隨著煤炭開采范圍的不斷延伸,許多人口密集的城市和村莊的市政環(huán)境正在遭受采煤活動的破壞,其中煤矸石的污染問題和采空區(qū)地表塌陷的問題一直是最嚴重的威脅之一。而井下充填煤矸石可為煤矸石提供消納空間,減少煤矸石壓占土地,是煤矸石利用的途徑之一;同時也可以減少地表沉陷,降低地表沉陷對地面市政基礎(chǔ)設(shè)施的破壞,是一舉兩得的解決辦法。井下煤矸石充填體處于多物理場的環(huán)境中。巷道通風導致富氧鮮風源源不斷地向矸石孔隙內(nèi)擴散,引發(fā)矸石內(nèi)部黃鐵礦物的氧化放熱反應(yīng),釋放大量熱量;如果充填體的散熱量小于產(chǎn)熱量,就會不斷蓄熱升溫,直至到達矸石中可燃物的著火點而引發(fā)自燃現(xiàn)象。煤矸石充填體一旦發(fā)生自燃,后果不堪設(shè)想。為了深入研究井下煤矸石充填體的自燃問題,本文圍繞充填體在復(fù)雜多物理場條件下的耦合狀態(tài),進行理論分析、數(shù)學建模和數(shù)值模擬的研究。分析了煤矸石的自燃理論和自燃傾向性,提出全硫含量大于1.0%、熱值大于4.18MJ/kg是判斷煤矸石充填體自燃傾向性的內(nèi)因閾值條件,煤矸石破碎程度、充填速度和通風狀況則是外因條件,并通過實驗進行了測試。研究了充填體的熱量傳輸機制,得到了充填體空氣流場、氧氣濃度場、固體溫度場和氣體溫度場... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：113 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

井下煤矸石充填體自燃問題提出的邏輯圖

1緒論13度和充填工作面作業(yè)速度對自燃問題的影響，為合理設(shè)計充填方案，提高煤炭資源采出率提供理論依據(jù)。1.5.2研究方法和技術(shù)路線在充分調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，本文以資料收集、室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬等多種研究手段相結(jié)合，根據(jù)研究的內(nèi)容和目標，主要運用以下理論和方法：（1）試驗方法：現(xiàn)場采樣、室內(nèi)測試評價煤矸石是否達到自燃閾值條件。（2）理論方法：利用理論分析煤矸石充填體多場耦合狀態(tài)控制方程，所用理論包括主要來源于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學理論體系，包括科澤尼一卡爾曼方程、達西定律、伯努利方程、菲克擴散定律、牛頓冷卻定律、傅里葉定律、能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律等。（3）數(shù)值模擬方法：使用多場耦合領(lǐng)域大型通用有限元軟件COMSOLMultiphysics進行數(shù)值模擬和變化規(guī)律研究。（4）技術(shù)路線如圖1-2所示。圖1-2技術(shù)路線圖Figure1-2Technologyroadmap

2煤矸石充填體自燃理論及自燃傾向性研究19圖2-1破碎程度對煤矸石自燃的影響Figure2-1Theeffectofcrushingdegreeonspontaneouscombustionofcoalgangue（2）煤矸石充填工作面的充填推進速度與采空區(qū)遺煤自燃溫度分布類似，煤矸石充填體內(nèi)部的溫度分布也呈現(xiàn)出“三帶”的分布特點。從充填工作面向巷道遠端，依次為散熱帶、自燃帶、窒息帶。處于散熱帶的充填體，氧化反應(yīng)雖然可以進行，但熱量不能積累；處于窒息帶的充填體，雖然具備蓄熱環(huán)境，但由于距離工作面較遠，氧氣通透性差，導致也不能自燃；只有處于中間位置的自燃帶，才能同時滿足煤矸石自燃發(fā)火的外界條件。煤矸石充填工作面的充填推進速度越快，發(fā)生自燃的范圍就越校這是因為使得充填體處于自燃帶的時間短于煤矸石自燃發(fā)火期，那么處于自燃范圍內(nèi)的充填體在尚未自燃之前就可以提前進入窒息帶，從而杜絕了自燃現(xiàn)象的發(fā)生。（3）通風狀況井下煤矸石充填巷道的通風管理是自燃管理的重要因素。巷道風量與風速的關(guān)系如式（2-1）：fQSv（2-1）式中：fQ——通風風量，3m/sS——巷道斷面積，2mv——通風風速，m/s由此可見，通風風速直接決定了巷道的風量。巷道風速越快、風量越大，充填體孔隙漏風風量越大，從而氧濃度越高，煤矸石的氧化反應(yīng)程度和自燃范圍隨之增大，不利于自燃發(fā)火的防控。但是，井下煤矸石充填巷道的自燃發(fā)火問題不同于地面煤矸石山，需要考慮井下瓦斯及有害氣體的積存問題，風速不能過校充填工作面周邊瓦斯主要來源于巷道周邊煤壁、圍巖、以及煤矸石充填體的瓦斯解吸。查閱《煤礦安全規(guī)程》第101條可知，井下巷道充填工作面的風速范圍宜在0.25m/s至4m/s之間。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3240847