采空区煤自燃环境瓦斯运移积聚规律研究

发布时间：2020-11-07 11:12

　　 煤矿采空区是煤自燃灾害易发地点,也是瓦斯解吸运移的重要场所。随着煤炭开采深度和强度的增加,煤自燃灾害与瓦斯灾害日益严峻,严重威胁着煤炭安全开采。采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸灾害能造成重特大人员伤亡事故,并导致煤尘粉尘爆炸和矿井通风系统紊乱等次生灾害。因此,采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸灾害的形成过程研究及灾害防治技术效果研究对煤矿生产安全具有十分重要的意义。近年来,尽管开展了大量的现场工程技术研究、实验研究和数值研究,采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程仍不够清晰,灾害防治工作仍面临理论基础和技术支持不充分的难题。该灾害形成机理研究难点在于煤自燃与瓦斯爆炸灾害过程的时空演变复杂性,采空区煤自燃对瓦斯运动的具体影响在理论上较难准确分析,在实践中较难捕捉。本文以采空区煤自燃环境为研究背景,采用理论分析、物理模拟实验和数值模拟分析相结合的研究方法,实现了采空区煤自燃浮力效应实验环境并建立了相应的数值模型,系统地研究了采空区煤自燃环境瓦斯运动积聚规律,揭示了采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程。论文主要研究内容及成果如下:1.根据流体力学理论,分析了采空区煤自燃点风流具有的热力学运动特征,建立了采空区煤自燃环境气体流动数学模型,为采空区煤自燃环境风流运动变化明确了理论依据。根据质量守恒定律,流入煤自燃点的风流会产生加速现象,流出煤自燃点的风流会产生减速现象;根据动量守恒定律,煤自燃点产生浮力效应并形成上升气流;气体组分运输方程考虑了煤自燃点风流变化、温度变化和孔隙度对气体组分运动产生的聚集性影响。根据流体力学理论和采空区多孔介质环境,构建了耦合热浮力作用的采空区煤自燃环境气体流动模型,将煤自燃高温对气体密度的影响分别在质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程中实现,并考虑了采空区多孔介质中机械弥散作用对风流运动和气体组分运移的影响。2.开展了采空区不同煤自燃条件下的瓦斯运移模拟实验,获得了煤自燃点瓦斯积聚新现象。采空区煤自燃环境瓦斯运移模拟实验台主要特点包括:采空区填充材料为热物理性质接近实际的石子;采空区底部为瓦斯来源;模拟了采空区进/回风侧煤自燃和不同工作面风速下的瓦斯运移情况。实验结果显示,采空区无煤自燃时,瓦斯浓度在走向方向和倾斜方向上均呈单调递增趋势分布;采空区进风侧发生煤自燃时,煤自燃点形成瓦斯积聚,瓦斯浓度在煤自燃点呈“?”字母形状分布;采空区回风侧发生煤自燃时,煤自燃点形成瓦斯积聚,瓦斯浓度在煤自燃点呈倒“n”字母形状分布。增大工作面风速能够降低采空区瓦斯浓度和煤自燃点积聚的瓦斯浓度。3.基于建立的采空区煤自燃环境气体流动模型进行了数值模拟并得到了实验结果验证,确认了理论依据的科学性,提出采空区煤自燃点“多孔烟囱效应”理论揭示采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成机理,研究了加强通风措施的灾害防治效果。数值模拟结果显示,采空区煤自燃点位置出现明显的瓦斯积聚现象与实验模拟结果表现出一致性,确定了耦合浮力效应的采空区煤自燃环境气体流动模型的合理性;不考虑浮力效应时,数值模拟结果无法得到煤自燃点瓦斯积聚现象。采空区煤自燃环境气体流动模型对温度较为敏感,煤自燃点“多孔烟囱效应”在较低煤自燃温度(400 K左右)即能形成,引起煤自燃点瓦斯积聚现象,随温度升高,积聚瓦斯浓度逐渐增大至最大值。通过对煤自燃点流场特征分析,提出煤自燃点“多孔烟囱效应”揭示采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程如下:(1)采空区煤自燃点高温降低气体密度,产生气体浮力效应;(2)在采空区多孔介质环境中,高温浮力效应发展为煤自燃点“多孔烟囱效应”,煤自燃区域内形成上升热气流和负压;(3)煤自燃区域负压不断抽吸周围较高浓度瓦斯,并在浮力作用下形成瓦斯上升运动,最终在煤自燃点形成瓦斯积聚现象;(4)积聚在煤自燃区域的瓦斯被煤自燃高温点燃,形成瓦斯爆炸灾害。通风加强措施的灾害防治效果因煤自燃情况变化而不同。煤自燃发生在采空区进风侧时,通风加强措施在煤自燃早中晚期(400 K、700 K和900 K)能够将煤自燃点瓦斯浓度降低到瓦斯爆炸极限以下,起到较好的灾害防治效果;煤自燃发生在采空区回风侧时,通风加强措施在煤自燃早期(400 K)不能将瓦斯积聚浓度降低到瓦斯爆炸极限以下,在煤自燃中后期(700 K和900 K)将瓦斯浓度降低至瓦斯爆炸极限内,增加了煤自燃引爆瓦斯的危险性。本论文有图118幅,表10个,参考文献173篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD752.2
【部分图文】：

