西庞煤矿复采工作面采空区浮煤自燃规律及防治技术研究

论文摘要

煤炭在当今世界能源结构中占有举足轻重的地位,能源危机的频频发生使得人们越来越注重煤炭资源的可持续节约性开采。采空区遗煤复采则可有效地提高煤炭资源的利用效率,尤其对于资源枯竭的衰老矿井,复采在资源回收的过程中显得更为重要。然而在复采过程中由于开采煤体松散,采空区浮煤极易自然发火,严重威胁工作面的安全生产。因此,研究复采工作面采空区浮煤自燃规律及防治技术具有重要的意义。本文以河北省西庞煤矿108复采工作面为研究对象,采用实验对比、现场观测和数值模拟相结合的方法对复采工作面采空区浮煤自燃规律进行研究,并提出以胶体充填封堵的防治技术对产生的高温区域进行治理。首先,采集不同粒径和经过不同温度预氧化的同种粒径煤样分别进行程序升温实验,通过对比分析得出复采工作面采空区浮煤的自燃特性,并与以往大型煤自然升温实验进行关联采用数值拟合的方法得出其自燃特性参数和粒度影响函数,以此推算出复采过程中浮煤自燃的极限参数。其次,通过理论分析与现场观测相结合的方法得出复采工作面采空区压力分布、空隙率分布、漏风通道分布及渗透率分布的规律,建立复采工作面采空区渗流数学及物理模型并对其边界条件进行合理简化。采用Fluent软件对复采工作面采空区流场进行数值模拟,得出采空区内部渗流速度及氧气浓度的分布规律,结合现场观测到的浮煤厚度及实验得到的煤自燃极限参数判定自燃的危险区域,总结得出复采工作面采空区浮煤的自燃规律。最后,在开采的过程中对复采工作面自燃危险区域进行密切监测,并采用粉煤灰复合胶体对出现的高温区域进行有针对性的降温、填充、堵漏处理,结果表明经过治理后,复采工作面采空区高温区域温度均下降到26~28℃,一氧化碳气体浓度迅速下降并最终消失,复采工作面顺利推进800m至指定停采位置封闭,总计出煤45万t,经济效益显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 选题目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤自燃特性
• 1.2.2 火源探测及预报
• 1.2.3 采空区自燃危险区域预测
• 1.2.4 煤自燃防治技术
• 1.3 研究方法及内容
• 1.4 研究方案与技术路线
• 2 复采工作面采空区浮煤自燃特性实验研究
• 2.1 不同粒径煤样程序升温实验
• 2.1.1 实验原理及装置
• 2.1.2 实验条件
• 2.1.3 实验结果分析
• 2.2 预氧化煤样程序升温实验
• 2.2.1 实验条件
• 2.2.2 实验结果分析
• 2.2.3 预氧化煤样自燃特征
• 2.3 煤自燃特性参数测算
• 2.3.1 放热强度测算方法
• 2.3.2 耗氧速率及放热强度拟合
• 2.3.3 粒度影响函数
• 2.3.4 煤自燃极限参数
• 2.4 本章小结
• 3 复采工作面采空区渗流模型及其边界条件
• 3.1 松散煤岩体传质及其数学模型
• 3.1.1 松散煤岩体内传质
• 3.1.2 渗流及扩散数学模型
• 3.1.3 氧气浓度方程
• 3.2 采空区压力及空隙率分布
• 3.2.1 采空区压力分布
• 3.2.2 采空区空隙率分布
• 3.2.3 松散煤岩渗透系数
• 3.3 采空区漏风通道测定
• 3.3.1 示踪气体性质
• 3.3.2 测定方法
• 3.3.3 测定结果分析
• 3.4 复采工作面采空区简化物理模型
• 3.4.1 渗流区域
• 3.4.2 控制方程
• 3.4.3 边界条件
• 3.5 本章小结
• 4 复采工作面采空区浮煤自燃规律数值模拟
• 4.1 数值模拟软件应用
• 4.1.1 Fluent软件简介
• 4.1.2 三维建模及网格划分
• 4.1.3 边界条件设定
• 4.2 数值模拟结果分析
• 4.2.1 氧气浓度分布
• 4.2.2 渗流速度分布
• 4.3 自燃危险区域判定
• 4.3.1 自燃危险区域划分依据
• 4.3.2 复采工作面采空区自燃危险区域判定
• 4.4 复采工作面采空区浮煤自燃规律
• 4.5 本章小结
• 5 复采工作面采空区浮煤自燃火灾防治
• 5.1 自燃危险区域监测
• 5.1.1 束管监测
• 5.1.2 人工监测
• 5.2 胶体防灭火技术应用
• 5.2.1 胶体材料的防火特性
• 5.2.2 注胶系统及注胶工艺
• 5.3 高温区域治理过程
• 5.3.1 高温区域概况
• 5.3.2 钻孔布置
• 5.3.3 注胶量统计
• 5.4 治理效果分析
• 5.4.1 常规监测数据分析
• 5.4.2 高温区域监测数据分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录