本文關(guān)鍵詞：孫村礦煤自燃特性研究及防治技術(shù)

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【摘要】：隨著我國煤礦地下開采深度的逐漸增大,其開采煤層的環(huán)境地溫也隨之逐漸升高,這就導(dǎo)致煤自燃現(xiàn)象更加頻繁得發(fā)生,那么由此會引發(fā)越來越多的次生災(zāi)害,嚴(yán)重地制約著我國煤礦轉(zhuǎn)向深部開采的發(fā)展。位于山東省新汶煤田東部的孫村煤區(qū)部分礦井的開采深度已經(jīng)達到地下㧟1300m水平,井下局部地溫也已經(jīng)超過40℃。礦井中煤體的自燃發(fā)火現(xiàn)象時有發(fā)生,由此造成的災(zāi)害尤為嚴(yán)重,已經(jīng)影響到孫村煤區(qū)各礦井正常的安全生產(chǎn)工作,為此迫切需要開展關(guān)于孫村煤礦這類高地溫環(huán)境礦井中煤的低溫氧化過程特性研究,并依此對孫村煤礦的進一步防治工作提供相應(yīng)的幫助。首先,由于在煤氧化自燃過程中體現(xiàn)出顯著的非線性特征,本文引入突變理論中的尖點模型對該礦煤自燃過程進行了系統(tǒng)性分析,并結(jié)合孫村煤礦的實測數(shù)據(jù),基于兩類危險源理論,選取煤自燃過程中的諸多內(nèi)外因素作為模型中的各種變量進行模型計算,最終得出該礦突變模型表達式。煤自燃現(xiàn)象的形成是多種因素共同作用的結(jié)果,根據(jù)兩類危險源的理論把諸多的影響因素歸納為內(nèi)在影響因素集U和外在影響因素集V,并提出了定量描述的方法,對U和V實現(xiàn)了量化處理,進而對礦井中煤自燃的形成和發(fā)展過程進行突變分析。根據(jù)該模型的數(shù)學(xué)表達式繪制其突變流行圖用以闡釋其系統(tǒng)功能的變化特征以及孫村礦煤自燃的滯后性特征,并以該礦的多個煤層為樣本,利用此突變模型的數(shù)學(xué)表達式及其突變流形示意圖對其自燃發(fā)火情況進行驗證分析。對檢驗樣本的計算結(jié)果表明,該自燃發(fā)火突變模型能較好地反映該礦的煤樣氧化直至自然發(fā)火的全過程。通過以上分析,總體來看,可得出對于處在離分叉集右邊界越近的樣本,其自然發(fā)火的可能性就越大的規(guī)律。在孫村煤礦的實際生產(chǎn)過程中應(yīng)對該過程及其規(guī)律予以足夠的重視,以利于確保礦井的安全生產(chǎn)工作。礦井中煤自燃的發(fā)生發(fā)展過程是一個非線性的過程。運用尖點突變理論這一非線性分支理論能夠較好地分析礦井自然火災(zāi)這一復(fù)雜的、動態(tài)的、非線性的現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程。在礦井的安全生產(chǎn)管理中,煤自燃突變模型的滯后性應(yīng)引起足夠的重視。一旦發(fā)生煤自燃發(fā)火事故,就必須使輸入的能量大于自燃發(fā)火形成的擾動能量,才能熄滅火區(qū)。也就是說,煤自燃的后果是相當(dāng)慘痛的,要熄滅火區(qū),付出的代價就要更大。其次,結(jié)合對現(xiàn)有煤自燃傾向性評判方法的優(yōu)劣分析,本文運用模糊—可拓理論建立了適用于該礦實情的煤自燃傾向性評判模型。針對傳統(tǒng)的實驗室評判方法和前人開發(fā)的各式綜合評判模型的不足之處,引入了模糊理論隸屬度的概念,把單位各不相同的參數(shù)線性無量綱化,并進行歸一處理,隨后應(yīng)用模糊層次分析提出了一種簡單的關(guān)聯(lián)函數(shù),最后利用可拓評判理論,根據(jù)孫村煤礦的實際情況,可以有目的地實測所需的各種影響因素參數(shù),使其綜合考慮得到更好的結(jié)果。