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。     

采场气体涌出与煤自燃的动态数值模拟研究

为提升采场气体涌出和遗煤自燃问题的数值模拟可靠性,实现动态仿真计算,使用COMSOL Multiphysics软件,建立变形几何(DG)物理场、流场、温度场、浓度场等多场耦合的动态模拟模型。研究工作面推进对采场气体涌出及遗煤自燃的影响。对比数值模拟与现场测试结果,验证模型的有效性。结果表明:在工作面的日均瓦斯体积分数、CO体积分数、每日最大瓦斯及CO体积分数、采空区氧气体积分数与自燃"三带"分布6个方面,模拟结果的相对误差限为-15%~15%,平均相对误差为-1.16%~2.67%,数值模拟结果与实测结果的动态变化趋势一致。     

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。     

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。     

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。     

注氮防治综放遗煤自燃的三维模拟及应用研究

基于综放遗煤自燃防治对煤矿安全生产的重要性,利用Fluent软件对注氮防治综放遗煤自燃进行了三维数值模拟研究。以九道岭矿E1S6综放面为例,对其采空区遗煤自燃规律进行了三维数值模拟研究,依据研究结果对注氮防治措施的相关参数进行了确定。最后依据模拟分析结果,对所确定的注氮防治措施进行了实际应用,并取得了成功。结果表明:采空区注氮量与氧化带宽度成负指数函数关系,与影响高度成正比关系;采空区注氮量在30~35 m3/min时能够满足E1S6综放面遗煤自燃防治的要求。     

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。     

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。     

电厂烟道气预防遗煤自燃的合理含氧量模拟研究

为确定电厂烟道气用于遗煤自燃预防的含氧量参数,以塔山坑口电厂及塔山煤矿8105工作面为原型,建立基于计算流体力学(CFD)和煤氧复合理论的遗煤自燃三维数值模型。采用数值模拟方法,研究多场耦合条件下,含氧量为3%9%的烟道气注入采空区后的运移状态以及氧浓度场和温度场的变化规律。结果表明,注入烟道气能够有效惰化采空区遗煤,随注入烟道气含氧量降低,氧化带最大宽度的减小符合Boltzmann函数曲线,同时,遗煤最高温度呈指数下降趋势。降低烟道气含氧量有助于提升遗煤惰化水平,以实测注氮后采空区氧化带宽度为指标,确定7.08%为烟道气用于预防采空区遗煤自燃的合理含氧量上限。     

基于惰化降温耦合作用的采空区低温CO2注入位置研究

为了更好的使用低温CO2预防采空区煤自燃事故,利用FLUENT数值模拟的方法,结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件,构建了考虑采空区不同压实程度的低温CO2注入采空区惰化降温耦合作用数值计算模型;分别研究了CO2注入量为540m3/h和720m3/h时,不同注入位置对采空区氧化带内最高温度点和氧化带宽度变化的影响。研究表明,合理的低温CO2注入位置为距工作面支架尾梁20～30m。     

易自燃厚煤层工作面自然发火CO预测及防治

为了有效预防遗煤自燃,深入研究自然发火初期的CO预测技术。基于回风隅角CO源的理论模型,以Gambit建立相似二维采场模型,数值模拟了采空区自燃“三带”范围,并采用现场束管监测手段对结果进行了验证。利用程序升温实验获得了不同温度段回风隅角CO的极限指标,并与现场实测值对比分析,进而预判采空区遗煤发火程度,为制定有针对性的防治措施提供理论指导。研究结果表明:CO作为低温氧化阶段预测指标对预防遗煤自燃具有重要作用。     

采空区气体分布规律及自然发火危险区域判定

〗采空区自然发火的防治是自燃矿井灾害防治的重中之重,选用薛村矿92118轻放工作面采空区为研究对象,现场布置测点,选取合适的采样仪器,对N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2气体进行实地采样分析,得出相应气体分布规律。并用流场模拟FEMLAB软件对其进行自然发火机理模拟,分析采空区漏风渗流速度场、流线、风速场和风压场情况,最后得出采空区自燃氧化危险区域和最易自然发火危险区域,结论合理。这对采空区采用注氮、堵漏风等措施提供了主要技术依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

孔隙率和风速对上覆采空区煤自燃的影响研究

为探究孔隙率和风速对上覆采空区煤自燃的影响,以某矿井的综采工作面为研究对象,运用Fluent软件进行数值模拟,建立了矿井U型工作面立体模型和采空区内多孔介质的渗流场数学模型,得到了上覆采空区氧气浓度和瓦斯浓度的分布状况。当孔隙率恒定时,随着风速增大,下覆采空区和上覆采空区的散热带和氧化带的面积增大,上覆采空区遗煤的二次氧化造成煤自燃倾向增大,对采空区深部的氧浓度和自燃发火的影响较小,对回风巷道上隅角的瓦斯浓度影响较大;当风速大小恒定时,随着孔隙率增大,上覆采空区和下覆采空区漏风区域面积的增加小于风速对其的影响,上覆采空区遗煤自燃发火的几率相对较小。该研究对采空区遗煤火灾和瓦斯超限防治具有重要意义。     

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.     

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。