井下煤矸石充填体自燃多场耦合机理研究
发布时间：2021-06-21 14:29
随着煤炭开采范围的不断延伸,许多人口密集的城市和村庄的市政环境正在遭受采煤活动的破坏,其中煤矸石的污染问题和采空区地表塌陷的问题一直是最严重的威胁之一。而井下充填煤矸石可为煤矸石提供消纳空间,减少煤矸石压占土地,是煤矸石利用的途径之一;同时也可以减少地表沉陷,降低地表沉陷对地面市政基础设施的破坏,是一举两得的解决办法。井下煤矸石充填体处于多物理场的环境中。巷道通风导致富氧鲜风源源不断地向矸石孔隙内扩散,引发矸石内部黄铁矿物的氧化放热反应,释放大量热量;如果充填体的散热量小于产热量,就会不断蓄热升温,直至到达矸石中可燃物的着火点而引发自燃现象。煤矸石充填体一旦发生自燃,后果不堪设想。为了深入研究井下煤矸石充填体的自燃问题,本文围绕充填体在复杂多物理场条件下的耦合状态,进行理论分析、数学建模和数值模拟的研究。分析了煤矸石的自燃理论和自燃倾向性,提出全硫含量大于1.0%、热值大于4.18MJ/kg是判断煤矸石充填体自燃倾向性的内因阈值条件,煤矸石破碎程度、充填速度和通风状况则是外因条件,并通过实验进行了测试。研究了充填体的热量传输机制,得到了充填体空气流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温度场...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
井下煤矸石充填体自燃问题提出的逻辑图
1绪论13度和充填工作面作业速度对自燃问题的影响，为合理设计充填方案，提高煤炭资源采出率提供理论依据。1.5.2研究方法和技术路线在充分调研国内外现有的相关研究成果基础上，本文以资料收集、室内试验、理论分析、数值模拟等多种研究手段相结合，根据研究的内容和目标，主要运用以下理论和方法：（1）试验方法：现场采样、室内测试评价煤矸石是否达到自燃阈值条件。（2）理论方法：利用理论分析煤矸石充填体多场耦合状态控制方程，所用理论包括主要来源于多孔介质传热传质学理论体系，包括科泽尼一卡尔曼方程、达西定律、伯努利方程、菲克扩散定律、牛顿冷却定律、傅里叶定律、能量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律等。（3）数值模拟方法：使用多场耦合领域大型通用有限元软件COMSOLMultiphysics进行数值模拟和变化规律研究。（4）技术路线如图1-2所示。图1-2技术路线图Figure1-2Technologyroadmap
2煤矸石充填体自燃理论及自燃倾向性研究19图2-1破碎程度对煤矸石自燃的影响Figure2-1Theeffectofcrushingdegreeonspontaneouscombustionofcoalgangue（2）煤矸石充填工作面的充填推进速度与采空区遗煤自燃温度分布类似，煤矸石充填体内部的温度分布也呈现出“三带”的分布特点。从充填工作面向巷道远端，依次为散热带、自燃带、窒息带。处于散热带的充填体，氧化反应虽然可以进行，但热量不能积累；处于窒息带的充填体，虽然具备蓄热环境，但由于距离工作面较远，氧气通透性差，导致也不能自燃；只有处于中间位置的自燃带，才能同时满足煤矸石自燃发火的外界条件。煤矸石充填工作面的充填推进速度越快，发生自燃的范围就越校这是因为使得充填体处于自燃带的时间短于煤矸石自燃发火期，那么处于自燃范围内的充填体在尚未自燃之前就可以提前进入窒息带，从而杜绝了自燃现象的发生。（3）通风状况井下煤矸石充填巷道的通风管理是自燃管理的重要因素。巷道风量与风速的关系如式（2-1）：fQSv（2-1）式中：fQ——通风风量，3m/sS——巷道断面积，2mv——通风风速，m/s由此可见，通风风速直接决定了巷道的风量。巷道风速越快、风量越大，充填体孔隙漏风风量越大，从而氧浓度越高，煤矸石的氧化反应程度和自燃范围随之增大，不利于自燃发火的防控。但是，井下煤矸石充填巷道的自燃发火问题不同于地面煤矸石山，需要考虑井下瓦斯及有害气体的积存问题，风速不能过校充填工作面周边瓦斯主要来源于巷道周边煤壁、围岩、以及煤矸石充填体的瓦斯解吸。查阅《煤矿安全规程》第101条可知，井下巷道充填工作面的风速范围宜在0.25m/s至4m/s之间。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热棒降温技术的自燃煤堆热迁移行为数值模拟[J]. 程方明,常助川,李贝,邓军,易欣,马砺. 西安科技大学学报. 2019(04)
[2]矿井采空区漏风问题的迎风有限元求解技术及其应用[J]. 吴奉亮,李智胜,常心坦. 西安科技大学学报. 2019(02)
