本文關鍵詞：采空區(qū)自然發(fā)火定量預報及CO超限防治研究

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【摘要】：礦井火災一直都是煤礦井下重大災害之一。采空區(qū)自然發(fā)火則是礦井內因火災的主要形式,造成了巨大的資源浪費、人員傷亡和財產損失,因而國家安全生產監(jiān)督管理總局在《煤礦安全生產“十二五”規(guī)劃》中提出了井下火災治理的“超前預防”原則,把“火災成因機理分析、火災預防、監(jiān)測預警”列為急需突破的重點研究領域,特別提到“煤炭自燃引起的內因火災隱患的治理,防止內因火災發(fā)生”。因此,完善采空區(qū)自然發(fā)火機理,進一步研究預測預警技術,對科學決策煤礦自燃火災的防治都有著重要的意義。煤自燃受多種因素的影響,諸如煤自身物化性質和所處的環(huán)境差異,本文主要研究了外界水環(huán)境對煤自燃的影響。利用自主設計的煤低溫氧化測試系統(tǒng)分別研究了煤在不同酸堿度水環(huán)境以及不同浸水時間下,其低溫氧化特性的差異通過煤的標準耗氧速率來表征。實驗在恒溫和程序升溫兩種條件下進行,實驗發(fā)現(xiàn)堿性水環(huán)境在溫度高于55℃時可以抑制煤的氧化能力,而酸性和中性水則在一定程度上促進煤自燃。煤自燃過程中的標準CO生成速率是研究采空區(qū)各處CO生成量的主要參數(shù),也是采空區(qū)CO運移方程的源項。本文完成了不同氧濃度、不同溫度條件下對潞寧、馬蘭兩個礦共計14個煤樣的低溫氧化實驗,推導建立了煤低溫氧化實驗過程中標準CO生成速率的計算公式,代入實驗數(shù)據后得到同一溫度、不同氧濃度下同一礦各煤樣的標準CO生成速率都相等的規(guī)律,這表明煤自燃過程中CO生成速率與環(huán)境氧濃度成正比關系,由此可以計算采空區(qū)不同地點處的CO生成量情況。采空區(qū)內部條件復雜,缺少相應的探測手段,相似實驗很難進行,特別是模擬工作面向前推進不易實現(xiàn),因而目前有關指標氣體的理論、技術多是在實驗室條件下模擬煤樣的自燃過程后總結完成的,但實際采空區(qū)自然發(fā)火的條件復雜、影響因素眾多,直接將實驗得出的各氣體濃度與煤溫的關聯(lián)性用于預報采空區(qū)自然發(fā)火程度,顯然會出現(xiàn)較大偏差。因此,數(shù)值模擬成為研究采空區(qū)自然發(fā)火的重要方法和手段,這就要求科學的數(shù)學模型,精確的計算方法和相應的現(xiàn)場數(shù)據作為支撐。根據質量守恒定律和Fick定律建立了采空區(qū)CO氣體運移方程,確定了其邊界條件,從而建立了采空區(qū)CO濃度場數(shù)學模型。在本課題組采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合機理研究的基礎上,研究CO濃度場與采空區(qū)流場、氧濃度場及溫度場的耦合作用關系,建立包含co濃度場在內的自然發(fā)火多場耦合模型。根據采空區(qū)的實際特點,確定了各場的解算范圍,完成解算區(qū)域的網格劃分與節(jié)點編號,基于二維有限體積法對所建立的co濃度場及采空區(qū)其它各場方程進行離散化,具體介紹了采空區(qū)co濃度場的離散過程,并給出了流場、氧濃度場、氣體溫度場及固體溫度場的離散通式。利用本課題組提出的二維有限體積法,對包含co濃度場的采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合模型進行了離散化,得到了各場的各節(jié)點線性方程組,采用迭代的計算方法自主開發(fā)了“采空區(qū)自然發(fā)火的co運移仿真系統(tǒng)”,對采空區(qū)自然發(fā)火進行耦合迭代求解,結合現(xiàn)場實際情況,得到采空區(qū)流場、氧濃度場、氣體溫度場和固體溫度場以及co濃度場的分布情況。通過對不同工作面壓差、工作面推進速度及遺煤厚度下進行大量數(shù)值模擬,建立了0~200℃下采空區(qū)最高溫度與上隅角co濃度的對數(shù)成線性函數(shù)關系,這對于現(xiàn)場實際的預測采空區(qū)遺煤自燃具有重大的意義。分析了汾西礦業(yè)集團某礦6122工作面上隅角co超限的原因,通過制定均壓通風方案成功解決了該問題。首先,通過現(xiàn)場觀測工作面上隅角co的濃度變化,定性其異常涌出的特征,并初步分析了高濃度co的來源;然后,利用本課題所研制的“采煤工作面采空區(qū)溫度觀測系統(tǒng)”探測了6122工作面采空區(qū)的溫度分布,結果顯示本煤層采空區(qū)最高溫度約為18℃,利用上隅角co溫度與采空區(qū)最高關系的定量公式計算可得,由本煤層采空區(qū)遺煤氧化所產生的上隅角co濃度約為2ppm,因此認為本采空區(qū)不會發(fā)生自然發(fā)火,隨后的數(shù)值模擬結果也表明本采空區(qū)不會發(fā)生自燃火災,且正常開采下工作面上隅角不會出現(xiàn)co超限。