采空区自然发火定量预报及CO超限防治研究

发布时间：2017-11-17 17:14

  本文关键词：采空区自然发火定量预报及CO超限防治研究

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【摘要】：矿井火灾一直都是煤矿井下重大灾害之一。采空区自然发火则是矿井内因火灾的主要形式,造成了巨大的资源浪费、人员伤亡和财产损失,因而国家安全生产监督管理总局在《煤矿安全生产“十二五”规划》中提出了井下火灾治理的“超前预防”原则,把“火灾成因机理分析、火灾预防、监测预警”列为急需突破的重点研究领域,特别提到“煤炭自燃引起的内因火灾隐患的治理,防止内因火灾发生”。因此,完善采空区自然发火机理,进一步研究预测预警技术,对科学决策煤矿自燃火灾的防治都有着重要的意义。煤自燃受多种因素的影响,诸如煤自身物化性质和所处的环境差异,本文主要研究了外界水环境对煤自燃的影响。利用自主设计的煤低温氧化测试系统分别研究了煤在不同酸碱度水环境以及不同浸水时间下,其低温氧化特性的差异通过煤的标准耗氧速率来表征。实验在恒温和程序升温两种条件下进行,实验发现碱性水环境在温度高于55℃时可以抑制煤的氧化能力,而酸性和中性水则在一定程度上促进煤自燃。煤自燃过程中的标准CO生成速率是研究采空区各处CO生成量的主要参数,也是采空区CO运移方程的源项。本文完成了不同氧浓度、不同温度条件下对潞宁、马兰两个矿共计14个煤样的低温氧化实验,推导建立了煤低温氧化实验过程中标准CO生成速率的计算公式,代入实验数据后得到同一温度、不同氧浓度下同一矿各煤样的标准CO生成速率都相等的规律,这表明煤自燃过程中CO生成速率与环境氧浓度成正比关系,由此可以计算采空区不同地点处的CO生成量情况。采空区内部条件复杂,缺少相应的探测手段,相似实验很难进行,特别是模拟工作面向前推进不易实现,因而目前有关指标气体的理论、技术多是在实验室条件下模拟煤样的自燃过程后总结完成的,但实际采空区自然发火的条件复杂、影响因素众多,直接将实验得出的各气体浓度与煤温的关联性用于预报采空区自然发火程度,显然会出现较大偏差。因此,数值模拟成为研究采空区自然发火的重要方法和手段,这就要求科学的数学模型,精确的计算方法和相应的现场数据作为支撑。根据质量守恒定律和Fick定律建立了采空区CO气体运移方程,确定了其边界条件,从而建立了采空区CO浓度场数学模型。在本课题组采空区自然发火多场耦合机理研究的基础上,研究CO浓度场与采空区流场、氧浓度场及温度场的耦合作用关系,建立包含co浓度场在内的自然发火多场耦合模型。根据采空区的实际特点,确定了各场的解算范围,完成解算区域的网格划分与节点编号,基于二维有限体积法对所建立的co浓度场及采空区其它各场方程进行离散化,具体介绍了采空区co浓度场的离散过程,并给出了流场、氧浓度场、气体温度场及固体温度场的离散通式。利用本课题组提出的二维有限体积法,对包含co浓度场的采空区自然发火多场耦合模型进行了离散化,得到了各场的各节点线性方程组,采用迭代的计算方法自主开发了“采空区自然发火的co运移仿真系统”,对采空区自然发火进行耦合迭代求解,结合现场实际情况,得到采空区流场、氧浓度场、气体温度场和固体温度场以及co浓度场的分布情况。通过对不同工作面压差、工作面推进速度及遗煤厚度下进行大量数值模拟,建立了0~200℃下采空区最高温度与上隅角co浓度的对数成线性函数关系,这对于现场实际的预测采空区遗煤自燃具有重大的意义。分析了汾西矿业集团某矿6122工作面上隅角co超限的原因,通过制定均压通风方案成功解决了该问题。首先,通过现场观测工作面上隅角co的浓度变化,定性其异常涌出的特征,并初步分析了高浓度co的来源;然后,利用本课题所研制的“采煤工作面采空区温度观测系统”探测了6122工作面采空区的温度分布,结果显示本煤层采空区最高温度约为18℃,利用上隅角co温度与采空区最高关系的定量公式计算可得,由本煤层采空区遗煤氧化所产生的上隅角co浓度约为2ppm,因此认为本采空区不会发生自然发火,随后的数值模拟结果也表明本采空区不会发生自燃火灾,且正常开采下工作面上隅角不会出现co超限。