[3]煤矿井下煤矸石处理技术探析[J]. 陈建刚. 山东工业技术. 2019(02)
[4]煤矸石山表面温度场测量方法探析[J]. 李俊龙. 山西能源学院学报. 2018(05)
[5]自燃煤矸石山内部温度拟合与可视化研究[J]. 杜玉玺,苏未曰,吴媛婧,赵瑜,陈景平. 矿业安全与环保. 2018(05)
[6]新时代我国煤矿区生态修复机制构建研究[J]. 胡玮玮,高明涛. 煤炭经济研究. 2018(03)
[7]浅谈煤矿综合机械化采煤技术[J]. 陈建刚. 山东工业技术. 2017(02)
[8]矸石充填与垮落法混合综采技术研究与实践[J]. 殷伟,缪协兴,张吉雄,张强,孙强. 采矿与安全工程学报. 2016(05)
[9]多光谱遥感影像煤火监测新方法（英文）[J]. 夏清,胡振琪. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[10]瓦斯风化带内瓦斯涌出量预测技术研究[J]. 贾军萍,许江涛,张淦星. 中国煤炭. 2016(06)
博士论文
[1]煤矸石山非控自燃热动力学特征及移热方法研究[D]. 李贝.西安科技大学 2017
[2]自燃煤矸石山深部温度场分布规律及热源反演模型研究[D]. 夏清.中国矿业大学(北京) 2017
[3]煤矸石燃烧特性及影响机制研究[D]. 张圆圆.山西大学 2016
[4]瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理研究[D]. 夏同强.中国矿业大学 2015
[5]自燃煤矸石山隔离层覆压阻燃参数试验研究[D]. 高杨.中国矿业大学（北京） 2014
[6]采空区自然发火的多场耦合机理及三维数值模拟研究[D]. 刘伟.中国矿业大学（北京） 2014
[7]采空区分区渗流与煤自燃耦合规律研究[D]. 宋宜猛.中国矿业大学(北京) 2012
[8]采动区大变形扰动土物理力学性质演变及工程响应研究[D]. 于广云.中国矿业大学 2009
[9]煤矸石山自然发火机理及防治技术研究[D]. 黄文章.重庆大学 2004
硕士论文
[1]煤矸石及其掺混生物质木屑的燃烧特性实验研究[D]. 王新华.中国科学技术大学 2019
[2]粉煤灰充填材料的井下安全性研究[D]. 毋林林.太原理工大学 2015
[3]稠油油藏多孔介质多场耦合模型研究及应用[D]. 张雷.东北石油大学 2014
[4]大黄山矿采空区自燃“三带”数值模拟及注氮防治研究[D]. 温伟.太原理工大学 2014
[5]综采面采空区自燃“三带”变化规律研究[D]. 苏全治.太原理工大学 2012
[6]煤矸石山内化学组分溶解—释放—迁移规律的数值模拟研究[D]. 陈楠.辽宁工程技术大学 2012
[7]松散煤体有源温度场实验和数值模拟研究[D]. 李明明.西安科技大学 2009
本文编号：3240847
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
井下煤矸石充填体自燃问题提出的逻辑图
1绪论13度和充填工作面作业速度对自燃问题的影响，为合理设计充填方案，提高煤炭资源采出率提供理论依据。1.5.2研究方法和技术路线在充分调研国内外现有的相关研究成果基础上，本文以资料收集、室内试验、理论分析、数值模拟等多种研究手段相结合，根据研究的内容和目标，主要运用以下理论和方法：（1）试验方法：现场采样、室内测试评价煤矸石是否达到自燃阈值条件。（2）理论方法：利用理论分析煤矸石充填体多场耦合状态控制方程，所用理论包括主要来源于多孔介质传热传质学理论体系，包括科泽尼一卡尔曼方程、达西定律、伯努利方程、菲克扩散定律、牛顿冷却定律、傅里叶定律、能量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律等。（3）数值模拟方法：使用多场耦合领域大型通用有限元软件COMSOLMultiphysics进行数值模拟和变化规律研究。（4）技术路线如图1-2所示。图1-2技术路线图Figure1-2Technologyroadmap
