采空区遗煤自燃“三带”分布数值模拟及防灭火综合治理技术研究

论文摘要

煤炭自燃是煤矿重大灾害之一,矿井火灾不仅烧掉大量的资源、材料和生产设备,而且由于封闭火区,将会冻结煤炭的可采储量,严重破坏正常的生产秩序；燃烧消耗了风流中的氧气,使风流中的氧气浓度下降,同时产生大量的热能、有毒有害气体和粉尘,其后果是使井下污染区域内的人员被烧伤、中毒或窒息；火灾使人们产生恐惧心理,威胁矿工的身心健康和生命安全。矿井火灾危害之严重,损失之巨大,影响煤矿发展,令人触目惊心。本文主要探讨了易自燃煤层在缓速开采过程中的矿井防灭火综合治理技术,并利用采空区自燃“三带”分布的监测和数值模拟,以永固矿、龙固矿和沛城矿的实验工作面为例,总结了采空区遗煤自燃的治理经验,主要内容如下：（1）本文分析研究了煤炭自燃的机理、过程及采空区遗煤自燃“三带”意义及其划分标准,讨论了影响“三带”的因素,发现松散煤体堆积量、氧浓度、温度、松散煤体孔隙率和漏风强度、松散煤体的粒度、水分对煤炭自燃都会产生影响,同时利用程式升温试验,对实验工作面的煤样进行了研究,并对所使用的防灭火材料的性能进行了实验分析；（2）根据所在矿井的现实条件,采用局部束管监测方式对采空区自燃“三带”进行了检测,同时使用CFD软件,根据监测数据反演了“三带”分布,并发现采空区内的氧化升温带距离和宽带,随工作面的通风条件和巷道系统的布置变化而变化；（3）文中分析探讨了防灭火综合技术,包括漏风控制、均压防灭火、预防性灌浆、阻化剂、惰性气体、凝胶以及三相泡沫等工艺。根据实验工作面回采条件,分别选用了不同的治理措施：实例一,针对沛城7377工作面易自燃、倾角大和推进度慢的现实条件,依据局部束管监测和数值模拟,采用合理配风、采空区砌隔漏风墙、气雾阻化和埋管注MEA-1防火剂等防灭火措施；实例二,永固3434工作面煤层厚,推进度慢,局部地区瓦斯较大,同时煤层自燃速度快,在采取采空区注胶、煤层注水、采空区竖管注水及喷浆堵漏风,实现了安全回采；实例三,龙固7321综放工作面回采速度也受到相当大的制约,在分析了采空区“三带”分布之后,采用构筑漏风墙、架后插管注浆、煤层注水、“水淹”采空区、气雾阻化及压注三相泡沫、锁风收作等措施,完成了工作面回采及撤架。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 煤炭自燃机理
• 1.3 采空区“三带”划分
• 1.4 煤炭自燃监测
• 1.5 采空区自燃模拟
• 1.6 本文的研究内容和思路
• 第二章 煤的自燃特性
• 2.1 煤炭自燃条件及过程
• 2.1.1 煤炭自燃的条件
• 2.1.2 煤的氧化自燃过程
• 2.1.3 煤的自然发火期
• 2.1.4 影响煤炭自燃因素
• 2.2 煤炭低温氧化特性
• 2.2.1 煤对氧气的吸附特性
• 2.2.2 低温氧化过程的升温与产热特性
• 2.2.3 煤低温氧化的产物及特性
• 2.2.4 煤的含氧官能团
• 2.2.5 煤低温氧化过程中自由基的变化特征
• 2.3 煤炭自燃氧化实验
• 2.3.1 模拟实验的基本原理
• 2.3.2 模拟实验装置
• 2.3.3 模拟实验控制
• 2.4 小结
• 第三章 采空区流场分布
• 3.1 采空区“三带”分布
• 3.1.1 采空区“三带”划分意义
• 3.1.2 采空区“三带”划分标准
• 3.2 采空区模拟
• 3.2.1 FLUENT软件介绍
• 3.2.2 FLUENT功能模块和分析过程
• 3.2.3 采空区物理及数学模型的建立
• 3.2.4 求解设置
• 3.3 采空区遗煤自燃影响因素
• 3.3.1 松散煤体堆积量
• 3.3.2 氧浓度对煤氧复合的影响
• 3.3.3 空气及煤体温度
• 3.3.4 围岩温度
• 3.3.5 松散煤体孔隙率和漏风强度
• 3.3.6 松散煤体的粒度
• 3.3.7 水分对煤炭自燃的影响
• 3.4 小结
• 第四章 防灭火综合技术
• 4.1 采空区自燃发火的特点
• 4.2 采空区漏风控制
• 4.3 均压防灭火
• 4.4 预防性灌浆
• 4.5 阻化剂
• 4.6 惰性气体
• 4.7 凝胶
• 4.8 三相泡沫
• 4.9 小结
• 第五章 应用实例
• 5.1 实例一：沛城37采区煤炭自燃防治
• 5.1.1 工作面概况
• 5.1.2 通风方式
• 5.1.3 采空区局部束管监测系统
• 5.1.4 采空区流场模拟研究
• 5.1.5 综合治理技术
• 5.2 应用实例二：永固3434简放工作面易自燃厚煤层防灭火治理
• 5.2.1 工作面概况
• 5.2.2 工作面通风方式
• 5.2.3 煤样自燃性程序升温
• 5.2.4 3434工作面指标气体监测
• 5.2.5 3434工作面数值模拟
• 5.2.6 采空区自然发火综合防治
• 5.3 应用实例三：龙固7321综放面自然发火防治
• 5.3.1 实验工作面概况
• 5.3.2 工作面通风方式
• 5.3.3 煤样煤样自燃性程序升温
• 5.3.4 采空区指标气体的监测
• 5.3.5 采空区数值模拟
• 5.3.6 防灭火治理措施
• 5.3.7 工作面锁风收作
• 5.4 小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及攻读学位期间主要科研成果