高产高效矿井CO产生机理及控制方法

发布时间：2018-02-26 03:27

本文关键词： 原生CO 快速氧化指标气体 CFD 分源预测　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：煤自燃是煤矿主要灾害之一,自燃造成煤炭资源浪费、影响安全生产,也可能引发矿井瓦斯、煤尘爆炸事故、产生有毒气体危害矿工人身安全。我国煤矿自燃发火现象是全球最严重的国家之一,自燃发火每年给我国煤矿带来数十亿的经济损失。尤其是在高产高效矿井中,煤自燃带来的经济损失无法估量。煤自燃治理的关键在于升温预测预报。CO气体是预测煤自燃最常用的指标气体,与煤氧化过程具有明显的对应性;另一方面,暴露在不同浓度CO气氛内一段时间会对人体造成损伤,因此,研究CO气体在煤矿井下巷道内的运移和积聚规律一方面可以提高指标气体预测方法的精度,另一方面可以保证井下工作人员的人身安全。通过对大量文献进行研读,论文总结了指标气体预测方法的理论基础,是建立在大量的程序升温实验研究、大尺度实验研究、现场测试研究,辅以红外光谱分析、顺磁共振分析等手段之上的。研究证明煤自燃升温的初级阶段即可产生CO气体,产生量在经历缓慢上升后,剧烈上升,这一规律性保证CO气体可以作为指标气体,但是不同易自燃煤对应的预警浓度是不同的,需要根据现实条件确定。煤矿井下其他CO气体来源造成指标气体预测结果带来误导。煤矿井下生产过程中存在爆破产生CO源、防爆车运行尾气CO源、原生CO源、快速氧化产生CO源和煤自燃产生CO源。通过对不同CO源的产生和运移规律进行研究,总结不同CO源的运移和积聚特点,为提高预测方法的准确度提供借鉴。采动条件下工作面前方煤体沿深度依次分为卸压带、应力集中带和原岩应力带,论文首先通过从岩石力学角度,计算了卸压带宽度,在卸压带内,煤体裂隙充分发育,形成新的裂隙,旧的裂隙继续发育,造成煤体渗透性增大,巷道内空气在风压的作用下渗入破碎煤壁,同时,煤壁原有孔、裂隙的扩展和贯通会破坏原有赋存气体的平衡状态,造成原生赋存CO气体的解吸逸出。因此采动条件下工作面破碎煤壁同时存在原生CO气体的逸出和新鲜风流内O2的灌入。通过FLAC模拟方法,以大南湖一矿为计算模型,模拟了采动条件下工作面前方煤体损伤区域,模拟发现,前方煤体应力破坏区域在0~13m,在此范围内煤体裂隙发育,O2和原生CO气体可以运移。设计工作面煤壁取样、解吸和计算方法,验证采动条件下工作面破碎煤壁快速氧化CO的存在。通过沿工作面深度连续、绝氧取样的方法,在工作面煤壁深1.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,10.5m处共取得7组煤样,煤样采出后,在30s之内装入充氮取样罐内,并密封。带回实验室后,在100rad/min球磨机转速下连续破碎2h,恒温25℃,通入10mL/min氮气进行恒温解吸,将解吸气体通入气相色谱仪分析气体种类和浓度分析。通过对解吸曲线进行分析可以发现,距离工作面煤壁3~4m处煤体内含有最大量的CO气体,在7.5m及以上深度处煤壁CO量相差不大。设计煤层原始未氧化煤试样的取样、解吸和计算方法,验证煤层原生赋存CO气体的存在。现今,对于煤层是否赋存有原生CO气体及赋存量的多少尚未有定论,通过打穿层30m钻孔的方法取得原始未受采动影响煤样,充氮密封进行破碎、解吸,在10rad/min球磨机转速下连续破碎2h,恒温25℃,通入10 mL/min氮气进行恒温解吸,经计算,大南湖一矿煤层内每吨煤赋存有1.19L原生CO气体。为了排除取样和实验过程中可能存在的氧化环节,根据恒温氧化实验结果,基于O2的消耗结果,排除试样可能氧化产生的CO最大值,经计算,每吨煤内至少含有0.983 2L的CO气体。