（安全技术及工程专业论文）高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃预测研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c h o np r e d i c t i o no fs e l f - i g n i t i o ni ng o a fo ff u l l y m e c h a n i z e dt o p - c o a lf a c ei nh i g h - g a sc o a ls e a m su n d e rt h e c o n d i t i o no fg a se x t r a c t i o n a b s t r a c t c o a lr e s o u r c ei sv e r ya b u n d a n ta n do u t p u ta n dc o n s u m p t i o no fc o a li nc h i n am a k e dn o o n eo u to fa l lc o u n t r i e si nt h ew o r l d n e v e r t h e l e s s , c o a ls e l f - i g n i t i o nf i r ei sv e r ys e r i o u s ，w h i c h t h r e a t e n e ds a f e t yp r o d u c t i o na n dc a u s e de l l o n n o u sl - e s o u l - o 。w a s t e , e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , l o s e so f p e r s o u n e l s e l f - i g n i t i o nb o m e sm o r es e r i o u sa n dh a r m f u li nh i g h - g a sa n dt h i c kc o a l s e a m s e s p e c i a l l yi nf u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a l 白，w h e r ea i rl e a k a g ei sm o l ec o m p l e xa n d m a k e sp r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o no f s e l f - f i r ei nt h eg d a f m o d i m c u l t f i r s t l y , t h el a r g ee x p e r i m e n td e v i c eo fc o a ls e l f - i g n i t i o ni su s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r , e v a l u a t eo x y g e nc o n s u m i n gr a t e ，c a l c u l a t ec oa n dc 0 2g e n e r a t i n gr a t ea n dh e a tr e l e a s i n g i n t e n s i t yo fc o a ls e l f - i g n i t i o n 。c r i t i cp a r a m e t e r sf o rs p o n t a n e o u sc o m b u s t i s t i o no fo x g e n c o n c e n t r a t i o n , l o o s ec o a lt h i c k n e s sa n da i rl e a k a g ei n t e n s i t yc a l la l s ob es t u d i e dt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ；s e c o n d l y , o n - t h e s p o to b s e r v a t i o ni n t h eg o a l o f f u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lf a c ei n h i g h - g a sc o a ls e a md u r i n gt h ec o u l p 蛤o fg a se x t r a c t i o na r ec a r r i e do u t , d i s t r i b u t i o no fo x y g e n c o n c e n t r a t i o n , m e t h a n ec o n c e n t r a t i o na n dp r e s s u r ei nt h eg o a fn e a rt h et w ol a 玳啊a y s ，a n do f p e m e a b i l i t yi nd i f f e r e