含瓦斯风流对煤自燃氧化特性影响的理论及应用研究
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摘要
矿井瓦斯和煤层自燃是严重威胁煤矿井下安全生产的两大主要灾害，当矿井瓦斯和煤层自燃同时存在时，对于矿井的生产和人员的安全则构成了双重威胁。
在近距离高瓦斯煤层群开采中，“一面四巷”（包括“U+I+高抽巷”和“U+L+高抽巷”）的采煤工作面巷道布置方式，是目前治理工作面瓦斯超限最有效的方法之一，但对于高瓦斯易自燃煤层来说，随着工作面的推进，采空区上覆岩层形成了许多横向及纵向的裂隙，致使高抽巷、裂隙带裂隙与采空区空隙构成了一个气体运移的连通体，在高抽巷抽放负压的抽吸作用下，在采空区形成较大的漏风强度，使采空区遗煤供氧充分，增加了采空区遗煤自然发火的危险性。同时遗煤自燃又可能成为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，逐渐演化为矿井生产的重大危险源。
由此看来，预防高瓦斯采空区的遗煤自燃，避免火灾事故的发生，具有重要而现实的意义。
针对高瓦斯采空区的实际情况，本文开展了以下四个方面的研究：
（1）含瓦斯风流条件下煤自燃特性的实验研究
针对高瓦斯采空区漏风流中不仅含有O_2、N_2，而且包括一定浓度CH_4的实际情况，自制了含瓦斯风流条件下煤的低温氧化实验系统，开展了无甲烷、不同氧气浓度条件下及氧浓度相同、不同甲烷浓度条件下的低温氧化实验，优选了煤自燃早期预报的标志性气体，分析了氧化产物的生成规律。氧化产物的生成随氧浓度的降低或甲烷浓度的升高总体呈现“滞后效应”：氧化产物生成的初始温度滞后；相同温度时氧化产物的生成量减小。
（2）立体抽采条件下高抽巷负压对高瓦斯采空区煤自燃影响的数值模拟研究
采用Fluent流体模拟软件，在不同的高抽巷负压条件下，对采空区的漏风流场及瓦斯浓度场进行了分析研究，考察了高抽巷负压对工作面、回风巷、瓦斯尾巷中的瓦斯浓度的影响规律，并在满足工作面、回风巷、尾巷中瓦斯浓度不超限的基础上，揭示了高抽巷负压对采空区自燃“三带”的影响规律，得到了高抽巷负压和自燃带宽度之间的拟合方程，从而得出了高抽巷负压的最佳范围以预防采空区煤自燃事故的发生。
（3）基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分
用氧气体积分数法划分低瓦斯采空区自燃“三带”是目前在工程实践中应用最为广泛、也是最有效的方法。但是该方法没有考虑采空区的瓦斯体积分数的影响，在高瓦斯采空区的应用就受到了局限。运用化学动力学原理，通过理论推导，提出了基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分标准，并利用该标准对现场的高瓦斯采空区进行了划分。通过对采空区内遗煤温度的观测分析，验证了该划分标准的准确性，为高瓦斯矿井采空区早期自然发火预测及火区治理提供了依据。
（4）瓦斯立体抽采条件下高瓦斯采空区煤自燃危险性的预测
为了准确预测高瓦斯采空区煤自燃的状况，根据瓦斯立体抽采的特点，以上覆岩层移动规律及裂隙分布规律为基础，分析了高抽巷是监测深部采空区遗煤自然发火的最有效地点，推算出采空区气体在高抽巷中所占的体积分数，结合含瓦斯风流条件下的低温氧化实验结果，确定了采空区遗煤不同的燃烧阶段所对应的CO体积分数和CO指数。
Mine gas and coal spontaneous combustion are the most disasters which make aserious threat to the coal mine production. When a mine has both such disasters, therisk of miners’ and mine’s production safety will be doubled.
In a ulta-close multiple coal seams mining, the ventilation system of a coalmining working section which is named "One Working face with Four Entries”(including" U+I+high level gas drainage lane "and" U+L+high level gas drainagelane ") is considered as the most effective method to control coal gas around theworking face. However, for a coal seam with both spontaneous combustion and gasproblems, with the development of the working face, lots of horizontal and verticalfractures are formed which works with cracks in fractured zone and voids in gob toresult in a connected body and the coal gas can migrate within it. Under the conditionof negative pressure effects in the high level gas drainage lane, a large scale air-leakageis generated. Hence, the sufficient quantity of oxygen is provided. The risk ofspontaneous combustion of residual coal is enhanced. On the other hand, thespontaneous combustion may become the ignition source of a gas explosion or flamewhich may trigger a more serious problem for a coal mine.
Therefore, it has significances to prevent the spontaneous combustion of residualcoal in the gob to avoid the mine fire risk. Based on the reality in the high gas gob, thedissertation has carried out the research with the follows:
（1）Experimental study of the characterizes of coal spontaneous combustionunder the condition of methane contained airflow.
