多场耦合作用下瓦斯与煤自燃协同预防数值模拟

为解决某综放面采用顶板巷与上隅角联合抽采方式可能引起的煤自燃及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题,采用数值模拟从瓦斯、氧气体积分数分布特点和温度场角度综合分析合理顶板巷位置与抽采流量,为协同预防瓦斯和煤自燃复合灾害提供指导。结果表明:抽采口、上隅角瓦斯体积分数随抽采流量增加而降低;抽采流量100m3/min是影响氧化带宽度变化幅度的拐点;抽采流量对采空区最高温度的影响较大,对高温范围宽度影响较小;综合确定合理顶板巷位置为内错回风巷15 m,合理抽采流量为100~150 m~3/min;现场应用表明该方案既能解决瓦斯超限问题,又能有效控制煤自燃威胁,表明数值模拟具有较好的可靠性。     

表土厚度对浅埋工作面采空区自燃的影响规律

鄂尔多斯地区的煤层埋藏浅,表土层厚度对地表漏风影响明显,继而导致采空区的自燃危险区域发生变化。为此以某煤矿4201工作面为研究对象,先通过二维离散单元程序UDEC模拟确定地表与采空区连通时的表土层厚度范围,再根据该模拟结果建立不同表土层厚度条件下的采空区漏风模型,用Fluent数值模拟软件对采空区自燃危险区域进行模拟。结果表明:当采空区上覆基岩厚度一定、表土厚度小于74 m时,煤层开采后地表裂隙会与采空区连通,从而导致地表漏风;表土层厚度越小,采空区自燃危险区域的范围和地表漏风量就越大,两者近似呈对数函数关系;地表漏风不但使采空区自燃危险区域的范围明显增大,而且使回风侧宽度大于进风侧宽度。     

硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响

为分析硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响,运用含气-固耦合分析模块的岩石破裂过程分析有限元软件建立正常煤层掘进和含硬质体构造煤层掘进两种物理力学模型,对两种煤巷掘进工作面前方煤体应力和瓦斯压力分布规律进行数值模拟.结果表明,硬质体构造的存在增加了掘进工作面前方煤体的应力集中范围和应力梯度,进一步降低了煤层的透气性,阻碍了工作面深部煤体瓦斯向自由面的正常运移,进而形成了高瓦斯压力梯度.高瓦斯煤层掘进工作面硬质体地质构造直接影响煤巷掘进工作面地应力的分布,间接地影响瓦斯压力的分布.     

煤层露头自燃火灾演化规律数值模拟研究

为解决煤层露头自燃所引起的资源浪费和环境污染,以新疆台勒维丘克煤层露头为研究对象,采用数值模拟方法研究煤层露头在火风压、火风压及外部风压作用下的自燃演化规律,为治理火区和保护环境提供依据。研究表明:火风压作用下,风流最大流动速度0.729 m/s,火风压最大达到170.2 Pa;火风压与外部风压联合作用下,煤层露头动力系统是负压通风系统,在漏风速度为0.2 m/s时,研究5个典型位置的温度、氧浓度、速度及压力的变化规律;并分析孔隙率、漏风速度对煤层露头自燃火灾的影响,说明大孔隙和漏风供氧为火灾大规模发展提供有利条件。研究成果对治理火区及保护生态环境奠定坚实基础。     

Ca~(2+)对煤中含氮活性基团阻化效应研究

为揭示CaCl2抑制煤炭自燃发生的机理,提高阻化效果,采用Gaussian03软件包,对Ca2+与煤中含N活性基团形成的配位体的结构及分子前沿轨道、稳定化能、自然键轨道和净电荷布居、电荷转移进行系统研究。结果表明,Ca2+能够与煤中含N活性基团形成二配体、三配体及四配体配合物,形成四配体的稳定化能与前沿轨道能级能隙差较大,说明四配体配合物最为稳定,而且形成配合物后,煤含N活性结构中的-NH2基团对前沿轨道的贡献大大减少,同时轨道能级大幅增加,增加了煤活性结构的稳定性,提高了煤活性结构的抗氧化性。     

多层采空区流场局部动态平衡数学建模分析

针对大同矿区浅埋深、多煤层群、近距离、两硬条件下开采形成的多层采空区极易发生自燃的问题,进行风流流场调压分析,以达到控制采空区遗煤自燃及防止有害气体流人工作面的目标.建立了多层采空区流场调压数学模型,得出工作面风压调节的最优参数,结合工程实际分析,确定了多层采空区流场调压需要达到的预期效果.提出多层采空区流场局部动态平衡的调压方法,结合达西线性渗流定律,确定了多层采空区流场达到局部动态平衡的调压允许范围,并提出调压自动控制方法.     

基于水化学分析的煤矿矿井突水水源判别

矿井突水是煤矿生产过程中的主要自然灾害,准确判定矿井突水水源是解决突水问题的重要条件。基于模糊综合评判和矩阵方程分析数学原理,分别建立了矿井突水的模糊综合评判和矩阵方程分析模型;在水化学分析的基础上,建立了水样6项指标评判标准,利用两种方法分别对某煤矿3个不同突水巷道水样进行了水源判别,并与实际突水水源相比较。结果表明,模糊综合评判和矩阵方程分析均能有效判别矿井突水水源,但各有其优越性及局限性,选择何种判别方法应视矿井突水水化学资料状况而定。     

采空区不同瓦斯抽采方法与自燃合理平衡的数值模拟

为了研究和解决西铭矿在生产中由于瓦斯抽采方法的不同可能引起采空区自燃以及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题,构建了高位巷、埋管和高低位钻孔瓦斯抽采方法下的非均质多孔介质三维模型。利用非线性渗流定律、通用控制方程和自定义的函数进行解算,结果表明:高位巷、高低位钻孔抽采流量与抽采氧气浓度近似呈正比函数关系,埋管抽采流量与氧化带宽度呈指数函数关系;高位巷、高低位钻孔随着抽采流量的增加抽采效率反而降低,抽采总量增加,埋管抽采位置在距工作面35m处、抽采流量为20m3/min能很好解决上隅角瓦斯超限问题。根据模拟结论:采用立体联合瓦斯抽采方法既能满足抽采要求又能有效控制采空区自燃现象。     

阻断漏风供氧的脱氧剂在密闭中的应用研究

工作面回采过程中产生的超前支撑压力,会对上区段回采过程中在联络巷构筑的密闭造成破坏,使之产生裂隙出现漏风,向采空区供氧。为解决目前密闭出现裂隙后只能采取措施减少漏风而不能将漏风中氧气消耗、除去的弊端,利用具有耗氧功能的脱氧剂,设计了主动脱氧型密闭,并通过数值模拟将普通密闭与该密闭漏风时氧浓度分布进行对比。研究表明:相同漏风情况下,普通密闭中添加脱氧剂成为主动脱氧型密闭后,使漏出密闭风流的氧浓度大幅降低,有效减少了进入采空区的氧气量;另外,经过脱氧的密闭漏风,剩余高浓度的N2,对采空区起到了惰化效果,降低了采空区附近的氧浓度。     

基于偏序集的采空区煤自燃可能性评价模型

为了解决采空区煤自燃可能性评价方法中的赋权争议问题,基于偏序集理论,提出了偏序集评价模型。阐明评价指标并确定其等级划分准则,运用偏序集评价模型得到Hasse图,通过Hasse图展现的层集信息判别采空区煤自燃的危险程度。利用该模型对某煤矿17个煤样的自燃情况进行了判别,评价结果准确合理。研究结果表明:该模型避免了以往研究中的赋权争议问题,克服了样本量不足致使模型无法应用的问题,其评价结果置信度高。