經(jīng)計算所得與實際情況的結(jié)果完全相同,證實了基于模糊—可拓理論基礎(chǔ)上的煤自燃傾向性評判基本能達到準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。依照建立的評判模型也可求得煤自燃傾向性級別變量特征值為*j?1.0579。同理,可以計算得出13#煤層72036工作面同樣屬于易自燃等級,但其自燃傾向性級別變量特征值為*j?1.4692,說明此工作面的自燃傾向性等級與15#煤層91053工作面相比更加偏向第二等級,也就是說自燃傾向性相對較小。依此即可得知,孫村煤礦在自燃防治工作的重視和執(zhí)行程度方面15#煤層91053工作面就要比13#煤層72036工作面更為優(yōu)先。該自燃傾向性等級的評價還包含了代表煤自燃傾向性級別偏向程度的變量特征值,礦方可以依據(jù)此數(shù)據(jù)簡易高效合理的安排各工作面的防治工作優(yōu)先度,并能夠更有針對性地制定相應(yīng)的防范治理計劃。另外,本文還根據(jù)該礦的實測數(shù)據(jù),建立了孫村煤礦這類超千米礦井的井下溫度與其開采深度的關(guān)系模型,分析出孫村礦自然發(fā)火期計算的核心問題在于對高地溫條件下煤氧化放熱的過程中煤氧反應(yīng)放熱三種方式,即物理吸附、化學(xué)吸附、煤氧化學(xué)反應(yīng)的差異性。結(jié)合這種特點,本文著重以優(yōu)化現(xiàn)有自然發(fā)火期模型計算得出的結(jié)果使其更加符合孫村礦實際自燃發(fā)火期為導(dǎo)向,介紹了國內(nèi)外學(xué)者研究出的現(xiàn)有自然發(fā)火期經(jīng)典計算模型及其優(yōu)化原理。基于此,對煤自燃過程中前兩階段的放熱反應(yīng)實質(zhì)進行細化剖析確定了煤氧反應(yīng)放熱三種方式的分化計算在高地溫條件下所體現(xiàn)的重要價值,進而以此角度對現(xiàn)有的自然發(fā)火期計算模型進行進一步的優(yōu)化,并將其運用于對孫村煤礦15#煤層的自然發(fā)火期做出定量的預(yù)測。實驗顯示,伴隨著煤樣的溫度從初始室溫上升至70℃附近的時候,氧氣消耗量和放熱速率存在明顯的大幅增長趨勢,曲線斜率陡然加大;而與此同時,煤樣的瓦斯吸附量及此后的各階段升溫耗時則顯示出顯著的減小趨勢。以孫村煤礦15#煤層為例,結(jié)合煤樣升溫氧化實驗結(jié)果,采用本文進一步優(yōu)化后的數(shù)學(xué)計算模型解算得其最短自然發(fā)火期為45.6天,而采用原始的基礎(chǔ)計算模型解算得最短自然發(fā)火期為61天。依據(jù)工程現(xiàn)場監(jiān)測得到的最短自然發(fā)火期大致約在40天至50天之間浮動,因此證明進一步優(yōu)化后的分段式數(shù)學(xué)計算模型解算出的最短自然發(fā)火期結(jié)果較為符合實際情況。結(jié)果證明較原有模型的精準(zhǔn)度有較大提升,并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇孫村煤礦最為突出的特點即礦井深度和煤自燃過程中被廣泛認(rèn)同的一氧化碳產(chǎn)生濃度作為表征參數(shù),擬合出二者與運用新模型計算得出的自然發(fā)火期數(shù)值的函數(shù)表達式及關(guān)系曲線,其曲線關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式符合冪函數(shù)表達形式,分析孫村煤礦的宏觀表征規(guī)律,為孫村煤礦的實際煤自燃防治工作提供了實用性極大的參考價值,也為開采深度更大的煤層或者其他擁有類似條件是礦井給出一定的借鑒經(jīng)驗。最后,為了切實豐富完善煤自燃問題的防治方法,本文首次提出利用微生物技術(shù)來控制氧濃度并達到防治煤自燃的效果。