n tp l a c e si nt h eg o a f a r eo b t a i n c x d i s t r i b u t i o nl a w so f c o l l a p s e dh e i g h t i n t h e g o a l a r e a l s o o b t a i n e d b y o n - t h e - s p o t o b s e r v a t i o n a t h r e e - d i m e n s i o n m o d e l o f t h e f l o w , o s m o s i sa n dc o n c e n t r a t i o ni nt h eg o a fo ft h eh i g hg a sc o a l9 e 锄d u r i n gt h ec o u 蹴o f e x t r a c t i n gg a sa r cs e tu p ；t h i r d l y , t h en u m e r i cm o d e lo f a i rl e a k a g ea n dc o n s i s t e n c yi ng o a f o f f u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lf a c ei nl l i g h - g a sc o a ls e a m s o nc o n d i t i o no f e ) 【n 锄口c i n gg a si ss o l v e d b yu s i n gc f ds o f t w a r ef l i i ! n td i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o n so f a i rl e a k a g ei n t e n s i t ya n ds p e c i e s c o n c e n t r a t i o ni ng o a fo ff u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lf a c ei nh i g h - g a sc o a ls e u n so l lc o n d i t i o n 绻 、- ， 他， 旧 岣 旧 佃 m 甜 时 船 唿 咖 驴 鳓 毗 $ $ 哑 e e u 呻 b _ 掣 喀 蛆曲 n 一翔一 1 圳 哪脚固一 锣 n 一：堇i 噌 传 舱一一 a 】一，棚一 山= 匦 = 蚕 e 眦 洲 晰 o fg a se x t r a c t i o na o b t a i n e dw h i c h 瓣i d e n t i c a lo nt h ew h o l et ow h a tf r o mo n - t h e - s p o t o b s e r v a t i o n ；f i n a l l y , t h er e s u l t so fn u m e r i cm o d e l i n gt o g e t h e rw i t h t h r e ez o n e t h e o r ya r c u s e dt od i v i d ei ng o a f , t h ed f f l l g e rz o n eo f c o a ls e l f - i g n i t i o no i l c o n d i t i o no f e x t r a c t i n gg a s , t o p r e d i c tt h ed a n g e rt i m eo f c o a ls e l f - i g n i t i o na n dt oc a l c u l a t em i n i n l u i bv e l o c i t yo fn a n i n gt o p r e v e n tc o a lf r o ms e l f - i g n i t i o ni ng o a l a r ec a l c u l a t e d t h er e s u l to f t b cs t u d yi sh n p o r t a n tf o r p r e v e n t i n gc o a ls e l f - i g n i t i o ni ng o a f o f f u l l ym e c h a n i z e dt o p - c o a lf a c ei nh i g h - g a sc o a ls e a m $ d u r i n g t h ec o t l r s eo f e x t r a c t i n gg a s k e yw o r d s ：h i g hg a sc o a ls e a m s ，e x t r a c t i n gg a s ，g o a f , s e l f - i g n i t e ，f o r e c a s t , 要料技夫擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名耐惘泊日期：砷敏杉 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 斯之 1 绪论 i i i i i i _ _ _ _ i _ l 绪论 1 1 问题的提出 煤自燃是自然界存在的一种客观现象，这种现象已经存在了数百万年。