2煤矸石充填体自燃理论及自燃倾向性研究19图2-1破碎程度对煤矸石自燃的影响Figure2-1Theeffectofcrushingdegreeonspontaneouscombustionofcoalgangue（2）煤矸石充填工作面的充填推进速度与采空区遗煤自燃温度分布类似，煤矸石充填体内部的温度分布也呈现出“三带”的分布特点。从充填工作面向巷道远端，依次为散热带、自燃带、窒息带。处于散热带的充填体，氧化反应虽然可以进行，但热量不能积累；处于窒息带的充填体，虽然具备蓄热环境，但由于距离工作面较远，氧气通透性差，导致也不能自燃；只有处于中间位置的自燃带，才能同时满足煤矸石自燃发火的外界条件。煤矸石充填工作面的充填推进速度越快，发生自燃的范围就越校这是因为使得充填体处于自燃带的时间短于煤矸石自燃发火期，那么处于自燃范围内的充填体在尚未自燃之前就可以提前进入窒息带，从而杜绝了自燃现象的发生。（3）通风状况井下煤矸石充填巷道的通风管理是自燃管理的重要因素。巷道风量与风速的关系如式（2-1）：fQSv（2-1）式中：fQ——通风风量，3m/sS——巷道断面积，2mv——通风风速，m/s由此可见，通风风速直接决定了巷道的风量。巷道风速越快、风量越大，充填体孔隙漏风风量越大，从而氧浓度越高，煤矸石的氧化反应程度和自燃范围随之增大，不利于自燃发火的防控。但是，井下煤矸石充填巷道的自燃发火问题不同于地面煤矸石山，需要考虑井下瓦斯及有害气体的积存问题，风速不能过校充填工作面周边瓦斯主要来源于巷道周边煤壁、围岩、以及煤矸石充填体的瓦斯解吸。查阅《煤矿安全规程》第101条可知，井下巷道充填工作面的风速范围宜在0.25m/s至4m/s之间。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热棒降温技术的自燃煤堆热迁移行为数值模拟[J]. 程方明,常助川,李贝,邓军,易欣,马砺. 西安科技大学学报. 2019(04)
[2]矿井采空区漏风问题的迎风有限元求解技术及其应用[J]. 吴奉亮,李智胜,常心坦. 西安科技大学学报. 2019(02)
[3]煤矿井下煤矸石处理技术探析[J]. 陈建刚. 山东工业技术. 2019(02)
[4]煤矸石山表面温度场测量方法探析[J]. 李俊龙. 山西能源学院学报. 2018(05)
[5]自燃煤矸石山内部温度拟合与可视化研究[J]. 杜玉玺,苏未曰,吴媛婧,赵瑜,陈景平. 矿业安全与环保. 2018(05)
[6]新时代我国煤矿区生态修复机制构建研究[J]. 胡玮玮,高明涛. 煤炭经济研究. 2018(03)
[7]浅谈煤矿综合机械化采煤技术[J]. 陈建刚. 山东工业技术. 2017(02)
[8]矸石充填与垮落法混合综采技术研究与实践[J]. 殷伟,缪协兴,张吉雄,张强,孙强. 采矿与安全工程学报. 2016(05)
[9]多光谱遥感影像煤火监测新方法（英文）[J]. 夏清,胡振琪. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[10]瓦斯风化带内瓦斯涌出量预测技术研究[J]. 贾军萍,许江涛,张淦星. 中国煤炭. 2016(06)
博士论文
[1]煤矸石山非控自燃热动力学特征及移热方法研究[D]. 李贝.西安科技大学 2017
[2]自燃煤矸石山深部温度场分布规律及热源反演模型研究[D]. 夏清.中国矿业大学(北京) 2017
[3]煤矸石燃烧特性及影响机制研究[D]. 张圆圆.山西大学 2016
[4]瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理研究[D]. 夏同强.中国矿业大学 2015
[5]自燃煤矸石山隔离层覆压阻燃参数试验研究[D]. 高杨.中国矿业大学（北京） 2014
[6]采空区自然发火的多场耦合机理及三维数值模拟研究[D]. 刘伟.中国矿业大学（北京） 2014
[7]采空区分区渗流与煤自燃耦合规律研究[D]. 宋宜猛.中国矿业大学(北京) 2012
[8]采动区大变形扰动土物理力学性质演变及工程响应研究[D]. 于广云.中国矿业大学 2009
[9]煤矸石山自然发火机理及防治技术研究[D]. 黄文章.重庆大学 2004
硕士论文
[1]煤矸石及其掺混生物质木屑的燃烧特性实验研究[D]. 王新华.中国科学技术大学 2019
[2]粉煤灰充填材料的井下安全性研究[D]. 毋林林.太原理工大学 2015
[3]稠油油藏多孔介质多场耦合模型研究及应用[D]. 张雷.东北石油大学 2014
[4]大黄山矿采空区自燃“三带”数值模拟及注氮防治研究[D]. 温伟.太原理工大学 2014
[5]综采面采空区自燃“三带”变化规律研究[D]. 苏全治.太原理工大学 2012
[6]煤矸石山内化学组分溶解—释放—迁移规律的数值模拟研究[D]. 陈楠.辽宁工程技术大学 2012
[7]松散煤体有源温度场实验和数值模拟研究[D]. 李明明.西安科技大学 2009
本文编号：3240847
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