文中首先以微觀研究的思路觀察該礦煤樣表面孔隙結(jié)構(gòu)特征,并結(jié)合研究對象和實驗儀器的各自優(yōu)勢闡述了利用掃描電子顯微鏡觀察微觀孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。依據(jù)掃描電子顯微鏡對實驗煤樣微觀表面孔隙的觀察可知,煤樣表面微觀孔隙的大小與煤樣溫度的關(guān)系大致呈一開始緩慢增加然后迅速增大的關(guān)系,當(dāng)溫度在70℃以下時,煤樣的孔洞大小基本沒有發(fā)生明顯的變化,當(dāng)溫度達到70℃以上時,煤樣的孔洞隨著溫度的升高迅速增大。建立此溫度為孫村煤礦的特征溫度值,它可以作為煤自燃反應(yīng)速度的轉(zhuǎn)折點,也可以作為煤巖氧化過程進入自熱期的起始點,即當(dāng)煤體內(nèi)的溫度達到70℃及以上時,煤自燃的速度會明顯地加快。針對觀測實驗得到的結(jié)果分別從煤樣內(nèi)Fe和C元素占比變化的角度以及孔洞尺寸變化的角通過度進行了定性分析,提出煤中的氧濃度是影響煤自燃過程關(guān)鍵因素的觀點,即煤自燃過程是從煤體表面的微觀孔隙產(chǎn)生的,且這些孔隙由于具備儲存氧的能力而體現(xiàn)出隨著煤氧化放熱導(dǎo)致的溫度升高而逐漸變大的特性�；谏鲜隼碚撉疤�,文中本著控制煤層中氧濃度的思想,選取枯草芽孢桿菌進行培養(yǎng)制備,并進行了實驗室對比驗證試驗以及工程現(xiàn)場的防治實踐,得到了以不同培養(yǎng)基和牛肉膏蛋白胨液相混合后,在室溫條件下枯草芽孢桿菌導(dǎo)致CO2和O2變化的規(guī)律,實驗證明在該條件下,由于枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的CO2導(dǎo)致氧濃度大幅度降低。枯草芽孢桿菌在面粉環(huán)境下的結(jié)合,由于面粉與培養(yǎng)液結(jié)合形成的粘稠液能夠有效的封閉碎煤漏風(fēng)效果,在封閉的同時還能產(chǎn)生大量的CO2,因此達到防治煤自燃的最佳效果,該效果通過進一步的工程實踐得到了有力證明。由此得出結(jié)論:利用微生物菌群產(chǎn)生的CO2可以有效地防治煤自燃,文中得到的枯草芽孢桿菌與不同培養(yǎng)基產(chǎn)生CO2的規(guī)律及在工程中的應(yīng)用將具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：煤自燃 突變理論 微生物 自然發(fā)火期 自燃傾向性
【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】：2016
【分類號】：TD752.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 引言14-22
• 1.1 選題背景14-15
• 1.2 問題的提出與研究意義15-16
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-19
• 1.4 研究內(nèi)容19-20
• 1.5 技術(shù)路線20-22
• 第二章 孫村礦煤自燃過程的突變理論分析及模擬實驗22-48
• 2.1 煤自燃過程概述22-25
• 2.1.1 煤巖氧化的途徑及其特征22-23
• 2.1.2 煤自燃過程三階段23-25
• 2.2 孫村礦煤自燃過程的突變理論分析25-35
• 2.2.1 煤自燃過程的非線性特征25
• 2.2.2 尖點突變模型的引入25-27
• 2.2.3 煤自燃影響因素的量化處理27-28
• 2.2.4 突變模型的建立28
• 2.2.5 孫村礦煤自燃的突變流行分析28-31
• 2.2.6 孫村礦煤自燃突變模型的系統(tǒng)功能分析31-32
• 2.2.7 孫村礦煤自燃突變模型的滯后性特征32-33
• 2.2.8 孫村礦煤自燃突變模型的應(yīng)用實例33-35