的研究难度[132-133]。受孔隙度、孔隙连通水平和迂曲度等因素的影响，多孔介质中的流体运动通常更加复杂。采空区是典型的填充型多孔介质空间，受煤炭开采作业影响如采空区漏风、遗煤自燃和采空区瓦斯抽采等现象和措施，多孔采空区气体运动研究难度进一步增大。不同于固体受力分析，流体在运动过程中容易发生大的变形，该特点不利于对流体进行质点受力分析。因此，通常采用欧拉法对流体运动进行分析描述，欧拉法不直接分析研究质点的运动规律，而以流体运动空间即流场作为对象进行分析[134-135]。欧拉描述法原理示意图如图2-1所示，它取流场中某一固定单位空间（控制体）作为研究载体，从质量、动量和能量守恒角度分析流体质点在流经该控制体时流体各种性质和参数的变化。取采空区遗煤自燃高温点一单位空间为研究对象（控制体），可根据守恒定律定性分析单元体内气体流动的变化情况，如流速大孝流速方向和气体温度的变化规律。图2-1欧拉描述法示意图Figure2-1IllustrationofEulermethod从质量守恒角度分析可知，采煤工作面产生的漏风风流作为质量流入项（从控制体外部进入产生的增加量）进入煤自燃高温点控制体，同时高温点控制体内的气体向外部流出（从控制体内部流出产生的减少量）。根据理想气体状态方程可知，煤自燃点控制体内的高温将会降低气体密度。由于局部煤自燃点的存在，流入和流出煤自燃点控制体的气体温度并不同。以高温控制体为例分析，煤自燃点控制体的流入气体温度低于流出气体温度，流入气体密度大于流出气体密度。为了满足质量守恒定律，不同密度的气体需要产生相同的气体质量流量，这必然导致流入和流出气体体积流量的不同。密度小的气体需要更大的体积流量，密度大的气体需要更小的体积流量。因此，在单位控制体对应截

为能量流出项（从控制体内部流出的减少量）。高温点控制体内的煤自燃产热则作为源项对控制体内的气体能量变化起到重大影响作用，其表现为气体温度升高、气体流速增大和气体向上运动等。由于采空区煤自燃点附近气体流动速度低，能量的转移转化形式以热传导为主，并伴随一定程度的流体固体对流换热。采空区作为复杂的多孔介质环境，其中的气体运动相当复杂，气体和固体的热物理性质对煤自燃高温点控制体内的能量转移转化产生较明显影响。能量方程的合理建立也将通过影响流体温度和密度来改变采空区煤自燃点气体运动规律。图2-2采空区流场方程组示意图Figure2-2Illustrationofequationgroupforairflowfieldincoalminegob质量守恒方程能量守恒方程动量守恒方程边界条件耦合条件

2采空区煤自燃环境气体流动模型15量守恒定律，气体流出体积量必须小于气体流入体积量，导致气体流出速度小于流体流入速度，即出现流体速度减慢现象，如图2-3所示情形3，该情形适用于气体流出煤自燃高温点影响范围时的流体运动分析。因此，尽管质量守恒方程形式未发生变化，但通过具体环境情形的分析，得到了采空区煤自燃高温环境下气体运动变化的三种情况。图2-3流体密度变化引起的流速变化Figure2-3Changeoffluidflowvelocitycausedbyfluiddensityvariation2.1.2动量守恒方程流体动量守恒方程描述了流体系统所受外力与流体系统动量变化之间的关系。流体动量守恒方程的选择与构建需要结合流体运动状态进行确定。不同的流体运动状态需要能够体现各自特点的动量守恒方程进行描述，如湍流状态的流体动量守恒方程可用“纳维–斯托克斯”方程描述，过渡流状态流体动量守恒方程需用“福希海默–达西”方程描述，层流运动状态流体动量守恒方程可用达西定律描述[65,59,139]。雷诺数作为描述流体运动状态的指标，可以判断流体的不同运动状态。雷诺数计算公式如下，流体流入速度V1流体流出速度V2密度不变（恒温）控制体(REV)=情形1：流体密度不变（煤自燃影响范围外）情形2：流体密度变小（气体流入煤自燃影响范围）情形3：流体密度变大（气体流出煤自燃影响范围）流体流入速度V1流体流出速度V2密度变小（升温）控制体(REV)<流体流入速度V1流体流出速度V2密度变大（降温）控制体(REV)>V1V2V1V2V1V2
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本文编号：2873864