露天矿遗煤区地表CO_2通量变化规律测试分析

探索了通过采空区上部地表CO_2通量变化判定遗煤自燃状态的实验理论及方法,并根据地表和大气间的扩散原理,采用自主研发的土壤气体监测系统,对采空区上覆地表CO_2通量进行了连续测定。研究结果表明:采空区遗煤自燃对其上覆地表CO_2通量变化有较大影响;采空区年限及遗煤氧化自热程度影响地表CO_2通量的大小;自燃带地表CO_2通量明显大于窒息带。地表CO_2通量变化能反映采空区漏风量对遗煤自燃的影响;研究地表CO_2通量变化规律,能够帮助了解采空区遗煤自燃火区的发育方向、范围等相关问题。研究对废弃矿井采空区地表环境评估,废弃矿井采空区遗煤氧化自燃的危险性评估以及浅埋煤层氧化自燃发火进行程度的探测具有重要意义。     

海州露天矿采空区地表CO2通量的试验研究

为探究海州露天矿东邦废弃采空区自然发火状态,基于采空区遗煤自燃特性和气体扩散理论,采用智能土壤气体通量监测系统,以月为单位,对东邦自燃采空区上覆地表CO₂通量开展长周期、多测点连续性监测试验;根据试验区域内地表CO₂通量和土壤温度分布特征,探究地下火区释放CO₂的地表涌出范围和变化情况;同时,着眼于温室气体排放的评估,计算试验区域内的CO₂涌出量,并分析其随时间的变化特征。结果表明:地表CO₂通量与土壤温度有明显正相关性;试验区域地表CO₂高通量区域呈逐月扩大和递增的趋势;CO₂涌出量随月份逐渐递增,试验区域年CO₂涌出量约为3.6×10⁶ m³。     

厚煤层高强度开采对地表响应的特征与机理

厚煤层高强度开采造成的地表破坏和对环境的影响比传统法开采更严重。以厚煤层高强度开采区域为研究对象,采用现场监测、理论分析等方法对地表裂缝、移动变形角值参数、持续时间及概率积分法参数等进行研究,分析了开采对地表响应的机理。结果表明,厚煤层高强度开采条件下,地表非连续变形特征明显,地表裂缝以拉伸、剪切裂缝为主,工作面上方部分裂缝与工作面贯通引发溃沙、突水及漏风问题影响安全生产。在地表移动变形参数方面,裂缝角、下沉系数及水平移动系数偏大。     

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。     

综放采空区遗煤厚度的分布规律及模拟研究

鉴于采空区遗煤厚度对其自燃规律影响的重要性,对综放采空区遗煤厚度的分布规律进行了研究.应用松散介质理论、放煤椭球体理论及三维数值模拟方法对综放采空区遗煤的空间分布形态、采空区顶板压力及空隙率分布进行分析,得到采空区遗煤厚度的计算公式及三维分布示意图,采空区顶板压力与遗煤空隙率、遗煤厚度的函数关系及在算例条件下三者的三维分布状态.结果表明:综放采空区遗煤的空间形态受工作面的放煤步距、放煤口间距及顶煤破裂角、采空区顶板压力、遗煤空隙率等因素的影响,采空区遗煤厚度分布的确定应是非连续、非均匀的.     

地下煤火回风裂隙火风压分布实验研究

利用煤田露头火区模拟实验装置,通过对煤火燃烧过程中出风裂隙内气体温度的监测,发现裂隙内气体的温度沿裂缝逐渐降低并成指数衰减分布。通过分析得到火区裂隙温度的分布方程并计算得到了裂隙内火风压分布方程,得出煤田火区火风压的影响因素主要有自燃煤层温度、自燃深度和裂隙倾角。     

利用岩粉防治遗煤自燃可行性研究

为探讨用岩粉防治遗煤自燃的可行性,用理论与试验相结合的方法,研究混有岩粉的遗煤自燃过程。首先,由理论分析可知,岩粉的混入主要对遗煤自燃起阻止作用;将试验分成3组,观测各试验煤样的氧化升温过程。试验结果表明,混入岩粉的量及粒径对遗煤自燃过程有较大影响;当岩粉量大于临界岩粉量时,岩粉的混入能抑制遗煤自燃;当岩煤比达到1∶1及以上时,遗煤基本失去自燃的危险;当混入岩粉粒径大于临界粒径、接近峰值粒径时,混入岩粉对遗煤自燃的防治效率最高。在合理的岩粉量及粒径条件下,用岩粉防治遗煤自燃理论上是可行的。     

高高原机场油池火燃烧特性研究

为研究高高原机场特定环境中正庚烷油池火燃烧特性,考虑火灾受空气氧分压等因素影响,在康定高高原机场实验室利用ISO9705燃烧系统开展等效火灾油池的燃烧试验,重点分析热释放速率、燃烧速率、温度场分布和火焰辐射热通量等特性参数的变化规律。结果表明:燃烧速率方面,油池尺寸和单位面积燃烧速率近似呈线性变化;火场温度方面,受大气压力和空气密度影响,油池轴线最高温度较常压低,温升与经典羽流温升理论存在偏差;热辐射通量方面,通过曲线拟合方法得到油池尺寸与热辐射通量的关系式。     

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。     

AFTOX烟团扩散预测模型参数敏感性分析

通过设置不同环境气象条件的风险污染源,选取最大高峰浓度和最大高峰浓度出现的时间为考察指标,采用正交试验法,分析环境风险评价预测模型AFTOX中大气稳定度、事故处地表粗糙度、事故处地表类型和干湿度对其预测结果的影响。分析结果表明,当风速一致时,大气稳定度对最大峰值浓度的影响总是大于事故处地表粗糙度以及事故处地表类型和干湿度,而最大峰值浓度出现的时间对各参数的敏感性无变化。     

