切顶沿空留巷U+L型通风采场煤自燃风险判定研究

为探究切顶沿空留巷首采面U+L型通风采空区煤自燃危险性,以蒙西棋盘井煤矿东区9-1#层11101工作面为工程背景开展研究。通过封闭耗氧实验,测定得出煤样的耗氧能力弱、不同氧体积分数下煤样的耗氧速度慢、窒熄氧气体积分数(煤耗氧临界值)为15%。通过现场实测确定切顶沿空留巷和工作面的两端压差和漏风分布,现场埋管实测得到回风侧的氧分布数据,搭建了切顶沿空留巷采场相似模拟实验台,得到采场的漏风移动规律。运用CFD仿真探究了切顶沿空留巷采空区的漏风与自燃氧化分布特征,得到采空区可能具有自燃危险的3个区域分别位于开切眼附近、靠近沿空留巷的5～10 m内和工作面后方。提出在尾巷注氮和沿空留巷边界注浆堵漏防灭火措施条件下,可将U+L型通风采空区自燃模式转化为U型通风采空区自燃模式的危险性判定,得到棋盘井矿采空区自燃氧化带的最大宽度为80 m,最低安全推进速度1.2 m/d,无自燃风险,为工程防灭火做出指导。     

C2H6/CO2组分构成对瓦斯着火延迟时间的影响规律研究

为进一步研究多种不同性质的气体对瓦斯着火过程的影响,采用CHEMKIN-PRO Release软件,选择CH_4燃烧化学反应机理USC Mech 2.0模型对不同组分构成的C_2H_6/CO_2与甲烷混合气体进行数值模拟,然后分析不同组分下瓦斯着火延迟时间的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行敏感性分析。计算结果表明:当C_2H_6百分比小于CO_2百分比时,随着CO_2百分比的增加,瓦斯着火延迟时间略有增加,且其在T=1200K下延长了17.0%,在T=2200K下延长了8.4%,同时抑制CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度略大,其协同抑制瓦斯爆炸;当C_2H_6百分比大于CO_2百分比时,随着C_2H_6百分比的增加,瓦斯着火延迟时间大幅缩短,且其在T=1200K下缩短了63.7%,在T=2200K下缩短了35.5%,同时促进CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度大,其协同促进瓦斯爆炸。     

倾斜巷道内火灾逆流层变化规律数值模拟

为确定矿井火灾时期逆流层长度变化规律,给逃生与救护工作提供参考,以下行通风倾斜巷道为研究对象,建立长80 m、宽4 m、高3.5m拱形巷道模型,通过数值模拟的方法,确定多组火灾工况下烟气逆流层的变化规律.结果表明:巷道入口端风速在0.5～3 m/s增大,烟流逆流层长度随之减小,减小幅度逐渐变缓;火源烟流放散速度在5～25 m/s增大,逆流层长度随之增大,且增加幅度逐渐变缓;人口端风速条件固定为1 m/s,巷道倾角在O°～45°增加,火源烟气放散速度小于18 m/s时,逆流层长度随巷道倾角增加而减小,火源烟气放散速度大于18 m/s时,逆流层长度随巷道倾角增加而增加.     

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。     

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。     

采空区场流安全理论及其研究的新进展

提出采空区场流安全理论的概念,并对采空区场流流态、瓦斯涌出和自燃“三带”理论及自燃温度等数值模拟计算的发展历程进行概要总结;分析了当前采空区场流安全理论研究的最新进展和发展趋势。指出目前的现代通风安全理论研究正处在前所未有的历史变革时期,即从网络流通风安全理论到场流安全理论的过渡与统一。采空区问题(瓦斯涌出和自燃)应综合考虑特定开采条件下的采场漏风与供氧系统的背景环境。其理论研究的主流方向应是基于场流方法的灾害与各因素影响关系的分析,重点是灾害机理和多灾害间耦合等一般规律;技术手段是多孔介质渗流力学、多相气体扩散、综合传热理论和有限元数值模拟方法,关键是模型求解的收敛稳定性和流场分布解问题。     