在煤层开采 的过程中，我国大约有二分之一的国有矿井存在自然发火危险，每年由于自燃造成的直 接和问接经济损失近百亿元【l j 。矿井自燃火灾产生大量有毒有害气体，还可能引发矿井 瓦斯爆炸，给矿工生命以及生产设备的安全造成严重威胁。煤层自燃导致大量煤炭资源 的浪费，引起严重的环境污染问题，并造成巨大的经济损失和人员伤亡，尤其是近年来， 随着高产高效新技术的不断发展，矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，通风系统 相对复杂化，使得煤层自燃火灾更是成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一。而对于高 瓦斯煤层抽放条件下的综放开采，随着开采深度的增加，原岩应力升高，开采引起支承 压力影响区范围增大，煤层受采动的影响日趋严重，采区内部巷道维护困难，变形破坏 现象突出，严重影响矿井的正常安全生产 2 1 。 目前世界上主要针对地面煤堆进行煤自燃性实验、预测技术等方面研究，为地面煤 堆自燃的防治提供理论和技术支持；而对井下动态开采条件下煤层自燃过程的研究较 少，对井下实际条件下煤层自燃的发展过程、影响因素、发火时间和发火地点等的定量 描述、测定和预测问题一直没有得到很好地解决，尤其是对井下高瓦斯煤层抽放条件下 综放采空区煤自然发火预测更少。井下煤层与地面煤堆自燃的显著区别是地面煤堆的自 燃条件可人为改变，而井下煤层自燃条件不可控，造成井下煤层自燃火灾难于预测。 高瓦斯煤层抽放条件下的开采，给煤自然发火预测带来了一系列新的问题，主要表 现在： ( 1 ) 纵采放顶煤的开采情况下，煤层的岩体力学性质对岩体破裂带和冒落带高度 产生很大的影响。一般来说，强度小的岩体易于垮落和破碎，而混合岩体，其强度相对 较小，更容易垮落和破碎。对于高瓦斯煤层抽放条件下纵放煤层而言，煤层因采动冒落 影响容易串联漏风，漏风规律相对较为紊乱，煤体又相对破碎，自燃危险性增强。 ( 2 ) 纵采放顶煤的开采情况下，由于煤层开采时受采动影响比较大在煤层开采 过程中，老顶初次来压、垮落后，发生周期性来压、垮落，引起顶部岩层产生冒落带、 裂隙带和整体移动带 3 1 ，称后两者为破裂带。煤层顶部岩体垮落产生大量裂隙，使得冒 落带和裂隙带中的裂隙成为空气渗流的主要通道与抽放孔串通，形成给煤层供氧充分， 更容易引起煤层自燃。 ( 3 ) 纵采放顶煤的开采情况下，煤层采过后，受采动影响，矿压显现明显，顶部 岩层垮落，巷道两边的保护煤柱被压酥破坏，产生大量裂隙，漏风严重，可引起保护煤 西安科技大学硕士学住论文 柱自燃。而且综放开采的两道及切眼不放顶煤，浮煤较厚，也易引起自燃。 ( 4 ) 煤层开采的采空区可以认为是一个有机物和无机物混杂而成的煤岩体，具有 多孔性。煤层工作面采过后，顶板岩层相继垮落，煤层煤柱被压酥垮落，高瓦斯煤层抽 放条件下的纵放煤层的采空区则是一个松散体，其空气渗流场、氧气浓度分布场、温度 场和煤的物理化学过程相互影响，呈非稳态变化，从而使得高瓦斯煤层抽放条件下纵放 煤层的采空区自然发火过程十分复杂。 因此，对井下高瓦斯煤层抽放条件下的纵放煤层开采的实际条件下，采空区煤自然 发火预测模型进行研究，具有重要工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 对于煤自燃的影响因素及其自燃危险性预测、煤自燃危险区域判定、煤自然发火期 预测、煤自然发火数学模型及数值模拟，国内外学者进行了大量的研究和探索。 1 2 1 煤的自燃危险性预测的研究进展 ( 1 ) 自燃倾向性实验测试法 自燃倾向性实验测试法主要是根据测试煤的自燃倾向性。划分煤层自然发火等级， 以此区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措旖。 国内外对煤自燃倾向性的测试方法分为两类。一类是以煤的氧化性为基础的测试方 法，主要有：奥尔宾斯基法( c w ，o l p i m k i x 波) 、奥尔莲斯卡娅( r j i 0 p e a 眦k 明) - 维谢洛 夫斯基( b c b e c c 0 b 咖螽) 着火温度降低值法( 苏) 、马切雅什法( z m a e i e j a s x a p 双氧水 法) ( 波) 等【4 】、静态吸氧法和动态吸氧法( 如我国抚顺煤科分院研制开发的双气路色谱动 态吸氧化法mo j ) 。 这类煤自燃倾向性测试方法均采用几克煤样进行实验，与煤自燃的实际条件相差甚 远，且仅考察煤与氧的作用速度和作用量，而没有考察其作用的效果( 如热效应) ，及 其随煤温变化的动态趋势，因而不能全面地反映出煤的内在自燃性。 另一类煤自燃性测试方法以煤的放热性为基础，先后建立了更接近煤自燃实际条件 的小型、中型和大型煤自燃性实验测试装置。 