特厚煤層綜放工作面通風(fēng)co涌出預(yù)測(cè)模型研究

特厚煤層綜放工作面通風(fēng)co涌出預(yù)測(cè)模型研究

影響礦山安全生產(chǎn)的主要因素之一是采煤區(qū)域內(nèi)氧化熱引起的自燃火災(zāi)。因此，我們開(kāi)發(fā)了許多關(guān)于煤炭自燃的初步預(yù)測(cè)和預(yù)處理方法，分析井氣中的指標(biāo)氣體，是確定和評(píng)估井氣中碳熱狀態(tài)的主要途徑之一。CO氣體是采空區(qū)遺煤自燃的主要標(biāo)志性氣體之一,也是采空區(qū)自然發(fā)火研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在工作面現(xiàn)場(chǎng)研究采空區(qū)遺煤自燃時(shí),尤其工作面是一源一匯情況下,可以把采空區(qū)遺煤低溫氧化情況理想地看成是一個(gè)大的實(shí)驗(yàn)室煤樣低溫氧化實(shí)驗(yàn)情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件和現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際既定條件之間的關(guān)系,可以得出同煤種現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)遺煤氧化生成的CO量和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件下煤樣低溫氧化生成CO量關(guān)系的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。1實(shí)驗(yàn)煤樣的密度、密度和初始生成量的計(jì)算在煤樣低溫氧化過(guò)程中,煤與氧接觸面積越大,煤氧化學(xué)反應(yīng)幾率也越大。表征煤氧接觸面積的量是煤的比表面積,把煤樣顆粒假想為球體,則單位體積煤樣的內(nèi)表面積S為:S=d6(1-n)。對(duì)于密度為ρ1,實(shí)驗(yàn)煤重為G1的煤樣,它的內(nèi)比表面積為每克煤樣所具有的內(nèi)表面積,把煤樣的內(nèi)比表面積近似的看作煤樣的比表面積,則與氧接觸的表面積S1為:式中,S為單位體積煤樣內(nèi)表面積;d為平均當(dāng)量粒徑;n為孔隙率。實(shí)驗(yàn)室煤樣低溫氧化生成CO的絕對(duì)生成量F1可以用下式計(jì)算:F1=c(CO)1·Q1。式中,F1為實(shí)驗(yàn)室CO絕對(duì)生成量,mL/min;c(CO)1為實(shí)驗(yàn)室CO氣體濃度,10-6;Q1為實(shí)驗(yàn)空氣氣體通氣量,mL/min。2采空區(qū)遺煤的開(kāi)采根據(jù)實(shí)驗(yàn)室煤樣氧化條件和現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際既定通風(fēng)與工作面地質(zhì)參數(shù)條件,利用相似準(zhǔn)則,即根據(jù)實(shí)驗(yàn)室煤樣低溫氧化實(shí)驗(yàn)條件下的和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作面既定條件下的煤樣重量、氧化表面積、氧化通氣量、破碎煤樣的空隙率的相似關(guān)系,可以推導(dǎo)出現(xiàn)場(chǎng)工作面條件下的采空區(qū)CO涌出預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜放工作面傾斜長(zhǎng)度為I,采高為H,可能氧化發(fā)熱的最大寬度(即不自燃帶、自燃帶和工作面寬度之和)為L(zhǎng),工作面通風(fēng)量為Q,煤的密度為ρ,回采率為C。礦區(qū)煤粒的比表面積為α。由以上參數(shù)可以得出:采空區(qū)可能氧化的總體積V2為:V2=L·I·H;采空區(qū)遺煤量G2為:G2=V2(1-C)ρ;采空區(qū)遺煤的理論表面積S2為:S2=α·G2。經(jīng)過(guò)整理可以得到采空區(qū)遺煤的氧化表面積為:現(xiàn)場(chǎng)條件下CO的絕對(duì)生成量F2可以用下式表示:式中,F2為現(xiàn)場(chǎng)條件下CO的絕對(duì)生成量,m3/min;c(CO)2為現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)CO氣體濃度,10-6;Q2為造成采空區(qū)遺煤氧化的采空區(qū)漏風(fēng)量,m3/min。因?yàn)镃O的絕對(duì)生產(chǎn)量與煤炭氧化的吸氧表面積成正比關(guān)系,所以有:S1∝F1即S1∝c(CO)1·Q1·S2∝F2即S2∝c(CO)22·Q2。根據(jù)相似定律可以得出:由式(1)、式(2)和式(3)聯(lián)立,可以推出現(xiàn)場(chǎng)條件下的CO涌出預(yù)測(cè)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型為:3工作面采高、密度北皂煤礦屬于龍口礦業(yè)集團(tuán),該礦含煤地層屬下第三系,煤層變質(zhì)程度淺,主要為褐煤,煤層節(jié)理發(fā)育,透氣性好,自燃傾向性高,自然發(fā)火期短。龍口北皂礦4402工作面傾斜長(zhǎng)度為157m,采高為6.4m,可能氧化發(fā)熱最大寬度(即不自燃帶、自燃帶與工作面寬度之和)取:L=38m,其中不自燃帶和自燃帶寬度之和為32m。工作面的供風(fēng)量為1200m3/min。煤的密度為1.36t/m3;回采率取C=80%,采空區(qū)孔隙率取0.1。