结合该煤层的具体位置条件,综合判定6122工作面上隅角co超限是邻近层或老窑高浓度co泄露以漏风为载体间歇性涌出所致。针对采空区漏风,制定了均压通风的治理措施,设计了工作面风机—风门联合的增压方案,计算了风机供风量,完成了风机选型,确定选用2台55kw的局部通风机,合理安排了风机及风门的布置位置。为保证均压系统的稳定,基于“2-4”模型制定了相应的安全管理措施。现场实施均压通风后,从均压后的工作面漏风情况和上隅角co浓度观测结果来看,均压通风系统取得了良好的效果,成功解决了工作面上隅角co超限的问题。该矿6120工作面开采结束后,结合现场实际情况确定了在停采线处设置双墙永久密闭,并预留束管系统检测采空区co浓度变化情况,用以确定采空区自然发火情况。随后不久发现该密闭采空区区域co浓度较高,会向周边正常开采的工作面进行泄漏,从而影响这些工作面的安全生产,因此决定采用密闭区域注氮的治理措施,并给出了现场注氮设计。首先,研究了注氮防灭火机理,结合惰化防灭火各种情况下的氧浓度指标;然后,制定了现场注氮措施的具体方案,选择了合理的氮气运输管道及注氮管道直径,绘制了相应的注氮管路布置图。在现场密闭注氮开始后,对现场采空区近20个月的气体成分及浓度进行了观测,根据观测数据作出了注氮前后的CO浓度变化规律图以及N2、O2浓度变化规律图。研究表明,采空区注氮对抑制采空区遗煤自燃火灾有显著的效果,从而解决了密闭区域高浓度CO的治理问题。将事故致因“2-4”模型应用到密闭采空区安全管理中,并据此制定了相应的管理措施。本文的主要创新性工作表现在以下三点:(1)论证了煤自燃过程中的标准CO生成速率与环境氧浓度成正比关系。根据“标准CO生成速率与环境氧浓度成正比”的假设建立了煤低温氧化实验过程中标准CO生成速率的计算公式,然后在不同氧浓度、不同温度条件下对潞宁、马兰两个矿的煤样进行了低温氧化实验,将实验结果代入标准CO生成速率计算式,得到了同一温度、不同氧浓度下同一矿各煤样的标准CO升速速率都相等的规律,这表明煤自燃过程中CO的总生产量与氧气总消耗量成一定比例,由此证实了上升假设成立;(2)建立了采空区最高温度与上隅角CO浓度的定量化关系式。根据质量守恒定律和菲克定律建立了采空区CO气体运移方程,结合本课题组前期的采空区自然发火多场耦合研究,建立包含CO浓度场在内的采空区自然发火多场耦合模型,利用有限体积编制了数值软件,得到了采空区CO气体运移及其它各场的分布情况,通过大量的数值仿真实验,建立了采空区最高温度与上隅角CO浓度的定量化函数关系式,研究表明采空区最高温度与上隅角CO浓度的对数呈良好的线性关系;(3)应用事故致因“2—4”模型、工作面均压通风以及密闭注氮等手段,分别制定了上隅角CO超限防治管理措施和工作面密闭后的高浓度CO防治管理措施,都取得良好效果。结合汾西某矿现场情况,通过现场漏风观测、采空区温度观测以及数值模拟研究,确定了该矿上隅角CO超限由邻近层或小煤窑的采空区高浓度CO泄漏所致,决定采用均压通风措施进行治理,设计了均压通风方案,基于“2-4”模型制定了均压通风的安全管理措施。现场实施表明均压措施起到了很好的降低上隅角CO浓度效果;针对工作面密闭后出现的高浓度CO情况,制定了密闭注氮灭火措施,设计了密闭注氮方案,基于“2-4”模型制定了密闭采空区的安全管理措施,通过束管系统观测采空区CO浓度变化,结果表明持续的注氮有效的抑制了密闭区域自然发火,取得了良好的效果。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD752.2

【参考文献】

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1 秦跃平;许士民;乔s，

本文编号：1196777