小型( 1 0 0 - 2 0 0 9 煤样) 实验装置 1 9 7 9 年有人首次采用绝热自热法测定煤的自热速率指数r t o ( 4 0 7 0 间的平均升 温速率，h ) 测试煤的自燃倾向性；利用绝热炉测定煤炭最小自热温度，评估煤炭自 燃倾向性；用静态恒温法测定煤的l 临界环境温度和交叉点温度并根据f r a a k - k a m e n e t s k i i 理论【刀，测算煤的活化能e 和指前因子a ，用可燃性法测定煤的耗氧速率和放热率；用 动态法研究煤体在动态通入干空气的条件下的自燃特性；用菲恒温动态法测试煤的自燃 临界温度和c o 产生率，预测煤的自燃倾向性；用由计算机自动控制的绝热量热法预测 2 1 绪论 煤的自燃倾向性；用恒温d t a ( d i f f e r e n t i at h e r m a la n a l y s i s ) 和程序升温d r i f t s ( d i f f u s e r e f l e g t a n c ei n f r a r e df o u d e rt r a n s f o r ms 脚s c o p y ) 测定煤的自燃特性；英国i m c o 和 i s o 目前广泛采用将煤放入边长1 0 c r n 的方形网状容器中，并在煤体中心布置热电偶， 然后悬挂于逶有循环空气的1 4 0 1 2 的恒温箱中，2 4 h 后考察煤体是否自燃，以此确定煤 体的自燃倾向性嘲。但这些小规模实验方法，煤的起始温度都在6 0 7 0 以上，且主要 是采用少量煤样，一般在绝热或等温条件下实验，与实际煤自燃条件相差太远，测试 结果主要用于划分煤的自燃等级。 中型( 4 0 - 1 0 0 0 k g 煤样) 和大型( i t 煤样) 实验装置 1 9 8 0 年s t o t t d b1 9 1 在美国矿业局建立了长5 m ，直径0 6 m 的垂直实验台；1 9 9 1 年在 s t o t t d b 的指导- f x d c i i c | ! l g f j o , lj j 等在新西兰设计建造了长2 m 、直径o 3 m 、装煤量11 0 k g 的一维自燃实验装置；1 9 9 5 年a r e i f a 等【12 】根据x d c h e n g 的实验装置，在澳大利亚昆 士兰大学建立了长2 m 、直径0 2 m ，装煤量6 0 k g 的煤自燃实验台。1 9 9 1 年s m i t h a c ， m i r o ny 和l a z 硼【1 3 1 4 】在美国矿业局建立了装煤量近1 3 t 的实验台；1 9 9 8 年c l i f f d , r b e n n e t 和a c r , f l v i ni l 习在澳大利亚昆士兰采矿安全测试与研究中心( s m f l r a r s ) 建立 了装煤量1 6 t 实验台；1 9 8 8 年1 9 9 6 年徐精彩、邓军掣1 6 7 】模拟现场实际条件，相继 设计和建造了装煤量1 o t 和0 5 t 的大型煤自然发火实验台；湘潭工学院的李仁发等人 ( 2 0 0 1 ) 【1 8 l 构造了可以装9 0l 唔碎煤的实验装置，此装置装煤量少，人为调节温度、湿 度变化，不能很好地模拟现场的实际条件；淮南工业学院的张国枢等人( 1 9 9 9 ) 1 9 1 也设 计研制了实验室内模拟煤炭自燃的试验装置及其参数测定系统，模拟和研究煤炭在常温 条件下自燃的发生、发展过程及其影响因素，研究自燃火源形成及其分布规律等，测试 煤的自燃性。 中型和大型实验装置，基本能模拟煤自燃实际条件，但实验条件单一，不能完全适 应煤矿井下复杂多变的条件，实验工作量大，周期长，影响和干扰因素多。 ( 2 ) 综合评判预测法 陈立文( 1 9 9 2 ) 2 0 1 、许波云( 1 9 9 0 ) 2 1 1 和郭嗣琮( 1 9 9 5 ) 2 2 1 等根据影响煤层自燃 危险程度的内、外因素，进行主观判断，分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类 分析，根据标准模式，计算聚类中心，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。原 苏联和波兰等国把实验室测定法与井下自然条件结合起来预测井下自然发火危险程度。 尤其是波兰已取得进展，它把复杂的外界因素归纳为地质条件、开采条件、通风条件等 七个方面因素，再和煤自燃倾向性指标哦带灰份指标) 相加，即得矿井自然发火危 险程度指标： 7 只s = s z 6 + y s 。 ( 1 1 ) 智 匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量、工作面参数以及煤 3 西安科技大学硕士学位论文 的活化性能等指标的关系，分析并确定出回归函数，然后计算出实际条件下总的火灾频 率，来预测煤层自然发火危险程度。近年来，王省身、蒋军成( 1 9 9 7 ) 2 3 1 、王德明、王 俊( 1 9 9 9 ) 1 2 4 1 、赵向军、李文平( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 口舅2 6 1 等人采用神经网络的方法预测煤 层自燃危险程度，虽然他们采用的神经网络结构各不相同，但均是采用影响开采煤层自 燃危险性的三个主要因素，即煤炭自身的自燃倾向性，开采煤层的地质赋存条件和开拓开 采及通风技术条件，作为预测指标，再对预测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程 度。旌式亮、刘宝琛等( 1 9 9 9 ) 【2 7 】用防火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时 间序列煤自然发火预测模型，来判断自然发火程度。