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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

风帘长度对采空区瓦斯体积分数及自燃“三带”分布的影响

采用Fluent软件,对工作面进风侧无风帘、风帘长度20 m、30m、40m四种情况下的采空区流场进行了数值模拟,分析了不同风帘长度下采空区瓦斯和自燃“三带”的分布情况.结果表明:随风帘长度增加,采空区瓦斯爆炸范围虽变化不明显,但距工作面越来越近;采空区自燃带逐渐向工作面靠近,能使窒息带在采空区走向方向上变宽,覆盖原本位于采空区自燃带中后部(靠近窒息带)的高温点,降低采空区自燃发火的危险性.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于封闭耗氧试验的采空区自燃危险性研究

为准确判断雁南矿采空区遗煤的自燃危险程度,提出由封闭耗氧试验测定所需的窒熄(临界)氧气体积分数(12％)、最短自然发火期(47 d).利用雁南矿I0130101综放工作面束管收集的气体实测数据,采用氧气体积分数法确定该工作面采空区的自燃氧化带宽度.鉴于由实测数据无法确定采空区内连续的氧气体积分数分布,对现场工作面风速、压差和采空区氧气体积分数等实测数据进行分析计算,建立此工作面的物理模型,考虑重力和上行通风对采空区流场的影响,采空区冒落介质非均匀且按照"O"形分布,利用Fluent软件对雁南矿I0130101综放工作面采空区的流场进行数值模拟.将仿真与实测的采空区氧气体积分数的分布进行对比验证,最终得到采空区自燃氧化带的最大宽度为122 m,判断当前推进速度(5 m/d)下该工作面采空区自燃的可能性低.矿上长期生产结果验证了利用封闭耗氧试验判断采空区自燃危险性的准确性.     

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。     

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。     

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。     

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。     

深部邻近采空区多漏风条件下自燃“三带”分布规律研究

为探究深部邻近采空区多漏风通道对煤自燃“三带”的影响,以唐山矿0291工作面为工程背景,采用FLUENT软件模拟多漏风环境采空区内氧气浓度的分布规律,并依此划分不同漏风条件下采空区自燃危险区域;在工程现场设置束管监测装置监测采空区内氧气浓度,依据监测数据对模拟结果进行现场验证。模拟结果表明：随工作面推进,采空区上下隅角相邻区域形成多漏风通道且漏风量增加,漏风导致采空区散热带和氧化带向深部运移,其进、回风巷氧气浓度大于8%的范围由64、40m增至101、80.2m。现场验证表明：束管监测工作面采空区氧化带宽度与数值模拟结果误差小于5%,模拟结果得以验证。     

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。     

基于采空区底板应力分布规律划分自燃“三带”的方法与实践*

针对目前采空区自燃三带实测方法的不便性和局限性,为准确合理地划分采空区自燃三带的范围,构建采空区底板应力分布和自燃危险区域的相互关系,提出以采空区底板应力分布规律直接划分采空区自燃三带的方法并结合实例进行实践验证。以实际工作面为背景,通过运用FLAC3D数值模拟、现场埋管实测和理论分析等方法分析采空区底板应力分布演化规律和自燃危险区域分布特征,得到二者之间的定量关系以及空隙率变化规律。结果表明:采空区底板应力场先后经历应力降低区、应力升高区和应力稳定区,根据走向、倾向应力峰值曲线初步判断采空区自燃三带的范围为:散热带0~89 m,氧化升温带89~190 m,窒息带190 m以外;模拟结果与现场实测划分得到的散热带0~86.4 m,氧化升温带86.4~187 m,窒息带187 m以外有较好的一致性,从而验证了该方法的准确性。     

大倾角综放采空区注浆防灭火浆液扩散模拟研究

为确定大倾角综放采空区注浆防灭火的相关技术参数,研究采空区注浆过程中浆液的扩散行为,构建采空区非均质多孔介质3D几何模型。运用FLUENT数值模拟软件,并结合"变重力、定倾角"方法,通过模拟确定不同煤层倾角下采空区合理的注浆位置。模拟结果表明:浆液在采空区中扩散6 h之后,浆液流动速度与浆液扩散面积近似成反比关系,煤层倾角为20~40°时,采空区注浆的最佳位置均在回风侧距工作面44~48 m处,此时采空区氧化带能被很好地覆盖,工作面无跑浆与溃浆现象。现场观察结果、标志气体监测数据与模拟结果一致。