本文關(guān)鍵詞： 原生CO 快速氧化 指標(biāo)氣體 CFD 分源預(yù)測　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：煤自燃是煤礦主要災(zāi)害之一,自燃造成煤炭資源浪費(fèi)、影響安全生產(chǎn),也可能引發(fā)礦井瓦斯、煤塵爆炸事故、產(chǎn)生有毒氣體危害礦工人身安全。我國煤礦自燃發(fā)火現(xiàn)象是全球最嚴(yán)重的國家之一,自燃發(fā)火每年給我國煤礦帶來數(shù)十億的經(jīng)濟(jì)損失。尤其是在高產(chǎn)高效礦井中,煤自燃帶來的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。煤自燃治理的關(guān)鍵在于升溫預(yù)測預(yù)報。CO氣體是預(yù)測煤自燃最常用的指標(biāo)氣體,與煤氧化過程具有明顯的對應(yīng)性;另一方面,暴露在不同濃度CO氣氛內(nèi)一段時間會對人體造成損傷,因此,研究CO氣體在煤礦井下巷道內(nèi)的運(yùn)移和積聚規(guī)律一方面可以提高指標(biāo)氣體預(yù)測方法的精度,另一方面可以保證井下工作人員的人身安全。通過對大量文獻(xiàn)進(jìn)行研讀,論文總結(jié)了指標(biāo)氣體預(yù)測方法的理論基礎(chǔ),是建立在大量的程序升溫實驗研究、大尺度實驗研究、現(xiàn)場測試研究,輔以紅外光譜分析、順磁共振分析等手段之上的。研究證明煤自燃升溫的初級階段即可產(chǎn)生CO氣體,產(chǎn)生量在經(jīng)歷緩慢上升后,劇烈上升,這一規(guī)律性保證CO氣體可以作為指標(biāo)氣體,但是不同易自燃煤對應(yīng)的預(yù)警濃度是不同的,需要根據(jù)現(xiàn)實條件確定。煤礦井下其他CO氣體來源造成指標(biāo)氣體預(yù)測結(jié)果帶來誤導(dǎo)。煤礦井下生產(chǎn)過程中存在爆破產(chǎn)生CO源、防爆車運(yùn)行尾氣CO源、原生CO源、快速氧化產(chǎn)生CO源和煤自燃產(chǎn)生CO源。通過對不同CO源的產(chǎn)生和運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,總結(jié)不同CO源的運(yùn)移和積聚特點(diǎn),為提高預(yù)測方法的準(zhǔn)確度提供借鑒。采動條件下工作面前方煤體沿深度依次分為卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原巖應(yīng)力帶,論文首先通過從巖石力學(xué)角度,計算了卸壓帶寬度,在卸壓帶內(nèi),煤體裂隙充分發(fā)育,形成新的裂隙,舊的裂隙繼續(xù)發(fā)育,造成煤體滲透性增大,巷道內(nèi)空氣在風(fēng)壓的作用下滲入破碎煤壁,同時,煤壁原有孔、裂隙的擴(kuò)展和貫通會破壞原有賦存氣體的平衡狀態(tài),造成原生賦存CO氣體的解吸逸出。因此采動條件下工作面破碎煤壁同時存在原生CO氣體的逸出和新鮮風(fēng)流內(nèi)O2的灌入。通過FLAC模擬方法,以大南湖一礦為計算模型,模擬了采動條件下工作面前方煤體損傷區(qū)域,模擬發(fā)現(xiàn),前方煤體應(yīng)力破壞區(qū)域在0~13m,在此范圍內(nèi)煤體裂隙發(fā)育,O2和原生CO氣體可以運(yùn)移。設(shè)計工作面煤壁取樣、解吸和計算方法,驗證采動條件下工作面破碎煤壁快速氧化CO的存在。通過沿工作面深度連續(xù)、絕氧取樣的方法,在工作面煤壁深1.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,10.5m處共取得7組煤樣,煤樣采出后,在30s之內(nèi)裝入充氮取樣罐內(nèi),并密封。帶回實驗室后,在100rad/min球磨機(jī)轉(zhuǎn)速下連續(xù)破碎2h,恒溫25℃,通入10mL/min氮?dú)膺M(jìn)行恒溫解吸,將解吸氣體通入氣相色譜儀分析氣體種類和濃度分析。通過對解吸曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),距離工作面煤壁3~4m處煤體內(nèi)含有最大量的CO氣體,在7.5m及以上深度處煤壁CO量相差不大。設(shè)計煤層原始未氧化煤試樣的取樣、解吸和計算方法,驗證煤層原生賦存CO氣體的存在�，F(xiàn)今,對于煤層是否賦存有原生CO氣體及賦存量的多少尚未有定論,通過打穿層30m鉆孔的方法取得原始未受采動影響煤樣,充氮密封進(jìn)行破碎、解吸,在10rad/min球磨機(jī)轉(zhuǎn)速下連續(xù)破碎2h,恒溫25℃,通入10 mL/min氮?dú)膺M(jìn)行恒溫解吸,經(jīng)計算,大南湖一礦煤層內(nèi)每噸煤賦存有1.19L原生CO氣體。為了排除取樣和實驗過程中可能存在的氧化環(huán)節(jié),根據(jù)恒溫氧化實驗結(jié)果,基于O2的消耗結(jié)果,排除試樣可能氧化產(chǎn)生的CO最大值,經(jīng)計算,每噸煤內(nèi)至少含有0.983 2L的CO氣體。