田水承、李红霞( 1 9 9 8 ) 2 8 1 应用煤 自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数运用模糊聚类方法对自然 发火危险性进行了分类。这些方法都是利用大量的统计资料，分析煤自燃主要因素的影 响程度，粗略预测煤层自然发火危险程度，而对发火期以及可能发火的区域则无法进行 预测，所以该方法只能定性不能定量。 ( 3 ) 统计类比预测法 统计类比预测法嗍是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上，分析预测实际开 采条件下煤层的自燃危险性。根据开采煤层自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发生 在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近，采空区自燃火灾多发生在两道和两线。 随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相 邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结 论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情况 和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。 1 2 2 煤自燃危险区域判定理论 虽然煤自燃危险性的预测方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但只能定 性预测煤自然发火的危险程度，而无法定量确定可能发火的区域。 为了在潜在危险地区进一步确定出可能的发火区域，乌克兰的全苏矿山救护研究所 在1 9 9 1 年确定出了临界厚度计算方法l 刈： r j = ，一 k = ( 乙一乙) 扣( 5 1 07 巧以) ( 1 2 ) 式中，为煤自燃的临界温度，k ；乙为围岩温度，k ；矿为在空气干燥的状态下煤的 湿度，；x ，为原煤样氧吸附速度常数，k g j ；以为煤的平均密度，姆。 s u j a r d i , w i w i k等( 1 9 9 9 ) 3 q 采用静态恒温法，实验测出煤体在多种类型的网状 反应器中的临界环境温度死。，根据f _ 【模型推算出煤体的活化能e 和指前因子a ， 从而得到地面煤堆自燃的临界厚度，如式( 1 3 ) ，当煤炭堆集的实际厚度大于或等于临 界厚度时，煤炭就有可能发生自燃。 4 l 绪论 = ( 1 3 ) 式中，k 为煤体导热系数；q 为氧化热；死为环境温度，矗。为l 每界环境温度；疋为f - k 无量纲参数；矗为气体常数；p 为煤的块密度。 英国诺丁汉大学r e a l t x 等【3 2 1 开发了与井下数据监测系统相连的实时数据获取和控 制系统，称为煤矿火灾实时智能专家监测系统，由智能专家系统监督和监视数据获取并对 数据进行处理，专家系统能根据获取的数据更全面的进行危险性预测，并可对特定区域的 危险性进行评价，有效的指导现场的防灭火工作。 对煤层自燃区域的判定问题，国内学者也做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯轩1 3 3 、 章楚涛1 3 4 1 等通过研究采空区空气流动规律和火灾气体浓度( 主要是c o ) 分布规律，根 据f i c k 定律和质量守恒定律，建立了采空区火源点位置判断数学模型。根据模型，对实 际火源位置用计算机进行模拟，能达到与实际较接近的结果。徐精彩，邓军等 3 5 1 根据采 空区漏风规律及蓄散热条件，推导出现场实际条件下采空区遗煤自燃的定量判定指标 ( f 限氧浓度、最小浮煤厚度、极限漏风强度等和上限当量粒径等) ，并提出了采空区自 燃危险区域判定条件和判定方法。 近几年，根据火区产生的能量或放射性气体异常冈，对煤层自燃危险区域进行判定 的方法也得到了快速发展，如测氡判定法、红外探测技术1 3 7 等。这些方法对已形成高温 或大火的区域进行大范围的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要求。且由于受各种 其它地质因素的干扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的自燃危险区域无法 判定。另外，利用红外遥感1 3 s l 和地质雷达 3 9 1 探测煤田和井下煤体自燃区域的方法也正在 发展之中 1 2 3 煤层自然发火期预测 综合衡量煤体自燃性大小的指标主要有：煤最小自热温度、临界环境温度【4 ，”、交 叉点温度【4 。4 0 l 、煤自热率指数r 7 0 i 柏4 n 、o l p i n s k i 指数1 4 0 4 2 】和自然发火期，其中前5 个参数，国内外研究较多，主要针对地面煤堆，基本上形成了公认的实验测试方法和标 准实验条件，但由于地面煤堆的储存条件可人为改变，影响发火期的因素不确定，即发 火期不能用于衡量地面煤堆自燃性的大小；而在井下煤层动态开采过程中，煤层自燃的 储热环境条件一般不变，只有漏风条件可人为控制，因此，煤自然发火期成为衡量井下 煤层自燃性大小的最直接、现场应用最广泛的重要参数之一 ， 自然发火期预测最早采用现场统计法，其结果与实际的误差在l 3 个月，不能有 效地指导现场的工作嘲；近2 0 年，世界各主要产煤国主要朝着准确预测实际条件下松 散煤体自然发火期的方向努力，先后建立了模拟煤层自燃过程的大型自然发火实验台， 5 西安科技大学硕士学位论文 并根据实验台实验模拟结果，测试和预测实际开采条件下煤的自燃发火期，有效地指导 了煤层自燃火灾的防治。