露天矿边坡残煤自燃温度场及燃深研究

为确定露天矿边坡内残煤发生自燃时内部温度分布及燃空区深度,以PFC3D作为模拟平台,借助其热力耦合模型,模拟了氧在裂隙中运动并与煤层反应且相互促进发展的过程,从而得到了边坡内温度场及燃空区发展深度;使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应,并通过FISH实现该过程。使用该模型模拟的结果表明,氧流通道的形成与煤层自燃是相互促进的,但燃空区的发展应该有一个最大深度。燃空区发展过中边坡内温场分布区域的变化可划分为3个阶段,分别是燃空区深度为60~70 m、70~120 m、120~170 m。海州露天矿边坡的残煤自燃的燃空区深度为165 m,与物探确定的150~200 m的距离相吻合。研究能估计燃空区的深度,从而为判断有残煤自燃情况下的边坡稳定性提供依据。     

基于F-K理论的大体积煤堆自燃特性试验研究

为预测大体积低品质煤炭自然发火温度,采用恒温加热系统和气体检测分析系统,研究煤堆的自热特性。根据Frank-Kamenetskii边界条件理论,并结合自然对流和临界自燃着火点研究方法,分析煤堆内部的温度变化、水分蒸发及能量转变情况,进而探讨环境温度、氧化气体和煤自燃倾向性的关系。结果表明:煤样水分含量是导致其自热升温曲线出现下降阶段的重要因素,煤堆内部不同位置其温度下降阶段持续的时间不同;自热反应所产生气体浓度随煤温的升高而增高;未燃状态下,氧化作用最强阶段位于温度上升初始段后期;自然对流和低温氧化导致煤堆体积缩减,环境温度越高体积缩减程度越大;煤样临界自燃着火点研究方法可有效应用于大体积煤堆自燃着火点预测。     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

露天煤堆内部升温与水分蒸发阶段特征的模拟研究

为了研究露天煤堆堆放时内部水分含量的动态变化特征,建立了含水煤堆自燃升温模型,利用数值模拟研究了煤堆在堆放30d内温度和水分含量的变化过程,结果表明:煤堆自迎风面开始向背风面依次形成散热带、升温带和窒息带,含水煤堆自燃温度上升过程依次分为Ⅰ升温,Ⅱ缓慢升温,Ⅲ快速升温。而煤堆内水分含量的变化也依次分为Ⅰ缓慢蒸发,Ⅱ快速蒸发和Ⅲ蒸干三个阶段。依据结论对煤堆内部水分含量的动态过程展开进一步研究,有助于将湿润煤体自燃特征规律的实验成果应用于现场实践。     

回采采空区自燃的早期过程及数值模拟分析

用对流问题的迎风有限元方法结合图形显示技术，求解了采空区漏风渗流移动方程和氧浓度消耗与扩散方程（数值模型），描述了采宽区自燃早期的漏风流态和氧浓度分布特征，用高氧浓度区与蓄热区的叠加确定采空区自燃氧化带。该模型能分析在不同漏风条件下自燃氧化带的形状变化及自然发火危险位置；工作面进度和工作面风量与自燃氧化带范围具有连续的依赖关系，为研究采空区自然发火早期成长过程，合理控制工作面进度等提供一种辅助分析手段，有利于从根本上预防采空区自然发火。     

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。     

含水煤堆自燃升温特征的实验研究

为了了解露天含水煤堆自燃过程中温度变化特性,利用模拟和实验手段研究了煤堆内部温度的动静态分布情况,结果表明:含水煤堆升温过程经历了升温—缓慢升温—快速升温三个阶段,水分的存在使煤堆在自燃中期升温速率放缓,水分含量越高,水分蒸发所需时间越长,煤堆安全保存期越长,水分蒸发完毕后煤堆进入快速升温阶段,温度模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,降雨和注水作业都会对煤堆升温过程产生较大的影响,对高温煤堆进行大量注水,只会起到临时的灭火效果,本质上是促进自燃明火发生,适当的循环注水可以起到较长的冷却效果。     

