本文關(guān)鍵詞：采空區(qū)自然發(fā)火定量預(yù)報(bào)及CO超限防治研究

  更多相關(guān)文章： 采空區(qū) 自然發(fā)火 指標(biāo)氣體 定量化預(yù)測 均壓通風(fēng)

【摘要】：礦井火災(zāi)一直都是煤礦井下重大災(zāi)害之一。采空區(qū)自然發(fā)火則是礦井內(nèi)因火災(zāi)的主要形式,造成了巨大的資源浪費(fèi)、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,因而國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在《煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃》中提出了井下火災(zāi)治理的“超前預(yù)防”原則,把“火災(zāi)成因機(jī)理分析、火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測預(yù)警”列為急需突破的重點(diǎn)研究領(lǐng)域,特別提到“煤炭自燃引起的內(nèi)因火災(zāi)隱患的治理,防止內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生”。因此,完善采空區(qū)自然發(fā)火機(jī)理,進(jìn)一步研究預(yù)測預(yù)警技術(shù),對(duì)科學(xué)決策煤礦自燃火災(zāi)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(zhì)和所處的環(huán)境差異,本文主要研究了外界水環(huán)境對(duì)煤自燃的影響。利用自主設(shè)計(jì)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(shí)間下,其低溫氧化特性的差異通過煤的標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率來表征。實(shí)驗(yàn)在恒溫和程序升溫兩種條件下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)堿性水環(huán)境在溫度高于55℃時(shí)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(jìn)煤自燃。煤自燃過程中的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)移方程的源項(xiàng)。本文完成了不同氧濃度、不同溫度條件下對(duì)潞寧、馬蘭兩個(gè)礦共計(jì)14個(gè)煤樣的低溫氧化實(shí)驗(yàn),推導(dǎo)建立了煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率的計(jì)算公式,代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后得到同一溫度、不同氧濃度下同一礦各煤樣的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系,由此可以計(jì)算采空區(qū)不同地點(diǎn)處的CO生成量情況。采空區(qū)內(nèi)部條件復(fù)雜,缺少相應(yīng)的探測手段,相似實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行,特別是模擬工作面向前推進(jìn)不易實(shí)現(xiàn),因而目前有關(guān)指標(biāo)氣體的理論、技術(shù)多是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬煤樣的自燃過程后總結(jié)完成的,但實(shí)際采空區(qū)自然發(fā)火的條件復(fù)雜、影響因素眾多,直接將實(shí)驗(yàn)得出的各氣體濃度與煤溫的關(guān)聯(lián)性用于預(yù)報(bào)采空區(qū)自然發(fā)火程度,顯然會(huì)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(xué)的數(shù)學(xué)模型,精確的計(jì)算方法和相應(yīng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為支撐。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和Fick定律建立了采空區(qū)CO氣體運(yùn)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(xué)模型。在本課題組采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合機(jī)理研究的基礎(chǔ)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(guān)系,建立包含co濃度場在內(nèi)的自然發(fā)火多場耦合模型。根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際特點(diǎn),確定了各場的解算范圍,完成解算區(qū)域的網(wǎng)格劃分與節(jié)點(diǎn)編號(hào),基于二維有限體積法對(duì)所建立的co濃度場及采空區(qū)其它各場方程進(jìn)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(duì)包含co濃度場的采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合模型進(jìn)行了離散化,得到了各場的各節(jié)點(diǎn)線性方程組,采用迭代的計(jì)算方法自主開發(fā)了“采空區(qū)自然發(fā)火的co運(yùn)移仿真系統(tǒng)”,對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火進(jìn)行耦合迭代求解,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)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(duì)不同工作面壓差、工作面推進(jìn)速度及遺煤厚度下進(jìn)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(duì)數(shù)成線性函數(shù)關(guān)系,這對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際的預(yù)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(tuán)某礦6122工作面上隅角co超限的原因,通過制定均壓通風(fēng)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(jié)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(guān)系的定量公式計(jì)算可得,由本煤層采空區(qū)遺煤氧化所產(chǎn)生的上隅角co濃度約為2ppm,因此認(rèn)為本采空區(qū)不會(huì)發(fā)生自然發(fā)火,隨后的數(shù)值模擬結(jié)果也表明本采空區(qū)不會(huì)發(fā)生自燃火災(zāi),且正常開采下工作面上隅角不會(huì)出現(xiàn)co超限。結(jié)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(fēng)為載體間歇性涌出所致。針對(duì)采空區(qū)漏風(fēng),制定了均壓通風(fēng)的治理措施,設(shè)計(jì)了工作面風(fēng)機(jī)—風(fēng)門聯(lián)合的增壓方案,計(jì)算了風(fēng)機(jī)供風(fēng)量,完成了風(fēng)機(jī)選型,確定選用2臺(tái)55kw的局部通風(fēng)機(jī),合理安排了風(fēng)機(jī)及風(fēng)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(yīng)的安全管理措施�，F(xiàn)場實(shí)施均壓通風(fēng)后,從均壓后的工作面漏風(fēng)情況和上隅角co濃度觀測結(jié)果來看,均壓通風(fēng)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(jié)束后,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定了在停采線處設(shè)置雙墻永久密閉,并預(yù)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(huì)向周邊正常開采的工作面進(jìn)行泄漏,從而影響這些工作面的安全生產(chǎn),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(shè)計(jì)。首先,研究了注氮防滅火機(jī)理,結(jié)合惰化防滅火各種情況下的氧濃度指標(biāo);然后,制定了現(xiàn)場注氮措施的具體方案,選擇了合理的氮?dú)膺\(yùn)輸管道及注氮管道直徑,繪制了相應(yīng)的注氮管路布置圖。在現(xiàn)場密閉注氮開始后,對(duì)現(xiàn)場采空區(qū)近20個(gè)月的氣體成分及濃度進(jìn)行了觀測,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)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(duì)抑制采空區(qū)遺煤自燃火災(zāi)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(yīng)用到密閉采空區(qū)安全管理中,并據(jù)此制定了相應(yīng)的管理措施。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作表現(xiàn)在以下三點(diǎn):(1)論證了煤自燃過程中的標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率與環(huán)境氧濃度成正比關(guān)系。根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率與環(huán)境氧濃度成正比”的假設(shè)建立了煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率的計(jì)算公式,然后在不同氧濃度、不同溫度條件下對(duì)潞寧、馬蘭兩個(gè)礦的煤樣進(jìn)行了低溫氧化實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率計(jì)算式,得到了同一溫度、不同氧濃度下同一礦各煤樣的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)量與氧氣總消耗量成一定比例,由此證實(shí)了上升假設(shè)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(guān)系式。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和菲克定律建立了采空區(qū)CO氣體運(yùn)移方程,結(jié)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(nèi)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(yùn)移及其它各場的分布情況,通過大量的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn),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(guān)系式,研究表明采空區(qū)最高溫度與上隅角CO濃度的對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系;(3)應(yīng)用事故致因“2—4”模型、工作面均壓通風(fēng)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(jié)合汾西某礦現(xiàn)場情況,通過現(xiàn)場漏風(fēng)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(fēng)措施進(jìn)行治理,設(shè)計(jì)了均壓通風(fēng)方案,基于“2-4”模型制定了均壓通風(fēng)的安全管理措施�，F(xiàn)場實(shí)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(duì)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(shè)計(jì)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(jié)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(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD752.2

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 秦躍平;許士民;喬s，

本文編號(hào)：1196777