阜生矿15~#煤层自燃特性实验研究及应用

针对阜生矿15#煤层容易自燃的特点进行程序升温实验研究,测试研究了不同温度下CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2等自燃发火标志性气体的浓度和热解温度,遴选出自燃发火标志性气体,并利用标志性气体的浓度指标对矿井的自燃灾害进行预测预报,为阜生矿早期自燃预测预报和矿井火灾防治提供有针对性的预防措施。     

煤层自然发火指标气体分析

通过对煤样进行热解实验,研究了神华金烽公司唐公沟矿煤层自然发火特性,测定了煤样在不同热解温度下CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C3H8等气体的浓度,确定了这些气体的检出温度。在实验研究的基础上,结合指标气体优选原则,分析了自然发火指标气体随温度变化的规律性,选出了适合本矿煤层自然发火预测预报的指标气体,对提高煤炭自燃早期预测预报的准确度和矿井防火有重要指导意义。     

采空区三维耦合场数值模拟研究

采用FLUENT数值模拟方法对采空区三维耦合场进行了分析研究,简述了FLUENT流体数值模拟软件的理论基础,并对FLUENT进行了自行编程,运用开发模型对祁南矿1015工作面及采空区的三维耦合场进行了模拟分析,得到了采空区压力场、漏风流场分布规律。运用现场实测氧气浓度和模拟结果相对比,得出此次模拟能够较好满足现场工程要求。对采空区进行了自燃三带划分,指出采空区自燃最危险的区域在支架后上部,结合10煤最短发火期算出最小推进速度0.8m/d,对工作面的安全回采和采空区火灾的防治具有指导意义。     

易自燃厚煤层工作面自然发火CO预测及防治

为了有效预防遗煤自燃，深入研究自然发火初期的CO预测技术。基于回风隅角CO源的理论模型，以Gambit建立相似二维采场模型，数值模拟了采空区自燃“三带”范围，并采用现场束管监测手段对结果进行了验证。利用程序升温实验获得了不同温度段回风隅角CO的极限指标，并与现场实测值对比分析，进而预判采空区遗煤发火程度，为制定有针对性的防治措施提供理论指导。研究结果表明:CO作为低温氧化阶段预测指标对预防遗煤自燃具有重要作用。     

立体抽采条件下高瓦斯采空区煤自燃危险性预测

为准确预测高瓦斯采空区煤自燃的状况,通过分析发现高抽巷是监测采空区遗煤自然发火的最有效地点。推算出采空区气体在高抽巷中所占的体积分数,进而确定采空区遗煤不同的燃烧阶段所对应的CO体积分数和CO指数。结果表明:当高抽巷中的CO体积分数Chdr CO<30×10-6或CO指数ICO<0.5%时,采空区的遗煤处于低温氧化阶段;当高抽巷中的CO体积分数Chdr CO≥30×10-6或CO指数ICO≥0.5%时,采空区遗煤进入自然发火危险阶段,此时必须采取措施控制采空区自燃氧化的进一步发展。对80501工作面的采空区煤自燃成功地进行预测预报,实现了安全生产。     

煤炭自然发火预报指标气体研究

利用指标气体预报煤炭自燃是预防和控制煤炭自燃火灾的重要方法,不同煤样自然发火的指标气体及临界值可能不同,在实际预报中,应根据矿井实际情况选择正确的指标气体及其临界值.通过自燃特性试验,研究了高头窑煤矿2-3煤层煤炭自燃过程中的标志性气体,分析了各气体产生量随煤样温度变化的曲线.确定该矿的主要指标气体为CO、C2H4及稀烷比.当CO含量持续存在并不断增加则认为煤炭已自燃,C2H4含量达到0.5ppm意味着煤体的温度可能已经达到145℃.该结果对该矿煤炭自燃火灾的预防和控制工作具有重要意义.     

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。     

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。     

赵家寨煤矿煤自然发火标志气体优选分级预警研究

为了有效实现赵家寨高地温煤矿二1煤层自燃预测预报,本论文采用程序升温实验,得到5组煤自然发火标志气体与温度关系,优选二1煤层自然发火标志气体,并根据现场实际情况,制定该矿的煤自燃分级预警表,提出对应防控措施。结果表明:CO气体出现时为缓慢氧化阶段,C_2H_4和C_2H_6气体出现时,进入快速氧化阶段,该煤层应该首选CO作为其煤自然发火主要标志气体,CO/CO_2作为其煤自然发火主要复合指标,并以C_2H_4和C_2H_6作为辅助指标,制定4级预警表,提出了各级煤炭自燃防控措施。研究成果对郑州矿区二1煤层Ⅲ类不易自然发火煤炭的自燃防控具有一定指导意义。     

煤低温氧化阶段指标气体产生规律

为得出阿戛煤矿煤炭低温自燃气体产生的规律,更好地为井下防灭火措施提供救灾决策依据,通过模拟实验系统进行了煤的程序升温实验,分析了煤自燃过程中各种气体的产生特征,确定了阿戛煤矿九煤层的煤自燃指标气体。研究结果表明,随煤温的升高,CO表现出较为明显的规律性,能够很好地表征煤的自燃氧化过程,温度达到160℃时,C2H4浓度会突然增大,随着温度升高其浓度增加的幅度逐渐增大,且不受环境的影响,可以将CO,C2H4作为煤炭自燃氧化的主要指标气体,同时,CH4、C2H6、C2H4/C2H6值、ΔCO/ΔO2值、O2可作为煤炭自燃辅助预警指标。     

