易自燃特厚煤層綜放工作面三帶劃分

易自燃特厚煤層綜放工作面三帶劃分

0預(yù)測采空區(qū)自然響應(yīng)區(qū)域中國56%的煤礦存在自然火災(zāi)。礦山火災(zāi)嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)。每年，該礦區(qū)煤礦自發(fā)燃燒造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百億元。每年因自然發(fā)火造成的事故更是不計其數(shù),嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的生命安全。因此,防治礦井火災(zāi)成為安全工作的一項重要任務(wù)。為了提出有效的防滅火技術(shù)措施,必須先確定工作面采空區(qū)自燃“三帶”的位置,合理的預(yù)測采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域。采空區(qū)氧氣濃度場的分布是自燃危險區(qū)域的重要判據(jù)之一1多孔氧濃度測試1.1工作面壓步距10m古山礦065-2綜放工作面寬度7.5m,采空區(qū)走向長100m,工作面傾斜長80m,煤厚14m,直接頂7.2m+0.2m,老頂>30m。周期來壓步距40m。運輸順槽數(shù)據(jù):寬3.5m,高2.8m,風(fēng)量642m1.2不等距布點方法束管和傳感器的布置采用沿工作面傾斜方向全線布點方法,沿工作面傾斜方向布置5個測點,采用不等距布點方法(圖1),每個測點埋設(shè)兩個溫度傳感器和一根束管,并沿工作面傾斜及回風(fēng)道布置一趟聚乙烯管,將溫度引線和取樣束管放置于乙烯管內(nèi),以保護(hù)溫度傳感器導(dǎo)線和束管。1.3氧濃度變化情況現(xiàn)場檢測時通過在回風(fēng)順槽內(nèi)的真空泵將5個采樣點的氣樣分別采集到5個不同的集氣袋內(nèi),做好標(biāo)記,送化驗室進(jìn)行化驗分析?；灧治霾捎肎C4085型氣相色譜儀,重點分析O根據(jù)所取氣樣中O從圖2和圖3可以看出5個測點隨著工作面的向前推進(jìn),埋入采空區(qū)的距離也就越深,各測點的氧濃度不斷的降低。從圖2可以看出,1號和2號測點剛開始的氧濃度隨采空區(qū)深度增加的降低速度較為緩慢,是因為這兩個測點距離進(jìn)風(fēng)巷道比較近,可以得出的結(jié)論是越接近進(jìn)風(fēng)側(cè)的測點氧濃度就越高。隨著采空區(qū)的加深,各測點的氧濃度會不斷遞減,當(dāng)氧濃度降低到4%~5%時趨于穩(wěn)定。1號測點氧濃度在采空區(qū)深度為20~30m處出現(xiàn)了急劇降低的現(xiàn)象,由于1號測點在20~30m處處于注氮口附近,注氮起到了良好的降低氧濃度效果,從而出現(xiàn)了氧濃度急劇降低的現(xiàn)象。從圖3可以看出,氧濃度等值線兩頭密集,中間稀疏,采空區(qū)的漏風(fēng)情況是一源一匯。根據(jù)氧濃度分布劃分出散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。根據(jù)所測氧濃度數(shù)據(jù)結(jié)合圖2給出采空區(qū)“三帶”變化范圍(表1)。由表1可以看出5號測點最早進(jìn)入氧化升溫帶,即最早出現(xiàn)自燃危險區(qū)域。由于5號測點位于上隅角附近,上隅角容易積聚瓦斯,容易發(fā)生瓦斯氧復(fù)合作用,所以上隅角瓦斯?jié)舛鹊闹卫沓蔀榉婪恫煽諈^(qū)火災(zāi)的重點。3號測點的氧化升溫帶范圍寬度最大為38m,最短自然發(fā)火期為15d,由此可以計算出每天工作面的最小推進(jìn)進(jìn)度為:38/15=2.54m/d。要避免氧化升溫帶自然發(fā)火,工作面每天的推進(jìn)距離至少是2.54m。2數(shù)值模擬2.1壓支架、采空區(qū)、進(jìn)風(fēng)巷數(shù)值模擬的幾何模型如圖4所示。由工作面、液壓支架、采空區(qū)、進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷5個部分組成。