將測得的原生CO氣體量和工作面前方沿深度所取煤樣內(nèi)含有的CO氣體量進(jìn)行比對,將二者含量相同的點(diǎn)定義為采動條件下工作面前方快速氧化的氧化深度,經(jīng)比較,不同工作面氧化深度,不同,約在6~9 m。采用流體力學(xué)方法,利用CFD模擬軟件,推導(dǎo)了工作面破碎煤壁逸出CO氣體運(yùn)移的控制方程,包括連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程等,模擬了工作面破碎煤壁逸出0.9,0.7和0.5L CO氣體在2m/s和3m/s通風(fēng)條件下的運(yùn)移和積聚規(guī)律。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在0.9L/t CO含量和2m/s進(jìn)風(fēng)條件下,巷道內(nèi)回風(fēng)側(cè)CO濃度達(dá)到最高,為10ppm,并不會達(dá)到最高允許濃度,因此不會對人體健康造成威脅。模擬結(jié)果呈現(xiàn)比較明顯的進(jìn)風(fēng)流量越大、原生CO氣體量越小風(fēng)流內(nèi)CO氣體最高濃度越小的趨勢。通過在模型中建立監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行濃度分析發(fā)現(xiàn),高進(jìn)風(fēng)風(fēng)速條件下,回風(fēng)側(cè)CO濃度偏低,并且稀釋速度較快。為了研究工作面采動時,判斷破碎煤體CO涌出對采空區(qū)煤自燃升溫產(chǎn)生氧化CO濃度場的影響,采用CFD模擬軟件,推導(dǎo)了控制采空區(qū)遺煤升溫的能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程,采空區(qū)和工作面流體運(yùn)移的控制方程,并論述了控制方程之間的耦合方法,結(jié)合煤低溫氧化程序升溫實驗結(jié)果,進(jìn)行CO產(chǎn)生速率和耗氧速率的分段擬合,帶入控制方程進(jìn)行模擬。模擬過程研究了2m/s進(jìn)風(fēng)風(fēng)速條件下,工作面煤壁每噸煤涌出2.5L/t CO氣體條件下采空區(qū)動態(tài)升溫過程,模擬結(jié)果顯示,采空區(qū)松散煤升溫呈2個階段,在緩慢升溫階段放出少量CO氣體,此時由工作面涌出的CO氣體在回風(fēng)側(cè)積聚達(dá)16ppm,雖然不會達(dá)到最高允許值,但是會在采空區(qū)氧化初期對自燃程度的判斷造成誤導(dǎo),導(dǎo)致對采空區(qū)煤達(dá)到自燃危險時間的判斷提前。通過對2.8,2,1.2m/s進(jìn)風(fēng)風(fēng)速條件下的CO濃度和溫度瞬態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),風(fēng)速越大,回風(fēng)側(cè)由煤壁放出的CO源積聚程度越低,對煤自燃初期對氧化程度的判斷造成的誤差越小;通過對采空區(qū)煤氧化200,300,400kJ/mol放熱量條件下的CO濃度和溫度瞬態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),煤氧化放熱量越高,煤自燃初級階段放出CO濃度越高,煤壁破碎涌出CO源對巷道內(nèi)CO濃度造成的影響相對越小,對煤自燃初期的判斷誤差越小。本文總結(jié)了世界各國對煤礦井下CO濃度最高允許值和暴露在不同CO濃度條件下不同時間對人體造成的影響,指出我國規(guī)定的CO濃度最高允許值是建立在保證工作人員人身健康之上的,其值對于煤是否進(jìn)入自燃危險并無實際意義。煤礦井下CO主要包括以下幾個來源:煤層原生賦存、采動工作面快速氧化、防爆車運(yùn)行、井下爆破和采空區(qū)自燃;其中原生賦存和工作面快速氧化產(chǎn)生的CO氣體由于都是在采動過程中逸出,在實際生產(chǎn)中難以對其來源進(jìn)行區(qū)分,因此歸為一類進(jìn)行討論。防爆車運(yùn)行產(chǎn)生的CO氣體數(shù)量較少,隨風(fēng)流消散快;爆破產(chǎn)生CO氣體濃度很高,具有濃度劇烈升高后劇烈下降的特點(diǎn);隨工作面采動逸出的CO氣體在采動過程中持續(xù)存在。針對不同CO源的產(chǎn)生和運(yùn)移特點(diǎn),提出不同源CO的辨識方法,提出具有針對性的治理方法,為保證井下工作人員的人身安全和煤礦的高效生產(chǎn)提供借鑒。本文分析了大南湖一礦CO監(jiān)測數(shù)據(jù),利用辨識方法對CO濃度變化進(jìn)行了分析,提出了控制其濃度的方法,為完善指標(biāo)氣體預(yù)測方法、保證人身安全和高效生產(chǎn)提供了依據(jù)。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD752.2

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