但由于大型实验条件单一、用煤量多，实验时间长，工作量大， 不能满足井下复杂的实际条件下自燃火灾防治需要，因此，许多学者通过建立数学模型 的方法对自然发火期进行预测。 宋志等人m 以采场自然发火为充要条件，依据时空一致的观点，分析自然发火因素 空间，提出用人工神经网络来预测煤自然发火期，自燃地点和自燃时期的模型，把采场 自燃预测模式识别问题看成是n 个影响采场自燃因素所形成的n 维空间到m 维空问的 映射。模型有1 5 9 个输入，1 1 个输出。文献只提供了预测模型，但并未对具体采场自然 发火作预测，由于神经网络预测首先需要大量学习样本对网络进行训练，加之网络有1 5 9 个输入，因此，需对大量采场自燃进行调研，才可以应用此模型进行自然发火预测，工 作量非常大，故文献【帅l 中的模型还只是理论模型阶段并未应用于现场实际。 中国科技大学的余明高、王清安、范维澄、廖光煊等人( 2 0 0 1 ) 【4 5 l ，煤科总院重庆 分院的黄之聪和岳超平等人( 2 0 0 1 ) ( 4 6 1 根据煤氧化放热、升温吸热平衡关系，在原苏联 学者1 8 b 卡连金( 1 9 8 4 ) 提出盼计算煤层最短发火期模型的基础上进一步修正和完善， 在绝热条件下，建立了煤氧化反应放热、吸氧放热和煤体升温、水分、瓦斯解吸吸热平 衡的最短自然发火期解算模型 4 6 1 ( 式1 4 ) 及相应的实验方法。模型将煤从常温到着火 点温度这一过程，分成不同的温度段，各温度段所需时间总和即为煤的最短自然发火期。 f ，：多，：争! 生! 型! 垒墨! ! 坠兰! ! 竺三丝垡二竺2 1 ( 1 4 ) 2 智智 c _ q + k 州+ l q 式中，以为计算时所取温度段的段数，f ，为煤温从i 升到囊所需的时间。 此模型可以反映煤自然发火的可能性，比自燃倾向鉴定结果更准确、直观。但他们 经过对近2 0 个局( 矿) 自然发火情况及其影响因素的调查分析，发现同一个局( 矿) 最长与最短自然发火期相差达1 9 1 0 倍嗍。一个矿同一层煤的自然发火期变化如此大， 与自然发火的影响因素及所采取的防灭火措施的有效程度有关，在总结采区地质、采掘、 通风等外部影响因素的基础上，不考虑采取的防灭火措施的影响，确定了煤自然发火期 修正系数，并结合实验数据对煤的实际自然发火期进行了预测，预测准确率达到7 5 一 8 6 ，对现场安全生产具有一定指导作用。 1 2 4 煤自然发火数学模型及数值模拟 自s e m o n o v ( 1 9 2 8 ) 基于热爆炸理论首次建立煤自燃理论模型( 1 9 3 8 年，在简化条件 下f r a n k - k a m e n e t s k i i 得到了理论解) 1 7 l 以来，美国、日本、澳大利亚、新西兰、英国、 法国和中国等国学者针对地下煤层或地面煤堆的自燃条件，根据传热、传质学建立了多 种煤自然发火数学模型，数值模拟煤的自然发火过程，研究煤的自燃规律及影响因素。 其中典型的有：( 1 ) 煤堆自燃二维非稳态模型，该模型主要考虑了煤堆高度、倾角、 6 1 绪论 煤的粒度及湿度等参数对自燃过程的影响；( 2 ) 倾角模型( d i pa n g l em o d e l ) ，该模 型应用半无限大线性热流方程预测煤田自燃火灾的深度和温度分布；( 3 ) 辐射热流模 型( 1 k r a d i a lh e a tf l o wm o d e l ) ，该模型只用于确定煤层火区位置；( 4 ) 地下自燃火 灾气体温度场模型，该模型依据多孔介质自然对流理论，而建立的二维模型，研究认为浅 部自燃是由于地表空气对流，而深部主要是煤挥发份燃烧而增强气体对流；( 5 ) 根据 多孔介质有源有汇的质量、动量和能量平衡原理，建立模拟采空区隐蔽自燃火灾发生过 程的二维数学模型。 但上述这些数学模型都是在均质、各向同性等一定简化条件下而建立的，主要研究 煤自燃规律及影响因素，模型中的反应速度和放热强度均采用e l o v i e h 或a r r h e n i u s 理 论公式进行计算【4 刀，并假定的表面反应热为常数，而煤的实际反应速度随煤的粒度、空 气流速、氧气浓度和温度等参数动态变化，且表面放热也与温度有关。因此，不能用于 预测实际条件下煤的自然发火期。 1 2 5 存在问题 综上所述，世界各国的学者对煤白燃主要影响因素、自燃危险性判定、发火期预测、 实验和数值等方面进行了大量的研究，得到的研究成果对煤炭自燃火灾的预测和防治起 到很大作用，但是对于高瓦斯煤层抽放条件下自然发火预测方面，相关的研究基本上处 于空白，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 高瓦斯煤层抽放条件下的开采，采空区垮落后，形成大片松散体，而对采空 区松散体中空气渗流及漏风状况的研究甚少。 ( 2 ) 高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型，由于高瓦斯煤层抽放 条件下综放采空区的复杂性，有关参数( 如放热强度、耗氧速度、漏风强度、煤的破碎 程度和其它等效物性参数等) 大多采用经验公式定性确定，存在着一定的误差 ( 3 ) 利用数值模拟软件( 比如f l u e n t 等) 模拟高瓦斯煤层抽放条件下综放采空 区自然发火规律的文献也甚少。 ( 4 ) 把确定采空区冒落带的高度和最佳瓦斯抽放口的位置，最佳抽放效果和煤自 燃防治联合起来放到一块研究甚少。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 利用装煤量为2 0 吨的煤自然发火实验台( 【i i i 型) ，实验模拟煤自燃的全 过程，跟踪测定煤自然发火全过程中相关参数及其变化规律，对煤层自然发火早期特性 参数进行研究 。 ( 2 ) 进行高瓦斯煤层抽放条件下工作面现场观测，并对采空区冒落带高度进行测 定，用相关数据，进行数据拟合，得到相应的数据拟合曲线方程，建立高瓦斯煤层抽放 7 西安科技大学硕士学位论文 条件下综放采空区自然发火预测模型。 ( 3 ) 利用c f d 计算软件f l u e n t 数值模拟高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风 状况规律，并用来指导高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃火灾的防治。 1 4 研究方法及技术路线 论文主要思路是在目前的煤炭自然发火机理、自然发火预测及数值模拟的基础上， 通过实验测定煤层自然发火相关特性参数，根据高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区的特 点，进行现场观测，取得相关数据进行数据拟合，得到相应的曲线方程，建立高瓦斯煤 层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型，利用数值模拟软件模拟高瓦斯煤层抽放条 件下综放采空区漏风状况，进而对煤层采空区自燃危险区域进行判定。确定本论文采用 的技术路线如图1 1 所示。 图1 1本文采取的技术路线 8 2 煤层自燃特性参数实验测试 2 煤层自燃特性参数实验测试 利用煤自然发火实验台( ) a 艮m 型) 对煤层自燃特性参数进行测试，测出煤的特征 温度、耗氧速度、c o 产生率和c 0 2 产生率等参数，确定煤自燃氧化特性、放热强度和 煤最短自然发火期，为准确预测实际条件下松散煤体自燃危险区域奠定基础。同时，分 析煤层自燃指标气体的产生规律，是自燃早期预报和预防的基础。 采集煤矿煤样( 约2 5 t ) ，对煤自然发火过程进行实验模拟，为高瓦斯煤层抽放条件 下开采实际条件下煤层自然发火提供实验基础。同时，通过煤自然特性参数的实验测定， 为高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型的建立提供了基础数据，并对后 面的高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况的数值模拟具有重要的参考意义和指 导意义。 2 1 实验原理 煤自然发火是由于煤与氧接触时发生煤氧复合，即物理吸附、化学吸附和化学反应 而放出热量，当放出热量大于散发的热量时，煤温上升而导致发火。煤低温自然发火实 验就是该过程的模拟，即在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察其煤温、氧气消 耗量、一氧化碳产生量以及其它气体产生的变化规律。 该装置模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度，以井下温度( 1 5 3 0 ) 作为实验 起始温度，利用煤氧化放热引起自然升温，连续检测实验炉内各点煤样的温度、气体变 化情况，以研究煤的低温氧化放热特性，预测煤的自燃倾向性及自然发火期。 2 2 实验台结构 x k - i i i 型”煤低温自然发火实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成，如图2 1 所 示，其实验原理如图2 2 所示。 图2 1 煤自燃发火实验炉体图 9 西安科技大学硕士学位论文 炉体呈圆形，最大装煤高度 1 9 5 c m ，内直径1 2 0 c m ，总装煤量约 1 9 5 0 k g ：顶、底部分别留有l o 2 0 c m 自由空间，以保证进、出气均 匀，顶盖上留有捧气口；炉壁由绝 热层和可控温夹水层组成，该水层 中装电热管及进气预热紫铜管，在 炉中心轴处同时设有取气管。炉内 布置了若干热敏电阻探头，各测点 布置如表2 1 和表2 2 气体由w m - 6 型无油空气压缩 机提供，通过三通流量控制阀、浮 子流量计进入湿度控制箱，使风流 湿度与箱内水层的湿度相同，同时气流中含有与湿度调节箱温度相同的水蒸气，湿度调 节箱出口的风流流经水层中紫铜管预热，使风流温度与煤体环境温度相同，这样，进入 煤体的风流湿度及温度均能得以控制。之后气流由炉体底部通过碎煤，从顶盖出口排出。 在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。实验炉内温度巡检、环境温度控制和湿度控 制均由工业控制机自动完成。供风系统流程如图2 3 。 