• 2.3 孫村礦煤氧化自燃過程的模擬實驗研究35-47
• 2.3.1 引言35-37
• 2.3.2 自主研發(fā)煤自燃模擬實驗系統(tǒng)介紹37-40
• 2.3.3 煤自燃過程中溫度變化相關(guān)因素分析40-47
• 2.4 本章小節(jié)47-48
• 第三章 孫村礦自燃傾向性等級的模糊—可拓分析48-62
• 3.1 引言48-50
• 3.2 基于模糊-可拓理論的自燃傾向性評判模型50-57
• 3.2.1 選定評判對象50
• 3.2.2 建立評判指標(biāo)體系50-52
• 3.2.3 確定評價等級隸屬度52-53
• 3.2.4 建立分類標(biāo)準(zhǔn)53-54
• 3.2.5 確定評價指標(biāo)權(quán)重54
• 3.2.6 可拓物元理論54-55
• 3.2.7 計算待評物元關(guān)于各類別的關(guān)聯(lián)度55-56
• 3.2.8 可拓評判56-57
• 3.3 孫村煤礦自燃傾向性評判的實例分析57-60
• 3.3.1 工程實際背景資料57
• 3.3.2 自燃傾向性等級評判57-60
• 3.4 結(jié)果分析60
• 3.5 本章小節(jié)60-62
• 第四章 孫村礦自然發(fā)火期預(yù)測模型優(yōu)化研究62-82
• 4.1 引言62
• 4.2 煤巖氧化自然發(fā)火期的現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型62-64
• 4.3 孫村煤礦井下環(huán)境溫度與其開采深度的關(guān)系研究64-67
• 4.4 高地溫條件下煤巖氧化放熱的過程實質(zhì)67-72
• 4.4.1 物理吸附氧的過程68-70
• 4.4.2 化學(xué)吸附氧的過程70-71
• 4.4.3 煤與氧化學(xué)反應(yīng)的過程71-72
• 4.5 煤巖氧化自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型的進一步優(yōu)化72-77
• 4.6 表征參數(shù)與自然發(fā)火期的關(guān)系研究77-80
• 4.6.1 礦井深度表征自然發(fā)火期77-78
• 4.6.2 CO濃度表征自然發(fā)火期78-80
• 4.7 本章小結(jié)80-82
• 第五章 基于微生物技術(shù)控制氧濃度防治煤自燃研究82-104
• 5.1 氧濃度對煤自燃過程影響的研究82-91
• 5.1.1 煤自燃的微觀實驗研究82
• 5.1.2 樣品制備82-85
• 5.1.3 上機觀察85
• 5.1.4 實驗結(jié)果分析85-91
• 5.2 微生物技術(shù)控制氧濃度的實驗研究91-95
• 5.2.1 微生物菌種的選取與制備91-92
• 5.2.2 枯草芽孢桿菌控制氧含量的實驗研究92-95
• 5.3 工程實踐95-102
• 5.3.1 工程概況95-96
• 5.3.2 煤層自燃情況96-99
• 5.3.3 利用微生物菌種產(chǎn)生CO2治理煤自燃的措施99-100
• 5.3.4 工程實踐效果100-102
• 5.4 本章小節(jié)102-104
• 第六章 結(jié)論與展望104-108
• 6.1 主要研究結(jié)論104-105
• 6.2 主要創(chuàng)新點105-106
• 6.3 不足與展望106-108
• 參考文獻108-117
• 致謝117-118
• 作者簡介118
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文118

【參考文獻】

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本文編號：922596