将测得的原生CO气体量和工作面前方沿深度所取煤样内含有的CO气体量进行比对,将二者含量相同的点定义为采动条件下工作面前方快速氧化的氧化深度,经比较,不同工作面氧化深度,不同,约在6~9 m。采用流体力学方法,利用CFD模拟软件,推导了工作面破碎煤壁逸出CO气体运移的控制方程,包括连续性方程、质量守恒方程和动量守恒方程等,模拟了工作面破碎煤壁逸出0.9,0.7和0.5L CO气体在2m/s和3m/s通风条件下的运移和积聚规律。模拟结果发现,在0.9L/t CO含量和2m/s进风条件下,巷道内回风侧CO浓度达到最高,为10ppm,并不会达到最高允许浓度,因此不会对人体健康造成威胁。模拟结果呈现比较明显的进风流量越大、原生CO气体量越小风流内CO气体最高浓度越小的趋势。通过在模型中建立监测点进行浓度分析发现,高进风风速条件下,回风侧CO浓度偏低,并且稀释速度较快。为了研究工作面采动时,判断破碎煤体CO涌出对采空区煤自燃升温产生氧化CO浓度场的影响,采用CFD模拟软件,推导了控制采空区遗煤升温的能量守恒方程、质量守恒方程,采空区和工作面流体运移的控制方程,并论述了控制方程之间的耦合方法,结合煤低温氧化程序升温实验结果,进行CO产生速率和耗氧速率的分段拟合,带入控制方程进行模拟。模拟过程研究了2m/s进风风速条件下,工作面煤壁每吨煤涌出2.5L/t CO气体条件下采空区动态升温过程,模拟结果显示,采空区松散煤升温呈2个阶段,在缓慢升温阶段放出少量CO气体,此时由工作面涌出的CO气体在回风侧积聚达16ppm,虽然不会达到最高允许值,但是会在采空区氧化初期对自燃程度的判断造成误导,导致对采空区煤达到自燃危险时间的判断提前。通过对2.8,2,1.2m/s进风风速条件下的CO浓度和温度瞬态模拟结果进行分析发现,风速越大,回风侧由煤壁放出的CO源积聚程度越低,对煤自燃初期对氧化程度的判断造成的误差越小;通过对采空区煤氧化200,300,400kJ/mol放热量条件下的CO浓度和温度瞬态模拟结果进行分析发现,煤氧化放热量越高,煤自燃初级阶段放出CO浓度越高,煤壁破碎涌出CO源对巷道内CO浓度造成的影响相对越小,对煤自燃初期的判断误差越小。本文总结了世界各国对煤矿井下CO浓度最高允许值和暴露在不同CO浓度条件下不同时间对人体造成的影响,指出我国规定的CO浓度最高允许值是建立在保证工作人员人身健康之上的,其值对于煤是否进入自燃危险并无实际意义。煤矿井下CO主要包括以下几个来源:煤层原生赋存、采动工作面快速氧化、防爆车运行、井下爆破和采空区自燃;其中原生赋存和工作面快速氧化产生的CO气体由于都是在采动过程中逸出,在实际生产中难以对其来源进行区分,因此归为一类进行讨论。防爆车运行产生的CO气体数量较少,随风流消散快;爆破产生CO气体浓度很高,具有浓度剧烈升高后剧烈下降的特点;随工作面采动逸出的CO气体在采动过程中持续存在。针对不同CO源的产生和运移特点,提出不同源CO的辨识方法,提出具有针对性的治理方法,为保证井下工作人员的人身安全和煤矿的高效生产提供借鉴。本文分析了大南湖一矿CO监测数据,利用辨识方法对CO浓度变化进行了分析,提出了控制其浓度的方法,为完善指标气体预测方法、保证人身安全和高效生产提供了依据。
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【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】：2017
【分类号】：TD752.2

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