基于三维“O”型圈的采空区多场分布特征数值模拟

为进一步研究综放采空区的多场分布特征,以大兴矿N2-706工作面为例,构建"双三"模型,即优化三维"O"型圈采空区冒落非均质多孔介质数学模型及"U"型通风方式下的三维综放采空区物理模型,重点考虑了采空区垂直方向上的孔隙率变化,并实现了孔隙率的三维可视化。运用Fluent软件加载自定义UDF对采空区气体压力分布、漏风场及氧气、瓦斯分布情况进行了数值模拟,得出与实际情况相吻合的采空区气体压力分布、合理漏风量范围内的风流场分布,其中重点分析瓦斯体积分数分布规律。结果表明:考虑三维孔隙率的数值模拟结果收敛性更好,采空区瓦斯的积聚现象不仅出现在采空区顶部,在距底板20~25 m高度的位置就大量上浮,且呈现高体积分数瓦斯积聚分布的特征规律。     

矿井系统下行风流火灾实验与TF1M3D平台仿真研究

为直观反映矿井下行风流火灾时期风流紊乱现象,深入研究风流紊乱、火灾烟流扩散规律,搭建管道实验平台进行矿井下行风流火灾实验,应用TF1M3D软件对真实矿井火灾进行模拟仿真。结果表明:矿井发生下行风流火灾时,在火区热阻力和火风压作用下,主干风路风流发生衰减甚至逆流现象,主干风路风量达到极值的时间滞后于火源强度达到最大值的时间;模拟结果显示223上山风流随通风机能力增强,发生风流紊乱现象更明显;在火灾主干风路风流未发生逆退的情况下,223上山和-380副巷仍会发生风流逆转现象;通风机能力越强,主干风路风流克服火源作用、保持原状态的能力越强。     

有热源巷道风流温度分布非稳定模型及数值计算

针对矿井有热源巷道中风流温度分布非稳定计算问题,通过通风巷道存在放热源-对流-扩散-热交换的非稳定温度传播方程,建立一维有限元数值模拟求解方法的数学模型,讨论按放热强度（2类热流量条件）的热源项处理算法,给出有热源通风巷道风流初始温度均匀分布与非均匀分布的定解条件,并编写计算机仿真程序进行求解计算。结果表明:在起点27 ℃-热源300 kW和起点32℃-热源100 kW的不同边界条件和热源强度下,有热源通风巷道中温度分布的非稳定传播过程;数值解收敛准则用Peclet数来衡量,取Pe<2作为收敛条件,程序中根据Peclet数自动加以判断,算例中剖分单元长度1.5 m,模拟时间步长取2 s不发生振荡。实现了巷道中风流各点的温度和温度分布随时间的变化过程的描述,为矿井系统多设备热源散热计算及热害防治设计提供基础算法。     

火灾时期矿井通风系统风阻飘移仿真模拟研究

针对矿井火灾时期矿井通风系统总风阻飘移(改变)的问题,建立矿井通风网络计算机仿真数值模型,编制计算机程序.火灾发生时,在火风压的动力作用下,矿井总风阻发生飘移,即上行风流火灾导致矿井通风机通风系统总风阻增大.当火灾高温烟流处在并联风路的一个分支时,风阻飘移量显著增大,当处在矿井通风主干风路时,风阻飘移量比较小.火灾时期矿井风阻发生飘移的原因是火灾动力对通风系统的干扰,并且是由于通风机处在与外部漏风分支相并联的位置上、火灾点处在某一支风路上而产生的.模拟试验结果表明:风阻飘移量随着火灾火势的增大而增大,通风机能力越大,风阻飘移量越小;提高通风机能力,有利于克服通风机通风系统总风阻飘移的问题;同时,处在并联支路上的上行风流火灾,风阻飘移量也与矿井本身总风阻大小有关,原始风阻越大,风阻飘移量越小.火灾火势与风阻飘 移量变化的函数关系在文中给出.