浅埋近距离煤层内错布置采空区自燃危险区域研究

浅埋近距离煤层内错布置开采下部煤层时,地表裂隙易与复合采空区相互贯通,造成地表漏风,使采空区,特别是上部老采空自燃危险区域的分布难以预测。针对此问题,以酸刺沟煤矿6上109工作面至地表空间为研究对象,在漏风测定及束管监测的基础上,建立地表与复合采空区漏风模型,借助FLUENT数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。研究表明,地表漏风最终汇入下部采空区回风侧,加大了其自燃危险区域范围;漏风流在向回风侧偏移的过程中,由于煤柱的阻挡,风速逐渐降低,与下部漏入的风流共同作用,使上部老采空区形成了氧浓度中间低四周高的不规则环状自燃危险区域;下部采空区进风侧向上的漏风增加了本煤层采空区的总漏风量,加大了其自燃危险区域宽度,同时增加了上部老采空区局部氧浓度,使其自燃危险性增大。     

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。     

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。     

半干旱地区农田地表粉尘释放的野外观测试验研究

通过研究不同时期半干旱地区农田地表粉尘释放特征,采用野外观测对比分析的方法,分析不同地表特征与地表空气动力学粗糙度的相关性、不同季节和不同地表土壤类型与地表粉尘释放的相关性,得到了半干旱地区农田粉尘释放通量.结果表明,半干旱地区裸露的农田中沙壤土农田地表粉尘释放通量最大,地表粉尘释放通量为21～39 μg·m-2·s-1; 其次是壤土农田,地表粉尘释放通量为12～19 μg·m-2·s-1; 黏壤土农田地表粉尘释放通量最小,在5～8 μg·m-2·s-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。     

高强度开采地表裂缝分布特征及形成机理分析

高强度开采引起的地表裂缝严重破坏矿区生态环境,对矿井的安全生产造成很大隐患。为了掌握高强度开采地表裂缝形成机理,以神东矿区地质采矿条件为基础,通过现场监测和理论分析方法,得到了地表裂缝分布规律及变形参数,分析了矿山高强度开采产生的非连续变形发育分布特征与地质采矿条件之间关系。研究表明:在高强度开采条件下,动态拉伸型地表裂缝随工作面推进而周期性地超前出现,超前距为15m,超前角为83°,裂缝密度1m左右,宽度1~3cm。台阶型裂缝总是出现在开采工作面边界的上下方、停采线上方和开切眼附近,裂缝落差20~40cm,间距8~11m,滞后距为4.2m,滞后角为86°。同时指出上覆厚风积沙松散层特性使地表裂缝具有一定的自动修复功能。     

煤层开采诱发地表裂缝成因数值模拟

为了通过分析地表裂缝的成因来研究采空区上覆火成岩非连续性破坏,根据现场数据和概率积分法确定了研究的岩土体范围,使用FLAC3D进行建模。布置6条监测线进行地表沉降监测,并与模拟得到的地表裂缝出现位置的变形数据进行对比,模拟得到了岩体塑性区的分布。结果表明,造成地表裂缝的主要原因是采空区上覆岩层中存在产状不均匀的火成岩,且位于松散层下方。采空区影响向上发展至火成岩底部造成火成岩边缘区域局部悬空。当采空区面积足够大时,火成岩上部拉应力超过其抗拉强度,进而发生断裂,松散层陷落导致地表裂缝。     

轮南地区奥陶系天然裂缝的发育机理及其对流体活动的控制

地下天然裂缝是导致地质灾害的主要原因之一 ,其机理研究是防灾的基础。轮南地区奥陶系天然裂缝的埋深在 5 0 0 0m以下 ,其发育受多种因素控制 ,且在地质演化过程中经历了多期发育而成 ,发育机理非常典型、复杂。笔者通过观察、描述岩心的裂缝发育特征 ,分析了深度、温度、围压等的变化以及剥蚀、裂缝充填对地下岩体力学性质的影响 ;进而建立综合数学模型 ,对裂缝发育概率分布和发育特点做出预测 ;根据计算结果 ,分析了轮南地区奥陶系天然裂缝的发育机理 ;通过天然裂缝分布与井内流体测试结果的对比分析 ,探讨了裂缝分布对地下流体活动的控制作用。     

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.     

工作面长度与采空区遗煤自燃的关联性分析

为了研究工作面长度与采空区遗煤自燃规律的内在联系,利用理论分析方法对工作面长度与其推进速度及遗煤自然发火期的关系进行了分析,得到了保证遗煤不自燃的最长工作面的确定方法。以九道岭矿和华兴矿某工作面为例,利用数值模拟和相似模拟方法对工作面长度与采空区漏风量及"三带"划分之间的关系进行了研究,得到了工作面长度与采空区漏风量及"三带"宽度的关系表达式。结果表明:工作面长度的确定受多种因素的影响,为了保证遗煤不自燃,工作面长度存在一个上限值,此值可以通过工作面长度与工作推进速度及遗煤自然发火期的关系进行确定;当工作面供风量不随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足对数函数关系;当工作面供风量随工作面长度变化时,工作面长度与采空区漏风量之间近似满足"∪"型二次抛物线函数关系,工作面长度与采空区氧化带宽度之间近似满足"∩"型二次抛物线函数关系。