Not only O_2and N_2are contained in the air-leakage flow in the mine gob, but alsoCH4is the same. A low-temperature coal oxidation experimental system has beendeveloped. A series of low-temperature coal oxidation testing experiments were carriedout under different conditions, such as various oxygen concentrations but none CH_4contained, or various CH4concentrations the same oxygen concentrations. The optimalgas indicator for early warning the coal spontaneous combustion and the laws ofgenerating oxidation products were investigated. The experimental results show thereis a “delay” effect existing when the oxygen concentration is reduced or the CH_4concentration is increased. In detail, the initial temperature when oxidation productsare emitted is postponed and the total amount of products is also decreased comparingto the normal situations.
（2）Simulation study for the influences of the pressure of high drainage roadwayon residual coal spontaneous combustion under stereo gas drainage.Use the Fluent simulation software, the air-leakage flow field and methaneconcentration field were analyzed under different pressure of high drainage roadway.The methane concentrations in working face, return and gas tail lane were alsoinvestigated. Based on the limits of methane concentrations, the influence laws of thetraverse distance and ventilation parameters with respect to gob “three-zone” arecollected. The corresponding fitting equations are also obtained to determine theoptimal boundaries of traverse distance and ventilation parameters for preventing thecoal spontaneous combustion in the gob area.
（3）oxygen concentration based to identify the spontaneous combustion “threezone” in a high-gas gob
In most engineering practices, the most effective and popular method used toidentify the spontaneous combustion “three zone” in a low-gas gob is the oxygenconcentration method. However, this method lacks to consider the influences of CH_4concentration in the gob. Hence, it is not well used for a gob with high gasconsternation. By using the principle of chemical dynamics and theoretical derivation,the special oxygen concentration based division criteria of “three zone” in high-gasgob is proposed. The results are verified by measuring and analyzing the temperatureof residual coal in gob. The study provides guidance for prediction and prevention ofspontaneous combustion in high-gas gob.
（4）Risk predication for the under three-dimensional gas extraction
In order to accurately predict the state of coal spontaneous combustion in highgassy goaf, according to the characteristics of three-dimensional gas extraction and themovements of overlaying strata and the fractures distributions, the most effective siteto monitor the coal spontaneous combustion in gob is the high gas drainage lane., thevolume fraction of the gas from the goaf can be calculated. With combing the resultsfrom the low-temperature spontaneous combustion experiment, the volumetricalfraction of CO andI COcorresponding to the different stage of coal spontaneouscombustion in the goaf are determined.
在近距离高瓦斯煤层群开采中，“一面四巷”（包括“U+I+高抽巷”和“U+L+高抽巷”）的采煤工作面巷道布置方式，是目前治理工作面瓦斯超限最有效的方法之一，但对于高瓦斯易自燃煤层来说，随着工作面的推进，采空区上覆岩层形成了许多横向及纵向的裂隙，致使高抽巷、裂隙带裂隙与采空区空隙构成了一个气体运移的连通体，在高抽巷抽放负压的抽吸作用下，在采空区形成较大的漏风强度，使采空区遗煤供氧充分，增加了采空区遗煤自然发火的危险性。同时遗煤自燃又可能成为瓦斯燃烧和爆炸的引火源，逐渐演化为矿井生产的重大危险源。
由此看来，预防高瓦斯采空区的遗煤自燃，避免火灾事故的发生，具有重要而现实的意义。
针对高瓦斯采空区的实际情况，本文开展了以下四个方面的研究：
（1）含瓦斯风流条件下煤自燃特性的实验研究
针对高瓦斯采空区漏风流中不仅含有O_2、N_2，而且包括一定浓度CH_4的实际情况，自制了含瓦斯风流条件下煤的低温氧化实验系统，开展了无甲烷、不同氧气浓度条件下及氧浓度相同、不同甲烷浓度条件下的低温氧化实验，优选了煤自燃早期预报的标志性气体，分析了氧化产物的生成规律。氧化产物的生成随氧浓度的降低或甲烷浓度的升高总体呈现“滞后效应”：氧化产物生成的初始温度滞后；相同温度时氧化产物的生成量减小。
（2）立体抽采条件下高抽巷负压对高瓦斯采空区煤自燃影响的数值模拟研究
采用Fluent流体模拟软件，在不同的高抽巷负压条件下，对采空区的漏风流场及瓦斯浓度场进行了分析研究，考察了高抽巷负压对工作面、回风巷、瓦斯尾巷中的瓦斯浓度的影响规律，并在满足工作面、回风巷、尾巷中瓦斯浓度不超限的基础上，揭示了高抽巷负压对采空区自燃“三带”的影响规律，得到了高抽巷负压和自燃带宽度之间的拟合方程，从而得出了高抽巷负压的最佳范围以预防采空区煤自燃事故的发生。
（3）基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分
用氧气体积分数法划分低瓦斯采空区自燃“三带”是目前在工程实践中应用最为广泛、也是最有效的方法。但是该方法没有考虑采空区的瓦斯体积分数的影响，在高瓦斯采空区的应用就受到了局限。运用化学动力学原理，通过理论推导，提出了基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分标准，并利用该标准对现场的高瓦斯采空区进行了划分。通过对采空区内遗煤温度的观测分析，验证了该划分标准的准确性，为高瓦斯矿井采空区早期自然发火预测及火区治理提供了依据。
（4）瓦斯立体抽采条件下高瓦斯采空区煤自燃危险性的预测
为了准确预测高瓦斯采空区煤自燃的状况，根据瓦斯立体抽采的特点，以上覆岩层移动规律及裂隙分布规律为基础，分析了高抽巷是监测深部采空区遗煤自然发火的最有效地点，推算出采空区气体在高抽巷中所占的体积分数，结合含瓦斯风流条件下的低温氧化实验结果，确定了采空区遗煤不同的燃烧阶段所对应的CO体积分数和CO指数。
Mine gas and coal spontaneous combustion are the most disasters which make aserious threat to the coal mine production. When a mine has both such disasters, therisk of miners’ and mine’s production safety will be doubled.