其中工作面長80m寬7.5m。液壓支架在工作面區(qū)域內(nèi)長73m。進(jìn)風(fēng)巷在工作面下方B2.2空氣密度+工作面風(fēng)速Navier-Stokes方程基于牛頓第二定律,描述流體在重力、黏性阻力和壓力作用下的運動規(guī)律,考慮了流體靜壓能、動能和勢能平衡,以流體動能為主,不考慮滲透阻力的作用,主要研究管流,在巷道通風(fēng)、流體管流計算得到廣泛應(yīng)用工作面風(fēng)流的定解數(shù)學(xué)模型為式中:ρ———空氣密度(kg/mu———工作面風(fēng)速(m/s);采空區(qū)內(nèi)充滿冒落的塊狀破碎巖石,這些破碎巖塊體之間的裂隙遍布整個空間,這些特征符合對多孔介質(zhì)的界定采空區(qū)滲流場的定解數(shù)學(xué)模型為:式中:ρ———空氣密度(kg/mη———空氣粘滯性(kg/ms);采空區(qū)的氣體濃度分布服從Fick定律擴(kuò)散式中:D———擴(kuò)散系數(shù)(mR———反應(yīng)率(mol/(mu由多孔介質(zhì)的Carman公式,滲透率的計算公式為:D計算參數(shù)設(shè)置:ρ取1.225kg/mC擬合滲透率K的變化曲線的方程式:式中μ———空氣的粘性系數(shù),常溫取1.7894e注氮口邊界條件設(shè)置:注氮管處的速度經(jīng)計算為11.2m/s,在達(dá)西定律的邊界條件里設(shè)置;注氮壓力為0.4MPa設(shè)置在Navier-Stokes方程的邊界條件中;注氮含氧量為1%,換算氧濃度為0.446mol/m2.3未注氮時氧濃度分布將上述方程和邊界條件在Comsol軟件里設(shè)置好后,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后求解,最后根據(jù)需要做出后處理,模擬出來的采空區(qū)氧濃分布圖見圖5所示。從圖5可以看出氧濃度等值線在進(jìn)風(fēng)側(cè)的接近工作面處比較密集,尤其是在注氮口附近。在回風(fēng)側(cè)接近工作面的氧濃度等值線也比較密集,中間部分比較稀疏,具有一源一匯,這符合具有漏風(fēng)情況的采空區(qū)的特征。將實際測算的氧濃度分布圖3與模擬計算出的氧濃度分布圖5作對比分析,模擬的氧濃度分布圖顯示氧濃度隨采空區(qū)深度增加逐漸降低,這種趨勢與實測相一致。進(jìn)一步對比采空區(qū)氧化升溫帶的數(shù)據(jù),兩者的氧化升溫帶分布形狀與位置十分一致,模擬數(shù)據(jù)與實測結(jié)果基本吻合,經(jīng)計算各點氧氣濃度誤差在5%左右,完全滿足數(shù)值模擬的預(yù)測功能,模擬結(jié)果能夠有效指導(dǎo)實際生產(chǎn)。通過實測氧濃度檢驗基于Comsol模擬的氧濃度是準(zhǔn)確可靠的,那么就可以用Comsol模擬出未注氮時的采空區(qū)氧濃度分布(圖6)。比較圖5和圖6可知,注氮時氧化升溫帶范圍為15~45m,未注氮時氧化升溫帶范圍為30~70m,很顯然注氮時氧化帶的范圍明顯的比未注氮時變小了許多。圖5的右下方等值線受注氮影響非常明顯,氧濃度迅速降低,表明注氮可以有效的減小氧化升溫帶的范圍。3模擬參數(shù)選取(1)通過將實測的氧濃度分布與模擬的氧濃度分布的比較分析,模擬的氧濃度與實測氧濃度相符合,證明了基于Comsol軟件模擬采空區(qū)氧濃度是可行的。通過比較注氮時與未注氮時的采空區(qū)氧濃度分布圖,可以看出注氮防滅火的成效是顯著的。(2)采用Comsol軟件模擬可以彌補(bǔ)由于采空區(qū)巖石冒落具有強(qiáng)大的破壞性,工作量大,并且測試周期長,不易于實施等特點的不足。(3)本文采用氧濃度指標(biāo)劃分采空區(qū)“三帶”,即氧濃度在8%~18%范圍為氧化升溫帶,高于18%的范圍為散熱帶,低于8%的范圍為窒息帶。通過數(shù)值模擬得出采空區(qū)埋深0~15m為散熱帶,15~45m為氧化升溫帶,大于45m為窒息帶。(4)用Comsol軟件模擬采空區(qū)的氧濃度難