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。     

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。     

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。     

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。     

供风量对采空区自燃动态影响及防灭火技术

为有效防治采空区遗煤自燃,以瑞安矿014N1~(-1)综放工作面为研究对象,监测工作面供风量为1 150 m~3/min时的氧气浓度及漏风速度数据;基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟方法,利用Comsol软件研究工作面不同供风量时采空区自燃带随回采时间的动态变化,确定稳定阶段自燃带的范围,得到工作面供风量与自燃带宽度的拟合曲线;提出构筑风流隔离墙与注氮相结合的防灭火技术。结果表明:随工作面供风量的增加,自燃带边界向采空区深部延伸,自燃带宽度也逐渐加大;在现有开采条件及推进速度下,工作面供风量应低于1 500 m~3/min;风流隔离墙与注氮相结合的防灭火技术,可使采空区自燃带宽度降至24. 6 m,防灭火效果较好。     

急倾斜综放面采空区瓦斯及自燃综合防治数值模拟

针对急倾斜高瓦斯易自燃厚煤层综放面缓慢推进条件下采空区瓦斯事故及火灾的严重性,提出了上隅角浮抽、上顺槽铺设预埋管路采空区抽放、钻场顺层钻孔裂隙带抽放瓦斯的综合防瓦斯措施,但抽采扩大了自燃氧化带,为保证采空区抽放条件下的自然发火控制,采用注氮技术控制缓慢推进工作面的采空区自燃三带范围,通过Fluent模拟分析了工作面风量对采空区火与瓦斯的影响,瓦斯抽放对采空区流场及自燃"三带"分布的影响及注氮效果。结果表明,供风量增大到一定程度,自燃氧化带最大宽度及瓦斯浓度超90%边界距工作面最大距离都会趋于平缓,该拐点为防火防瓦斯的最佳风量,Fluent模拟分析了采取防火防瓦斯措施后流场,验证了综合抽放配合注氮技术解决采空区瓦斯积聚及自然发火危险的有效性。     

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。     

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.     

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。     

近距离煤层联合开采采空区自然发火规律及防治技术研究

为了解决近距离煤层上、下回采工作面联合开采易引起采空区遗煤自燃的安全问题,通过实验室实验、现场测试和数值模拟等方法,系统研究了山西华苑煤业有限公司9号与10号近距离自燃煤层回采工作面联合开采采空区自然发火的相关问题,包括煤层赋存与煤质特征、煤自燃特性与自燃标志气体及指标优选、联合开采工作面布置与开采参数、采空区漏风检测、采空区气体分布与自燃"三带"划分。给出并实施了束管监测预报、限定工作面最低推进速度、喷洒阻化剂、注氮防灭火和凝胶灭火等综合防灭火技术措施,实现了近距离自燃煤层联合开采的安全生产,对类似条件有一定的参考价值与借鉴意义。     

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。     

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。     

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。     

煤矿坑口电厂烟道气用于采空区防灭火技术研究

基于清洁生产的理念,以曹村矿11-214综放工作面为例,对坑口电厂烟道气用于煤矿采空区防灭火的可行性进行了数值计算。计算模型中引入了非均质孔隙率、在烟道气的处理中引入了多组分气体输运方程,计算结果显示:烟道气注入前自燃带位于距工作面(40~120)m的范围内,最大宽度为78m;烟道气注入后自燃带位于距工作面(49~62)m,最大宽度为9.5m,自燃带面积明显变小,并在注气口形成了耗氧汇。烟道气的动态运移规律显示,采空区数值计算应在以雷诺数为判定依据的基础上分区选择计算模型。通过采空区内不同位置烟道气运移连续监测,可获得采空区高效防灭火合理注入参数。     

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。     

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。     

偏Y形通风工作面上隅角瓦斯抽采模拟

为解决保德煤矿81505工作面上隅角瓦斯超限问题,选择联巷埋管抽采瓦斯方式进行治理.使用COMSOL模拟软件建立采场物理模型,研究瓦斯埋管抽采前后采空区和工作面O2、CH4体积分数分布、工作面在推进过程中采空区最高温度与工作面风速的关系,分析采空区瓦斯分布和采空区"三带"的变化.结果表明:随瓦斯抽采流量增加,工作面上隅角瓦斯体积分数降低;抽采位置距工作面距离增加,工作面上隅角的瓦斯体积分数降低.根据保德煤矿81505工作面采空区的最短自然发火期,选择抽采流量为40 m3/min,在距工作面40 m处进行瓦斯抽采,工作面上隅角瓦斯体积分数从0.53％降低到0.17％,氧化带宽度从100 m增加到149 m.最后通过现场实践,工作面上隅角瓦斯体积分数降低到0.16％,采空区氧化带的宽度范围为135～150 m,在降低工作面上隅角瓦斯体积分数的同时降低了采空区发生自燃的危险性.     

“U+I”型采煤工作面瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究

为了研究“U+I”型工作面进风量和顶板巷抽采负压对工作面瓦斯浓度与采空区氧化带宽度的影响,协调瓦斯抽采和浮煤自燃之间的关系。以2306综放面为工程背景,基于“U”型冒落岩层孔隙率分布公式和流体通用控制方程建立采空区数值模拟解算模型。采用CFD软件对不同进风量、不同抽采负压下的工作面瓦斯浓度和采空区氧化带宽度进行模拟,结果表明:随着工作面风量的增加,工作面和顶板巷瓦斯浓度减小,但工作面处浓度减幅逐渐变小而顶板巷浓度减幅几乎不变;提高顶板巷抽采负压,对减少工作面瓦斯浓度效果明显,顶板巷自身瓦斯浓度先增加再减小,采空区进风侧氧化带宽度变窄,回风侧和采空区中部氧化带宽度增加,总体上增加了采空区浮煤自燃的危险性但影响程度有限。     

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。