风障联合压实防治煤堆自燃技术工艺参数优化

为提高煤堆自燃的防治效果,降低经济成本和提高施工的灵活性,基于煤堆自燃理论,使用COMSOLMultiphysics 5.0数值仿真软件,建立煤堆自燃模型,研究了煤堆最高温度和自然发火期变化及相关措施实施后最高温度降低规律,对比了单独压实、独立风障和风障联合压实的温度降低量,优化了联合措施的工艺。结果表明,煤堆孔隙率越小,自燃风速范围越宽,最小、最易、最大自燃风速越大;单独进行煤堆压实存在因孔隙率增加而降低的最低不宜风速;针对6 m高煤堆单独使用风障时,只有风障高12 m、距离煤堆25 m才能避免煤堆自燃;风障联合压实措施中,风障高7.5~9 m,设置距离煤堆10~30 m即能保证煤堆不自燃。说明联合的煤堆最高温度降低量更大,且能扩大压实的适用范围,降低风障高度,节约经济成本,增加风障现场施工的灵活性。     

风障联合压实防治煤堆自燃技术工艺参数优化

为提高煤堆自燃的防治效果,降低经济成本和提高施工的灵活性,基于煤堆自燃理论,使用COMSOLMultiphysics 5.0数值仿真软件,建立煤堆自燃模型,研究了煤堆最高温度和自然发火期变化及相关措施实施后最高温度降低规律,对比了单独压实、独立风障和风障联合压实的温度降低量,优化了联合措施的工艺。结果表明,煤堆孔隙率越小,自燃风速范围越宽,最小、最易、最大自燃风速越大;单独进行煤堆压实存在因孔隙率增加而降低的最低不宜风速;针对6 m高煤堆单独使用风障时,只有风障高12 m、距离煤堆25 m才能避免煤堆自燃;风障联合压实措施中,风障高7.5~9 m,设置距离煤堆10~30 m即能保证煤堆不自燃。说明联合的煤堆最高温度降低量更大,且能扩大压实的适用范围,降低风障高度,节约经济成本,增加风障现场施工的灵活性。     

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。     

极限平衡区顶煤自燃三维非均质动态数值模拟

为探究极限平衡区内顶煤自燃规律,利用Fluent软件对顶煤自燃进行数值模拟研究。通过对顶煤移动变形及自燃特点的分析,确定顶煤自燃过程的模拟为三维非均质动态模拟,并建立数学模型,给出相关参数及边界条件的确定方法。以恒大矿某工作面为例,对其顶煤的自燃过程进行数值模拟,并分析工作面风量及煤体耗氧速度与自然发火期之间的关系。结果表明:对计算区域进行模拟所得到的速度场、氧浓度场及温度场与现场观测结果及理论结果比较吻合;工作面风量对煤体自然发火期影响较小,而对高温区域中心点位置影响较大;煤体耗氧速率与自然发火期近似成负指数函数关系。     

高瓦斯煤层综放开采瓦斯与煤自燃综合治理研究

针对淮南潘三煤矿低透气性高瓦斯易自燃煤层综放开采的实际情况 ,笔者在综合分析影响综放面安全开采的瓦斯和煤自燃因素基础上 ,提出并实施了顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放、本煤层顺层孔卸压瓦斯抽放、尾巷抽放和排放等综合瓦斯治理措施 ,通过适时合理的工作面通风系统能位调整 ,合理配备工作面风量和控制采空区漏风量 ,解决了综放面回采时的瓦斯问题 ,有效控制了采空区煤炭自燃的发展 ,实现工作面的安全快速推进。实践证明 ,顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放是解决低透气煤层瓦斯抽放率低的有效方法 ,回采面的瓦斯抽放率在 30 %以上 ;尾抽和尾排是低透气性高瓦斯煤层安全生产的有效辅助措施 ,但其对工作面采空区煤炭自燃的“三带”有显著影响 ,影响的关键因素是通过采空区尾排及尾抽的混合流量。笔者提出的方法对类似条件的高瓦斯易自燃煤层综放安全开采有重要的指导意义。     

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。     

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。     

采空区渗透率分布对流场的影响

根据多孔介质渗流理论,利用计算流体力学软件Fluent,设定采空区渗透率为均匀分布、分段均匀分布和连续性分布,分别模拟这3种情况的采空区漏风流场。当渗透率均匀分布时漏风量小,自燃带靠近工作面。渗透率分段均匀分布时,速度在分区界面上产生跳跃。采空区渗透率连续分布条件下的漏风分布与假设分段均匀分布和均匀分布条件下的漏风量、漏风风速分布和自燃三带的位置和宽度有很大差别。结果表明,只有采用更能如实反映采空区岩石冒落和压实规律的渗透率分布,得到的采空区的风流流动规律才更符合实际。     

煤炭自然发火事故树分析及预防

为了有效地控制煤炭自然发火,减少矿井火灾的发生,依据系统工程的原理,结合煤炭自燃的条件建立了煤炭自然发火事故树,求解得出了事故树最小径集,利用最小径集得出了各基本事件的结构重要度,从而定性分别对砌碹巷道煤炭自然发火事故、采空区(报废采区)遗煤自然发火事故、采空区(生产采区)遗煤自然发火事故、报废巷道与停工停风独头巷道煤炭自然发火事故进行了分析,得出了引起煤炭自然发火的主要原因,并针对其提出了防治煤炭自然发火的预防措施。     

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。