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。     

高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究

为了掌握赵家寨煤矿二1煤层采空区自然发火规律,论文以赵家寨煤矿二1煤层12205工作面为研究对象,采用现场测试、理论研究和数值模拟研究相结合的研究方法,研究不同进风量情况下采煤工作面采空区的氧气浓度场,划分了采空区自然发火"三带"。研究结果表明:工作面回风侧开切眼以里0～6m为散热带,6～26m为氧化升温带,大于26m为窒息带,氧化升温带宽度为20m;随着工作面供风量的增加,采空区散热带、氧化升温带、窒息带整体向采空区深部移动,且氧化升温带的范围呈现扩大趋势。研究结果对类似郑州矿区二1煤层的矿井自然发火具有重要指导意义。     

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。     

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。     

基于通风网络理论及试验的采空区自燃“三带”分析

基于通风网络理论模型演化得到采空区走向及倾向的漏风阻力系数分布,综合考虑了采面的回采速度、顶板岩性以及采空区倾向上顶板的沉降量不同等因素影响.采用专业的流体力学计算软件Fluent对桃园矿1033工作面及其采空区进行了流场数值模拟,得到了工作面的漏风量分布及采空区漏风流场分布.模拟结果表明,工作面向采空区漏风区域主要发生在倾回上靠进风侧0～10m范围,并有部分漏风量在工作面倾面从中间点前流回至工作面,采空区内的流场等值线并不完全呈对称分布. 采用工作面埋管取气分析采空区内氧气体保分数,得到了采空区内氧气体积分数分布规律.试验结果表明,沿着采空区走向,氧气体积分散逐渐下降;在采空区倾向上,回风卷氧气体积分数下降最快,进风巷氧气体积分数下降最慢.综合考虑采空区内的滤流速度和氧气体积分数分布,得到了采空区自燃“三 带”范围.在采空区回风巷,氧化带距离工作而范围为11～ 38 m;在采空区进风巷,距离工作面范围为23 ～ 76 m;在中部,距离工作面范围为12～66m.最后,计算得到工作面安全回采速度为2.2m/d.     

不同孔隙率对采空区自燃的影响规律研究

为探究煤矿采空区在不同孔隙率条件下对煤自燃环境的影响,基于多孔介质渗流特性的相关理论,以煤矿综采工作面为原型建立了U型通风采空区三维模型和渗流数学模型,利用Fluent软件对采空区以不同的孔隙率大小和分布方式进行数值模拟计算,从而得到采空区的漏风和氧气浓度的分布状态,以及氧化带的位置变化情况,进而研究不同孔隙率对采空区煤自燃环境的影响规律。研究表明:采空区漏风主要源于工作面下隅角处,进入采空区的漏风量大小与采空区的孔隙率有关。孔隙率越大,靠近工作面的漏风流速越大,氧气浓度越高,而深入采空区,孔隙率大小对采空区漏风影响越小,氧化带随着孔隙率的增大不断向采空区深部移入;孔隙率分布方式对采空区漏风速度的影响较大,且距离工作面越近影响越大,采空区深部则差别不大。     

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.     

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。     

采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟

采空区"竖三带"的确定,是合理设计高抽巷布置层位和确定高位钻孔终孔位置的前提。依据王庄矿提供的地质资料,结合实验室测得的煤层顶底板岩石力学参数,采用岩石质量评分法,计算得到各岩层合理的节理间距及岩体力学参数,并将其应用于CDEM软件中,对王庄矿8101工作面采动岩层进行数值模拟,分析了煤层开采过程中上覆岩层破断与冒落规律,并得出采空区"竖三带"的分布范围:采空区冒落带范围为0~25 m,裂隙带范围为25~65 m。将数值模拟结果与经验公式的计算结果、现场高位钻孔考察结果进行比较,结果表明:3种方法得到的冒落带范围基本一致,为0~25 m;经验公式计算得到的裂隙带高度较另外两种方法得到的结果小;数值模拟得到的"竖三带"高度更符合实际情况。同时也验证了CDEM软件在采空区上覆岩层运动的适用性。     