結合該煤層的具體位置條件,綜合判定6122工作面上隅角co超限是鄰近層或老窯高濃度co泄露以漏風為載體間歇性涌出所致。針對采空區(qū)漏風,制定了均壓通風的治理措施,設計了工作面風機—風門聯(lián)合的增壓方案,計算了風機供風量,完成了風機選型,確定選用2臺55kw的局部通風機,合理安排了風機及風門的布置位置。為保證均壓系統(tǒng)的穩(wěn)定,基于“2-4”模型制定了相應的安全管理措施�，F(xiàn)場實施均壓通風后,從均壓后的工作面漏風情況和上隅角co濃度觀測結果來看,均壓通風系統(tǒng)取得了良好的效果,成功解決了工作面上隅角co超限的問題。該礦6120工作面開采結束后,結合現(xiàn)場實際情況確定了在停采線處設置雙墻永久密閉,并預留束管系統(tǒng)檢測采空區(qū)co濃度變化情況,用以確定采空區(qū)自然發(fā)火情況。隨后不久發(fā)現(xiàn)該密閉采空區(qū)區(qū)域co濃度較高,會向周邊正常開采的工作面進行泄漏,從而影響這些工作面的安全生產,因此決定采用密閉區(qū)域注氮的治理措施,并給出了現(xiàn)場注氮設計。首先,研究了注氮防滅火機理,結合惰化防滅火各種情況下的氧濃度指標;然后,制定了現(xiàn)場注氮措施的具體方案,選擇了合理的氮氣運輸管道及注氮管道直徑,繪制了相應的注氮管路布置圖。在現(xiàn)場密閉注氮開始后,對現(xiàn)場采空區(qū)近20個月的氣體成分及濃度進行了觀測,根據觀測數(shù)據作出了注氮前后的CO濃度變化規(guī)律圖以及N2、O2濃度變化規(guī)律圖。研究表明,采空區(qū)注氮對抑制采空區(qū)遺煤自燃火災有顯著的效果,從而解決了密閉區(qū)域高濃度CO的治理問題。將事故致因“2-4”模型應用到密閉采空區(qū)安全管理中,并據此制定了相應的管理措施。本文的主要創(chuàng)新性工作表現(xiàn)在以下三點:(1)論證了煤自燃過程中的標準CO生成速率與環(huán)境氧濃度成正比關系。根據“標準CO生成速率與環(huán)境氧濃度成正比”的假設建立了煤低溫氧化實驗過程中標準CO生成速率的計算公式,然后在不同氧濃度、不同溫度條件下對潞寧、馬蘭兩個礦的煤樣進行了低溫氧化實驗,將實驗結果代入標準CO生成速率計算式,得到了同一溫度、不同氧濃度下同一礦各煤樣的標準CO升速速率都相等的規(guī)律,這表明煤自燃過程中CO的總生產量與氧氣總消耗量成一定比例,由此證實了上升假設成立;(2)建立了采空區(qū)最高溫度與上隅角CO濃度的定量化關系式。根據質量守恒定律和菲克定律建立了采空區(qū)CO氣體運移方程,結合本課題組前期的采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合研究,建立包含CO濃度場在內的采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合模型,利用有限體積編制了數(shù)值軟件,得到了采空區(qū)CO氣體運移及其它各場的分布情況,通過大量的數(shù)值仿真實驗,建立了采空區(qū)最高溫度與上隅角CO濃度的定量化函數(shù)關系式,研究表明采空區(qū)最高溫度與上隅角CO濃度的對數(shù)呈良好的線性關系;(3)應用事故致因“2—4”模型、工作面均壓通風以及密閉注氮等手段,分別制定了上隅角CO超限防治管理措施和工作面密閉后的高濃度CO防治管理措施,都取得良好效果。結合汾西某礦現(xiàn)場情況,通過現(xiàn)場漏風觀測、采空區(qū)溫度觀測以及數(shù)值模擬研究,確定了該礦上隅角CO超限由鄰近層或小煤窯的采空區(qū)高濃度CO泄漏所致,決定采用均壓通風措施進行治理,設計了均壓通風方案,基于“2-4”模型制定了均壓通風的安全管理措施。現(xiàn)場實施表明均壓措施起到了很好的降低上隅角CO濃度效果;針對工作面密閉后出現(xiàn)的高濃度CO情況,制定了密閉注氮滅火措施,設計了密閉注氮方案,基于“2-4”模型制定了密閉采空區(qū)的安全管理措施,通過束管系統(tǒng)觀測采空區(qū)CO濃度變化,結果表明持續(xù)的注氮有效的抑制了密閉區(qū)域自然發(fā)火,取得了良好的效果。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD752.2

【參考文獻】

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1 秦躍平;許士民;喬s，

本文編號：1196777