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。     

氧气浓度和升温速率对煤自燃特性影响

为探究氧气浓度与升温速率对煤自燃特性的影响，利用TG/DSC-FTIR联用热分析技术测试3种不同变质程度的煤样在不同氧体积分数和不同升温速率下的放热特性，分析3种煤样在氧化过程中特征温度、热效应及标志性气体产生量等参数的变化规律。结果表明：氧体积分数一定时，升温速率越小，放热峰值、特征温度和指标气体释放峰值越向低温区偏移。在相同升温速率下，随着氧气体积分数的减小，煤氧化放热峰值温度降低；煤自燃指标气体峰值对应的温度逐渐向高温区域移动。煤变质程度增高，煤自燃特征温度呈增大趋势；放热量的峰值降低，对应的峰值温度增大；指标气体释放峰值温度增大，自燃危险性呈降低趋势。     

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。     

储罐硫腐蚀产物标志性气体的监测

含硫油品储罐内的腐蚀产物与油品中的活性硫反应生成硫化物,而此类硫腐蚀产物氧化自燃是导致储油罐发生火灾、爆炸事故的重要原因.通过试验考察了氧气体积比对硫腐蚀产物氧化自燃过程的影响,探索了铁锈模拟物在氧化过程中SO2气体的释放规律.结果表明:氧气浓度越高,硫腐蚀产物的自燃危险性越大;随着O2浓度增加,氧化反应中SO2的浓度越大,SO2气体析出速度越快,当氧化反应的温度为40℃时,SO2气体浓度达到最大.     

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。     

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。     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

用热棒技术强化煤堆降温幅度试验

为破坏煤堆内部蓄热环境,有效降低煤自然发火的危险性,预防煤堆自燃,基于热棒闭式汽-液两相流强化热传导原理,构建煤自燃防灭火热棒移热降温性能试验测试系统,研究煤堆升温过程中热棒对其内部温度场分布的影响效果。热棒对煤堆自燃升温过程具有较明显的抑制降温效果,煤体与热棒距离越近,降温效果越明显;热棒的累积移热量和降温能力随时间的增加而不断增大。结果表明,试验条件下,煤堆内部各测点最高降温依次为13.30,9.80,7.70,6.70,4.50,3.20,1.50和0.50℃,对应温度降幅依次为29.00%,23.90%,24.70%,19.40%,16.00%,13.50%,8.90%和3.87%,平均降温速率分别为1.20,0.90,0.70,0.62,0.39,0.29,0.16和0.11℃/h。     

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.     

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。     

堆放参数对瑞安矿煤堆自燃风速的影响

为确定瑞安矿煤堆自燃的环境风速,提高煤堆自燃的预判能力,使用COMSOL Multiphysics 5.0数值仿真软件,开展了5个不同尺寸分别在孔隙率0.2~0.6和环境风速0.05 m/s~13 m/s条件下堆放180 d的自热-自燃过程数值模拟。结果表明,煤堆自燃风速范围因孔隙率和堆放参数不同而异,孔隙率越小煤堆的自燃风速范围越宽,且最小、最易、最大自燃风速与孔隙率之间具有幂函数关系;影响煤堆最小、最易、最大自燃风速显著的参数分别为顶宽、底宽、高度、角度和孔隙率、孔隙率、高度和孔隙率,并构建了三个自燃风速的合理解算方程。     

粒径对褐煤自燃阶段临界温度影响的试验研究

为研究褐煤在堆积状态下的自然发火特性,开展实验室试验,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热方法,将6种不同粒径的褐煤煤样分别放入5、10和15 cm等尺寸的立方体网篮,组成18个自然堆积状态的煤堆,并置于不同的恒温条件下,研究煤堆的升温过程,探讨粒径对煤氧化过程中自燃阶段临界温度的影响。结果表明:煤堆的升温过程可分为初始升温、缓慢升温、快速升温和自燃(或温度回落)4个阶段;在煤堆体积相同时,煤样粒径的减小会使自燃阶段临界温度降低,随着煤堆体积的增大,粒径影响逐渐减弱直至可被忽略。     

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。