自燃危险带内瓦斯体积分数也处于爆炸范围5%~15%内,此重合部分即为瓦斯爆炸危险区。     

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。     

“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。     

矿山防灭火技术(十)——第十讲 均压通风在矿井防灭火中的应用

在矿井通风系统中,无论巷道、工作面或采空区,风流方向总是从高压端流向低压端,风量大小取决于风路两端点间压力差和两点间的风阻。均压通风防灭火的基本原理就是采用风压调节技术使火区或有自燃危险的区域(如采空区)的进、回风侧压差尽量减小,乃至为零,使之少漏风或不漏风,以消除自燃三要素之一的供氧条件,防止煤和硫化矿石自热和自燃或使火区缺氧而灭火。均压通风在矿井防灭火中可以用于以下4种情况:     

综采面动态注氮作用下采空区“三带”分布及防灭火技术研究

刘庄矿171101工作面邻近停产线,为防止遗煤自燃,采用动态注氮方式向采空区注氮。为了确定停采后注氮口和灌浆口的合理位置,利用热电偶和束管对采空区内一定范围内气体和温度进行实测,根据温度、CO、CO2分布规律并结合MIN-MAX方法综合划分出采空区"三带"范围。实践证明,以该方法确定的注氮口和灌浆口的位置能够更好地抑制遗煤的自燃,为其他类似停采线附近防灭火提供了参考价值。     

易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模拟

易自燃煤层采空区瓦斯和火灾综合防治是煤矿亟待解决的难题,基于多孔介质渗流理论,把采空区渗透系数以及瓦斯涌出源项看成随采空区位置变化的量。建立采空区气体流动的质量方程、动量方程、组分传输方程以及能量守恒方程,应用fluent软件模拟采空区在不同工作面供风量、不同抽放情况下采空区流场分布,得出工作面风量与氧化带宽度的拟合关系式。指出瓦斯抽放对采空区瓦斯浓度分布以及氧化带宽度影响比较显著;结合现场观测数据,表明数值模拟的可靠性。通过数值模拟,可以得出采空区不同瓦斯治理参数与氧化带宽度的对应关系,为煤矿采空区瓦斯和火灾合理防治提供依据。