闰2 3 供风系统流程框图 1 0 2 煤层自燃特性参数实验测试 表2 1 南北方向测点分布 标注：x 轴标注为距离中心轴的距离 西安科技大学项士学位论文 2 3 实验条件 为了减少煤样暴露的比表面积和便于装运，所采集的煤样为块状，用鄂式破碎机边 破碎边装入实验炉，共装煤1 9 5 0 k g 。破碎后的煤样粒度分布如表2 3 ，实验条件如表2 4 。 表2 3 煤样粒度筛分析结果表 粒度频度( ) + l o m m7 6 5 - 1 0 m n t , + t m n a 1 1 8 9 - 7 r a n k + s t o r e 8 4 3 - 5 m m , + 3 m m 1 4 8 8 - 3 m m , + o 9 r a m 2 1 4 4 。 - 0 9 m m3 5 7 1 注：表中“+ 竹表示未通过该筛，* ”表示通过了该筛。 耋! ：! 壅笙墨丝 嚣翟m 粒径m ) 实篙高暂铲块煤( g c 箬m ( 容g c m 霉 ) 空隙率瓣起篙度样d “( c m )( 啪) 一 f m )( ) 铜川煤矿 5 2 61 9 51 9 5 02 2 0 5 3 9 81 3 9 50 9 9 80 3 0 90 3 - 0 82 5 6 2 4 实验结果及分析 2 4 1 实验结果 试验炉从2 0 0 6 年3 月3 0 日开始送入空气到2 0 0 6 年5 月2 3 日结束，炉温从2 5 6 c 上升至2 5 2 9 c ，历时5 5 天。最高温度点温度与供风时间的关系如图2 4 所示，高温点 所在的纵向剖面各测点温度分布与供风时间关系如图2 5 所示。 l 拟台曲纠 l 实澳曲矧x , 乡，矿 一- 辱：矿一 图2 4 煤温随时间的变化关系 啪 瑚 娜 啪 o ， 匕撇盾搿血口职 2 煤层自燃特性参数实验测试 、 、二!i 二_ 芝 、 ：鼍“；j ：一! 一”- 一 = = - 荨 o4 08 01 0 01 2 01 4 01 0 01 8 0 绷脑撤( o 图2 5最高温度点所在横向剖面温度与高度关系曲线 从图2 4 可以看出，煤在氧化初期，随着供风时间增加，煤氧化升温较慢；供风时 间超过3 5 天后，煤氧化升温开始加快，对应的煤温为7 5 8 5 ( 临界温度) ；氧化时间 超过5 0 天，升温曲线急剧变陡，对应的煤温为1 0 0 1 l o ( 干裂温度) 。 图2 5 显示煤氧化升温过程中，实验炉中心轴不同高度处煤温的变化规律。从图上 可以看出，氧化初期，中心轴的中上部( 距离炉坐标原点1 3 0 m 处) 煤温最高，煤温升 高较快；随着煤氧化时间加长，高温点向原点移动( 即向进风侧移动) 。说明煤自然升 温过程中，高温点有向进风侧移动的趋势。 2 4 2 结果分析 ， 从煤自然发火实验的测试数据可以看出，随煤自然氧化放热过程的发展，煤温逐渐 上升，与此同时风流的c o 浓度、氧气浓度以及煤样的升温速度等参数均发生一系列变 化。 ( 1 ) 升温速度 随着煤温的升高，煤自燃升温速度逐渐升高，升温速度( 咖与煤温关系见图2 6 。 图2 6 升温速度随煤温的变化关系 1 3 啪 瑚 娜 啪 o p瓷黯饕 西安科技大学硕士学位论文 从图2 6 可以看出，煤温低于8 5 c 0 1 5 界温度) ，煤升温速度变化不大；煤温超过临 界温度后，升温速度开始逐渐增加；煤温超过1 0 0 c ( 干裂温度) 后，升温速度急剧增加。 ( 2 ) 氧化放热强度 根据传热学和热力学理论及实验测试数据，可以近似求解煤堆自燃过程中各温度范 围的氧化发热量。因实验风速很小，可近似认为通过混煤风流温度与煤温相同，且在炉 内仅朝一个方向流动。标准氧浓度下放热强度( x 1 0 5 j g n l - 3 s 1 ) 与煤温的关系曲线见图2 7 。 图2 7 放热强度随煤温的变化关系 从图2 7 可以看出，煤温在8 5 ( 2 以下时，煤样的放热强度增加很小；煤温超过该温 度后，放热强度增速加快；煤温超过1 0 0 ( 2 后，放热强度急剧增加。 ( 3 ) 耗氧速度 混煤内各点氧气浓度的变化主要与对流( 空气流动) 、扩散( 分子扩散和紊流扩散) 和 煤氧作用耗氧等因素有关。在本实验条件下，漏风强度较小，假设风流仅在实验炉内垂 直方向流动且流速恒定，忽略氧在混煤中的扩散和氧浓度随时间的变化率，在微小单元 内煤温均匀，耗氧速度与氧气浓度成正比，则煤体在新鲜空气中的耗氧速率为： n ，1，1 呓( d = 矗鼍i n ( 2 1 ) 一、一j + ll ，一i + i 式中：仃) 为煤体在新鲜空气中的耗氧速度，m o l ( s 。一) ；c o 为新鲜空气中的氧 浓度；c i 、c 件1 分别为炉体内测点i 和测点i + l 的氧浓度，m o l c m ；掣为供风强度， c m l ( s 2 ) ；s 为炉体横断面积，c m 2 ；z i 、z 为测点距炉体底部原点处的距离，c m 。 新鲜空气下，耗氧速度( lo - 1 1 t 0 0 1 m 1 s 1 ) 与煤温关系曲线见图2 8 。 1 4 2 煤层自燃特性参数实验测试 。 图2 8 耗氧速度随煤温的变化关系 从图2 8 可以看出，煤温在临界温度( 8 0 - - 8 5 c ) 以下时，煤样的耗氧速度增加缓慢； 煤温超过该温度后，耗氧速度的增加明显加快；煤温超过干裂温度( 1 0 0 1 1 0 c ) 后， 耗氧速度急剧增加。 ( 4 ) c o 、c 0 2 产生率 据实验测试，原始煤体中存在c o 、c 0 2 、c h 4 等气体。c o 、c h 4 、c 0 2 部分以游离 状态吸附于裂隙与微孔中，