综采面动态注氮作用下采空区“三带”分布及防灭火技术研究

刘庄矿171101工作面邻近停产线,为防止遗煤自燃,采用动态注氮方式向采空区注氮。为了确定停采后注氮口和灌浆口的合理位置,利用热电偶和束管对采空区内一定范围内气体和温度进行实测,根据温度、CO、CO2分布规律并结合MIN-MAX方法综合划分出采空区"三带"范围。实践证明,以该方法确定的注氮口和灌浆口的位置能够更好地抑制遗煤的自燃,为其他类似停采线附近防灭火提供了参考价值。     

元堡煤矿易自燃煤层初采期采空区流场数值模拟

易自燃煤层初采期采空区遗煤自然发火危险性很大,为了采取有针对性的防火措施需要对采空区气体流场规律研究。采取注氮气措施防火会对采空区其它气体成分形成干扰,给直接研究带来影响。利用Fluent软件数值模拟可以间接研究采空区气体流场规律。首先在模拟注氮气情况下,确定采空区煤岩平均粒径和孔隙率等多孔介质参数（由于无法直接测定,只能通过反复修改多孔介质参数使采空区气体成分与所测定值相近确定）。然后在确定的多孔介质参数下模拟非注氮气情况下采空区各气体流场。通过模拟结果研究了元堡煤矿初采期采空区各气体流场分布规律,划分出了自燃“三带”范围。     

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%。     

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。     

俯采工作面采空区“三带”分布研究

为了防治采空区煤炭自燃,采用热电偶测温和束管气体监测方法对五沟矿1021俯采工作面观测,得到采空区温度及氧浓度的变化情况。通过对温度和氧浓度实测结果的分析,并利用MIN-MAX方法优化,最终确定了采空区"三带"的范围。结合五沟矿煤的自然发火期,可以推算出工作面的临界推进速度,以此有效指导工作面的防灭火工作。     

采空区自燃火灾气体钻孔导流的数值模拟研究

针对采空区局部自燃火源点的火灾情况 ,提出用地面钻孔抽放采空区自燃火灾气体 ,使其避免流向工作面的方法。基于渗流方程和气体扩散方程建立了简化的采空区火灾气体移动———弥散数值模型 ,用迎风有限元方法结合图形显示技术求解。模拟了在抽放前后采空区火灾气体移动和CO浓度分布特征 ,该方法对火源位置的判定精度要求不高 ,但钻孔必须设在火源的后方。通过模拟试验 ,抽放后工作面向采空区漏风增加量约为抽放流量的一半 ;抽放流量与采空区CO绝对涌出量近似呈负指数关系 ,给出了最低抽放流量的表达式。这项研究 ,能为分析在短期内消除采空区自燃火灾气体对工作面影响和确定抽放参数提供一种辅助手段。     

鸿一煤矿采空区遗煤自燃与通风量的关系及综合防灭火技术

本文以鸿一煤矿为例,探讨其煤层的自燃倾向性,以及采空区遗煤的自燃与通风量的关系,提出了以黄泥（粉煤炭）灌浆为主,喷洒阻化剂预防煤层自燃和监测为辅的综合防火措施。     

采空区对地表建筑物的影响评价方法研究

为研究金属矿山采动灾害影响,论述了金属矿山采空区上覆岩层移动对地表建筑物影响评价理论和技术方法,即"三带理论"、岩石移动带理论和数值模拟方法;指出了金属矿山空区稳定性和岩石移动的主要影响因素。结合某铁矿采空区的实际情况,综合应用这3种方法对该铁矿进行了定性、定量评价。分析3种评价方法的特点,旨在探索金属矿山的采动影响评价方法,以便保护矿区附近建筑物的安全,减小采动灾害对矿山企业及附近居民生命财产损失。     

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。     

“U+L”型通风综采工作面采空区漏风特性研究

为了掌握“U+L”型通风综采工作面采空区的漏风规律,以某矿综采工作面为试验地点,先采用Fluent软件对综采工作面采空区的漏风流场进行了数值模拟,后结合数值模拟结果制定了综采工作面示踪气体SF6的测漏风技术方案,并现场实测了“U+L”型综采工作面采空区的漏风风流分布特征.数值模拟结果与现场实测结果十分吻合.结果表明:1)“U+L”型综采工作面全程向采空区漏风,漏风汇至滞后联络巷后经专用排瓦斯巷排出;2)“U+L”型综采工作面漏风量随联络巷距离工作面距离增大而逐渐降低;3)“U+L”型综采工作面漏风量沿工作面倾向方向(从进风至回风)呈逐渐减少趋势.     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区“O”型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈“L”形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。