In a ulta-close multiple coal seams mining, the ventilation system of a coalmining working section which is named "One Working face with Four Entries”(including" U+I+high level gas drainage lane "and" U+L+high level gas drainagelane ") is considered as the most effective method to control coal gas around theworking face. However, for a coal seam with both spontaneous combustion and gasproblems, with the development of the working face, lots of horizontal and verticalfractures are formed which works with cracks in fractured zone and voids in gob toresult in a connected body and the coal gas can migrate within it. Under the conditionof negative pressure effects in the high level gas drainage lane, a large scale air-leakageis generated. Hence, the sufficient quantity of oxygen is provided. The risk ofspontaneous combustion of residual coal is enhanced. On the other hand, thespontaneous combustion may become the ignition source of a gas explosion or flamewhich may trigger a more serious problem for a coal mine.
Therefore, it has significances to prevent the spontaneous combustion of residualcoal in the gob to avoid the mine fire risk. Based on the reality in the high gas gob, thedissertation has carried out the research with the follows:
（1）Experimental study of the characterizes of coal spontaneous combustionunder the condition of methane contained airflow.
Not only O_2and N_2are contained in the air-leakage flow in the mine gob, but alsoCH4is the same. A low-temperature coal oxidation experimental system has beendeveloped. A series of low-temperature coal oxidation testing experiments were carriedout under different conditions, such as various oxygen concentrations but none CH_4contained, or various CH4concentrations the same oxygen concentrations. The optimalgas indicator for early warning the coal spontaneous combustion and the laws ofgenerating oxidation products were investigated. The experimental results show thereis a “delay” effect existing when the oxygen concentration is reduced or the CH_4concentration is increased. In detail, the initial temperature when oxidation productsare emitted is postponed and the total amount of products is also decreased comparingto the normal situations.
（2）Simulation study for the influences of the pressure of high drainage roadwayon residual coal spontaneous combustion under stereo gas drainage.Use the Fluent simulation software, the air-leakage flow field and methaneconcentration field were analyzed under different pressure of high drainage roadway.The methane concentrations in working face, return and gas tail lane were alsoinvestigated. Based on the limits of methane concentrations, the influence laws of thetraverse distance and ventilation parameters with respect to gob “three-zone” arecollected. The corresponding fitting equations are also obtained to determine theoptimal boundaries of traverse distance and ventilation parameters for preventing thecoal spontaneous combustion in the gob area.
（3）oxygen concentration based to identify the spontaneous combustion “threezone” in a high-gas gob
In most engineering practices, the most effective and popular method used toidentify the spontaneous combustion “three zone” in a low-gas gob is the oxygenconcentration method. However, this method lacks to consider the influences of CH_4concentration in the gob. Hence, it is not well used for a gob with high gasconsternation. By using the principle of chemical dynamics and theoretical derivation,the special oxygen concentration based division criteria of “three zone” in high-gasgob is proposed. The results are verified by measuring and analyzing the temperatureof residual coal in gob. The study provides guidance for prediction and prevention ofspontaneous combustion in high-gas gob.
（4）Risk predication for the under three-dimensional gas extraction
In order to accurately predict the state of coal spontaneous combustion in highgassy goaf, according to the characteristics of three-dimensional gas extraction and themovements of overlaying strata and the fractures distributions, the most effective siteto monitor the coal spontaneous combustion in gob is the high gas drainage lane., thevolume fraction of the gas from the goaf can be calculated. With combing the resultsfrom the low-temperature spontaneous combustion experiment, the volumetricalfraction of CO andI COcorresponding to the different stage of coal spontaneouscombustion in the goaf are determined.
引文
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