本文關(guān)鍵詞： 綜放采空區(qū) 貧氧 自然發(fā)火 數(shù)值模擬 阻化泡沫　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤炭是我國的主要能源，煤炭開采面臨煤自然發(fā)火的嚴(yán)重威脅。由于廣泛采用綜采放頂煤開采工藝和瓦斯抽采技術(shù)，，造成了采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)大，綜放采空區(qū)成為自然發(fā)火的主要區(qū)域。綜放采空區(qū)空間大、遺煤分布廣、漏風(fēng)復(fù)雜等特點(diǎn)導(dǎo)致自燃危險區(qū)域分布異常且缺乏深入研究，使得綜放采空區(qū)遺煤自燃的防治工作存在很大的盲目性，時常導(dǎo)致自燃事故的發(fā)生。本文以分析采空區(qū)煤氧化自熱環(huán)境為切入點(diǎn)，深入研究采空區(qū)貧氧條件下遺煤自燃氧化特性，通過建立符合現(xiàn)場實(shí)際的綜放采空區(qū)及上覆巖三維空隙場數(shù)學(xué)模型和煤自然發(fā)火三維數(shù)學(xué)模型，揭示采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律，提出針對性較強(qiáng)的防治措施，提高防治綜放采空區(qū)遺煤自燃的技術(shù)水平。 綜放采空區(qū)為半封閉空間，煤自燃氧化多在貧氧條件下進(jìn)行。為了獲得更加符合現(xiàn)場實(shí)際的煤自燃特性參數(shù)規(guī)律，奠定系統(tǒng)研究綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，論文開展了貧氧條件下煤自燃特性研究。為了保證實(shí)驗(yàn)可靠和準(zhǔn)確性，首次采用計算機(jī)智能動態(tài)穩(wěn)定配氣裝置，實(shí)現(xiàn)對不同氧濃度N2-O2混合氣體的高精度、動態(tài)穩(wěn)定配制。在此基礎(chǔ)上，利用差示掃描量熱技術(shù)（C80微量熱儀）和煤氧化過程特征參數(shù)多元測試裝置實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量分析不同氧濃度條件下耗氧、放熱以及氣體產(chǎn)物生成規(guī)律。研究表明，貧氧狀態(tài)對煤耗氧和放熱的影響較小，而對氣體產(chǎn)物的影響稍大；煤自燃在300℃前存在緩慢放熱和加速放熱兩個階段，對不同氧濃度條件下煤樣緩慢放熱階段和加速放熱階段的表觀活化能進(jìn)行了計算，表觀活化能隨氧濃度的降低而近似呈線性緩慢升高的趨勢；變質(zhì)程度低的煤對環(huán)境的貧氧程度敏感性強(qiáng)，氧濃度的變化對其自燃過程的耗氧、放熱、氣體產(chǎn)物以及交叉點(diǎn)溫度特性的影響程度都普遍高于變質(zhì)程度高的煤�？傮w來說，貧氧條件對綜放采空區(qū)煤自燃特性的影響較大，以上實(shí)驗(yàn)研究為準(zhǔn)確分析采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。 采空區(qū)與覆巖的空隙是遺煤自燃的漏風(fēng)供氧、煙氣和熱量逸散的通道，是煤氧復(fù)合和蓄熱升溫的重要影響因素，決定著遺煤自燃環(huán)境的氣體濃度場、流場和溫度場分布。因此，研究采空區(qū)及覆巖的空隙率分布規(guī)律對掌握采空區(qū)遺煤自燃過程的熱、質(zhì)傳遞規(guī)律尤為重要。在現(xiàn)場觀測和理論分析的基礎(chǔ)上，本文在關(guān)鍵層撓曲方程基礎(chǔ)上提出了覆巖傾向、走向比例耦合平面連續(xù)撓曲模型，基于該模型得出覆巖離層帶裂隙場的“雙駝峰”比例耦合空間曲面模型，同時根據(jù)基本頂下沉曲面及采空區(qū)傾向空隙率變化系數(shù)，并考慮重力對破碎巖體空隙率的影響，推導(dǎo)出冒落帶空隙率連續(xù)變化曲面方程，從而形成了采空區(qū)及上覆巖的三維空隙場數(shù)學(xué)模型，并對該模型進(jìn)行了驗(yàn)算，得出的結(jié)論與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，這為揭示綜放采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律，定量模擬綜放采空區(qū)自燃火源特性確定了重要參量。 在以上理論分析、實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展了綜放采空區(qū)自燃危險區(qū)域現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬研究，得出了綜放采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，即：綜放采空區(qū)存在“空間自燃三帶”分布特征，隨著距離底板高度的不斷增加，高濃度氧氣分布區(qū)域的范圍不斷減小。因此得出：緊鄰工作面的采空區(qū)，上部浮煤自燃的可能性要大于底板處的浮煤；隨著進(jìn)入采空區(qū)深度的增加，底板處浮煤自燃的可能性逐漸升高，上部浮煤加快進(jìn)入窒息帶，自燃的可能性降低。 針對綜放采空區(qū)自燃危險區(qū)空間立體分布的特點(diǎn)，提出了大流量、高擴(kuò)散的高效阻化泡沫技術(shù)。研制了適合井下狹小作業(yè)空間的新型大流量、風(fēng)驅(qū)高效泡沫發(fā)生裝置，構(gòu)建了滿足大流量穩(wěn)定灌注的阻化泡沫防滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對大空間采空區(qū)遺煤的“宏觀立體覆蓋和微觀高效阻化”，并從宏觀和微觀角度分別分析了阻化泡沫的阻化效果及阻化機(jī)理。有效防治了綜放采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，解決了綜放大空間采空區(qū)自燃隱蔽火源防治難題。
[Abstract]:The coal is the main energy source of our country , and the coal mining faces the serious threat of spontaneous combustion of coal . Due to the extensive use of fully mechanized coal caving mining technology and gas extraction technology , there is a great blindness in the spontaneous combustion hazard area , which leads to the occurrence of spontaneous combustion accident . In order to ensure the reliability and accuracy of coal spontaneous combustion characteristics , the study shows that the effect of oxygen concentration on coal consumption oxygen and heat release is very small , and the apparent activation energy of coal is slightly higher than that of coal . In general , the oxygen concentration change has great influence on the spontaneous combustion characteristics of coal samples under different oxygen concentration conditions . On the basis of field observation and theoretical analysis , this paper presents a mathematical model of gas concentration field , flow field and temperature field of coal - covered self - ignition environment . On the basis of the above theoretical analysis and experimental research , the field observation and numerical simulation study of spontaneous combustion hazard area of fully mechanized caving mining area is carried out , and the natural firing rule of fully mechanized caving mining area is obtained . In view of the characteristics of space three - dimensional distribution of spontaneous combustion hazard zone in fully mechanized top - mechanized caving mining area , a new type of high - efficiency and high - efficient foam - resistant foam technology is proposed . A new type of high - flow and high - efficiency foam generator suitable for underground narrow working space is developed .

【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TD75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1503242