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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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.     

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明：连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0～20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。     

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。     

采空区遗煤自燃升温过程的数值模型及其应用

基于漏风渗流方程、氧浓度渗流-扩散-消耗方程和传热方程,建立了采空区自然发火非定常数值模型,并用迎风格式的有限元方法联立求解.结合实例,从理论上描绘了采空区漏风渗流、氧浓度分布和温度分布,以及它们随时间的加速变化过程,同时给出自燃的附产物CO的分布情况,重点给出了遗煤的自燃耗氧与升温的量化关系.结果表明,通常情况下采空区高温区偏在入风一侧,边界漏风对高温区有一定影响.与传统的采空区冷却带、自燃带和窒息带的三带划分相比,该模型能对自然发火问题给出更准确的解.模拟的自燃升温是加速的过程,同基于实验分析和实际观测得到的规律基本一致.     

炮采放顶煤采空区自然发火的数值模拟应用

针对炮采放顶煤开采采空区容易发生自燃问题，基于漏风渗流方程、气体渗流一扩散-氧消耗方程，建立了采空区自然发火非稳定数值模型，采空区按非均质考虑，耗氧汇按煤矸氧化和瓦斯涌出稀释两方面综合考虑，用有限元数值方法联立求解模型。结合羊草沟矿实例，通过该矿自然发火后来的测试区的现场实测结果，拟合反演得到采空区煤的耗氧速度、瓦斯涌出强度和渗透特征参数，用确定的模型分析了前段出现自然发火的原因；描绘了炮采放顶煤开采时采空区冷却带、自燃带和窒息带等三带的形状，指出冒落压实的不均衡的非均质采空区，自燃点在偏人风一侧。用三带划分理论讨论了工作面参数（风量、推进度、控顶距）同自燃的量化关系，提出了从根本上预防采空区自然发火的途径与方法。     

注氮量对采空区自燃三带分布影响的数值模拟

为研究注氮对采空区自燃三带分布的影响,建立了二维注氮采空区渗流场的数学模型,研究了注氮量的变化对采空区流场分布的影响,得到了注氮采空区自燃三带的分布规律。结果表明,随着注氮量的增大,散热带增宽,氧化带向采空区深部移动,距注氮源越近三带所受影响越大,并分析了注氮量对工作面氧浓度分布的影响。     

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.     

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。     

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。     

放顶煤工作面立体自燃带动态变化特性研究

为探究采空区自燃带动态分布特征,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法,研究空隙、裂隙结构及氧化速率改变对采空区漏风及氧气体积分数分布特征的影响,揭示综采放顶煤自燃带由采空区后部向工作面顶煤动态变化特性。结果表明：受采动应力及上覆岩层垮落滞后影响,顶煤裂隙及采空区空隙结构随暴露时间延长发生改变;支架后方中上部伞檐空场形成自由扩散漏风;随冒落煤岩体暴露时间增加,耗氧速率增大,顶煤裂隙结构发育,采空区垮落空间上移,中下部内部空隙结构下降,导致自燃带范围由采空区后部向综采支架顶煤范围扩展。     

寸草塔二矿注氮防灭火数值模拟研究

为明确不同注氮条件对遗煤自燃的影响,利用矿井束管监测系统测得某工作面采空区“三带”范围,并采用Fluent模拟软件,建立该工作面采空区不同注氮条件下的自燃“三带”迁移模型,以确定最佳注氮位置、注氮温度、注氮流量,并在寸草塔二矿开展现场试验,验证该模型的科学性和有效性。结果表明：注氮出口位置距工作面30 m时,回风侧氧化带宽度最小值为25 m,注氮效果最佳;氧化带宽度随注氮流量的增加呈减小趋势,当注氮流量达到900 m³/h,对采空区氧化带范围整体控制效果较好;注氮气体温度越低,覆盖氧化带范围越广,且对采空区有一定降温效果;在该工作面开展注氮防灭火现场应用过程中,采空区氧化带最大宽度由40.4 m降低至15.2 m,氧化带最大宽度降低61.4%,防灭火效果显著。     

基于响应曲面法的遗煤自燃分析与研究*

为研究高瓦斯易自燃煤层不同供风量、高抽巷抽采流量、低抽巷抽采流量3因素对采空区自燃“三带”分布影响规律,选取阳煤五矿8406工作面为研究对象,在数值模拟研究基础上,采用Design Expert软件进行Box Behnken试验设计,构建采空区氧化升温带宽度在3因素、3水平条件下的二次回归响应曲面模型,并对不同条件下采空区氧化升温带宽度进行预测与分析。结果表明:二次回归方程P值为0.001 6,预测模型显著,模型的失拟项为0.606 3,不显著,回归方程具有统计学意义;当供风量为1 500~2 000 m3/min,低抽流量为450~650 m3/min,高抽流量为100~200 m3/min时,对氧化升温带宽度一次项重要度排序为C（高抽巷抽采流量）>A（供风量）>B（低抽巷抽采流量）,二次项重要度排序为AC（供风量和高抽巷抽采流量）>AB（供风量和低抽巷抽采流量）>BC（低抽巷抽采流量和高抽巷抽采流量）,且AB,AC,BC之间均无交互作用。     

基于不同漏风源浅埋煤层采空区自燃“三带”分布规律研究*

为解决浅埋自燃煤层采空区因地表及工作面漏风而自燃的难题,以沙坪煤矿1818工作面为例,利用SF6示踪法检测采空区地表漏风通道和风速,利用FLUENT数值模拟分析不同漏风源采空区自燃“三带”分布的特征,并通过现场束管测试结果对比分析浅埋煤层采空区地表漏风对自燃“三带”分布的影响,同时限定工作面最小推进速度,确保工作面的安全生产。研究结果表明:地表漏风风速为0.06～0.30 m/s,漏风通道多且复杂;相比于工作面单一漏风源,有地表漏风存在时,自燃危险性加大;限定工作面最小推进速度为1.24 m/d。因此,多漏风源煤层开采条件下自燃“三带”分布的确定对浅埋藏自燃煤层采空区遗煤自燃预测预报及预防工作具有重要的指导和借鉴意义。     

采空区热环境对深部倾斜厚煤层自燃区域影响研究*

为探究热场对深部倾斜采空区煤自燃区域划分的影响,通过对采场空隙结构和耗氧速率进行分析,利用Fluent软件模拟不同通风方式下热环境对采空区流场及自燃带影响。结果表明:受倾角工作面、采空区空隙率及地温梯度综合影响,下行冷风与受采空区浮升力作用的热风在工作面中下部汇合并涌向工作面,使工作面局部温度升高;上行通风方式采空区蓄热范围大于下行风,回风侧温度更高;上行通风自燃带进风侧范围25～40 m,回风侧范围21～52 m;下行通风自燃带进风侧范围15～40 m,回风侧范围15～24 m;结合工作面实测参数,上行风回风侧自燃带范围19～47 m,与实际误差较小。研究结果可为倾角采空区热场条件对自燃带划分影响分析提供参考。