易自燃特厚煤层综放工作面三带划分

易自燃特厚煤层综放工作面三带划分

0预测采空区自然响应区域中国56%的煤矿存在自然火灾。矿山火灾严重影响了矿山生产。每年，该矿区煤矿自发燃烧造成的经济损失数百亿元。每年因自然发火造成的事故更是不计其数,严重威胁着井下作业人员的生命安全。因此,防治矿井火灾成为安全工作的一项重要任务。为了提出有效的防灭火技术措施,必须先确定工作面采空区自燃“三带”的位置,合理的预测采空区自然发火危险区域。采空区氧气浓度场的分布是自燃危险区域的重要判据之一1多孔氧浓度测试1.1工作面压步距10m古山矿065-2综放工作面宽度7.5m,采空区走向长100m,工作面倾斜长80m,煤厚14m,直接顶7.2m+0.2m,老顶>30m。周期来压步距40m。运输顺槽数据:宽3.5m,高2.8m,风量642m1.2不等距布点方法束管和传感器的布置采用沿工作面倾斜方向全线布点方法,沿工作面倾斜方向布置5个测点,采用不等距布点方法(图1),每个测点埋设两个温度传感器和一根束管,并沿工作面倾斜及回风道布置一趟聚乙烯管,将温度引线和取样束管放置于乙烯管内,以保护温度传感器导线和束管。1.3氧浓度变化情况现场检测时通过在回风顺槽内的真空泵将5个采样点的气样分别采集到5个不同的集气袋内,做好标记,送化验室进行化验分析。化验分析采用GC4085型气相色谱仪,重点分析O根据所取气样中O从图2和图3可以看出5个测点随着工作面的向前推进,埋入采空区的距离也就越深,各测点的氧浓度不断的降低。从图2可以看出,1号和2号测点刚开始的氧浓度随采空区深度增加的降低速度较为缓慢,是因为这两个测点距离进风巷道比较近,可以得出的结论是越接近进风侧的测点氧浓度就越高。随着采空区的加深,各测点的氧浓度会不断递减,当氧浓度降低到4%~5%时趋于稳定。1号测点氧浓度在采空区深度为20~30m处出现了急剧降低的现象,由于1号测点在20~30m处处于注氮口附近,注氮起到了良好的降低氧浓度效果,从而出现了氧浓度急剧降低的现象。从图3可以看出,氧浓度等值线两头密集,中间稀疏,采空区的漏风情况是一源一汇。根据氧浓度分布划分出散热带、氧化升温带和窒息带。根据所测氧浓度数据结合图2给出采空区“三带”变化范围(表1)。由表1可以看出5号测点最早进入氧化升温带,即最早出现自燃危险区域。由于5号测点位于上隅角附近,上隅角容易积聚瓦斯,容易发生瓦斯氧复合作用,所以上隅角瓦斯浓度的治理成为防范采空区火灾的重点。3号测点的氧化升温带范围宽度最大为38m,最短自然发火期为15d,由此可以计算出每天工作面的最小推进进度为:38/15=2.54m/d。要避免氧化升温带自然发火,工作面每天的推进距离至少是2.54m。2数值模拟2.1压支架、采空区、进风巷数值模拟的几何模型如图4所示。由工作面、液压支架、采空区、进风巷和回风巷5个部分组成。其中工作面长80m宽7.5m。液压支架在工作面区域内长73m。进风巷在工作面下方B2.2空气密度+工作面风速Navier-Stokes方程基于牛顿第二定律,描述流体在重力、黏性阻力和压力作用下的运动规律,考虑了流体静压能、动能和势能平衡,以流体动能为主,不考虑渗透阻力的作用,主要研究管流,在巷道通风、流体管流计算得到广泛应用工作面风流的定解数学模型为式中:ρ———空气密度(kg/mu———工作面风速(m/s);采空区内充满冒落的块状破碎岩石,这些破碎岩块体之间的裂隙遍布整个空间,这些特征符合对多孔介质的界定采空区渗流场的定解数学模型为:式中:ρ———空气密度(kg/mη———空气粘滞性(kg/ms);采空区的气体浓度分布服从Fick定律扩散式中:D———扩散系数(mR———反应率(mol/(mu由多孔介质的Carman公式,渗透率的计算公式为:D计算参数设置:ρ取1.225kg/mC拟合渗透率K的变化曲线的方程式:式中μ———空气的粘性系数,常温取1.7894e注氮口边界条件设置:注氮管处的速度经计算为11.2m/s,在达西定律的边界条件里设置;注氮压力为0.4MPa设置在Navier-Stokes方程的边界条件中;注氮含氧量为1%,换算氧浓度为0.446mol/m2.3未注氮时氧浓度分布将上述方程和边界条件在Comsol软件里设置好后,进行网格划分,然后求解,最后根据需要做出后处理,模拟出来的采空区氧浓分布图见图5所示。从图5可以看出氧浓度等值线在进风侧的接近工作面处比较密集,尤其是在注氮口附近。在回风侧接近工作面的氧浓度等值线也比较密集,中间部分比较稀疏,具有一源一汇,这符合具有漏风情况的采空区的特征。将实际测算的氧浓度分布图3与模拟计算出的氧浓度分布图5作对比分析,模拟的氧浓度分布图显示氧浓度随采空区深度增加逐渐降低,这种趋势与实测相一致。进一步对比采空区氧化升温带的数据,两者的氧化升温带分布形状与位置十分一致,模拟数据与实测结果基本吻合,经计算各点氧气浓度误差在5%左右,完全满足数值模拟的预测功能,模拟结果能够有效指导实际生产。通过实测氧浓度检验基于Comsol模拟的氧浓度是准确可靠的,那么就可以用Comsol模拟出未注氮时的采空区氧浓度分布(图6)。比较图5和图6可知,注氮时氧化升温带范围为15~45m,未注氮时氧化升温带范围为30~70m,很显然注氮时氧化带的范围明显的比未注氮时变小了许多。图5的右下方等值线受注氮影响非常明显,氧浓度迅速降低,表明注氮可以有效的减小氧化升温带的范围。3模拟参数选取(1)通过将实测的氧浓度分布与模拟的氧浓度分布的比较分析,模拟的氧浓度与实测氧浓度相符合,证明了基于Comsol软件模拟采空区氧浓度是可行的。通过比较注氮时与未注氮时的采空区氧浓度分布图,可以看出注氮防灭火的成效是显著的。(2)采用Comsol软件模拟可以弥补由于采空区岩石冒落具有强大的破坏性,工作量大,并且测试周期长,不易于实施等特点的不足。(3)本文采用氧浓度指标划分采空区“三带”,即氧浓度在8%~18%范围为氧化升温带,高于18%的范围为散热带,低于8%的范围为窒息带。通过数值模拟得出采空区埋深0~15m为散热带,15~45m为氧化升温带,大于45m为窒息带。(4)用Comsol软件模拟采空区的氧浓度难