3.1北皂礦4002工作面采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)模擬發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃的采空區(qū)風(fēng)量是采空區(qū)漏風(fēng)量,即是進(jìn)入采空區(qū)部分的漏風(fēng)。為了求解造成北皂礦4402工作面采空區(qū)遺煤自燃的那部分采空區(qū)漏風(fēng)量,需要對(duì)北皂礦4402工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并根據(jù)所模擬出來(lái)的采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速的速度矢量圖,大致估算一下采空區(qū)漏風(fēng)的平均風(fēng)速。根據(jù)北皂礦4402工作面采空區(qū)實(shí)測(cè)情況,確定有關(guān)參數(shù),把采空區(qū)看作為多孔介質(zhì),利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬。利用FLUENT軟件的前處理器GAMBIT軟件對(duì)北皂礦4402工作面采空區(qū)進(jìn)行三維建模及其網(wǎng)格劃分,將采空區(qū)簡(jiǎn)化為三維計(jì)算區(qū)域,由巷道、采煤工作面和采空區(qū)3部分組成。以回風(fēng)巷的邊界點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),指向進(jìn)風(fēng)巷方向?yàn)閤軸正方向,指向采空區(qū)深度方向?yàn)閥軸的正方向,垂直巷道底部向上為z軸正方向,根據(jù)北皂礦4402工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況,參數(shù)設(shè)置如表1。得到的數(shù)值模擬計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖如圖1。該模擬中將整個(gè)采空區(qū)的孔隙率分布視為均勻分布,取n=0.1。利用FLUENT軟件對(duì)所建立的計(jì)算模型進(jìn)行解算,可以得到北皂礦4402工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速矢量圖,如圖2。根據(jù)FLUENT軟件對(duì)北皂礦4402工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的模擬解算,并從采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速矢量圖分析得:北皂礦4402工作面采空區(qū)漏風(fēng)的最大風(fēng)速0.00314m/s,最小風(fēng)速0.000106m/s,那么采空區(qū)漏風(fēng)的平均風(fēng)速可以近似的看作0.0016m/s。根據(jù)采空區(qū)的截面積和孔隙率,從而可以求出采空區(qū)的總漏風(fēng)為57.6m3/min,這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基本吻合。由于北皂煤礦4402工作面采空區(qū)的最大氧化帶寬度為32m,采空區(qū)為頂板上部10m,孔隙率為0.1,可以求出采空區(qū)的漏風(fēng)截面積為32m2。進(jìn)而求出造成采空區(qū)遺煤自燃的那部分采空區(qū)漏風(fēng)Q2為3.07m3/min。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析利用GC4000A型氣相色譜儀和2001型煤炭自燃特性測(cè)試儀對(duì)北皂礦煤樣在30～90℃溫度時(shí)定風(fēng)量和定粒徑條件下的煤炭低溫氧化自燃進(jìn)行模擬研究得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。由北皂礦4402工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)可得,采空區(qū)可能氧化遺煤的總體積:V2=L·I·H=38182.4m3,采空區(qū)遺煤量:G2=V2·(1-C)ρ=10385.6t。龍口礦區(qū)煤粒的比表面積取4.64×10-6m2/g,可以得出:采空區(qū)遺煤氧化的理論表面積:S2=α·G2=48189.2m2實(shí)驗(yàn)室北皂礦4402工作面煤樣的氧化條件為:實(shí)驗(yàn)煤樣重量G1=50g;密度ρ=1.40g/cm3;煤樣粒徑d=0.3mm;實(shí)驗(yàn)室空氣流量:Q1=50ml/min;n=0.1。那么由式(1)得煤樣與氧接觸的表面積:實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)得到:當(dāng)溫度為30℃時(shí),實(shí)驗(yàn)室CO濃度為16.21×10-6。把所得數(shù)據(jù)代入CO涌出預(yù)測(cè)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型式(4)可以推出現(xiàn)場(chǎng)工作面采空區(qū)CO濃度如下:以此類推,可以得出煤低溫氧化階段,由實(shí)驗(yàn)室預(yù)測(cè)北皂礦4402工作面現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)CO濃度的對(duì)應(yīng)表,見(jiàn)表2。該指標(biāo)氣體為北皂礦4402工作面特定條件下的參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步驗(yàn)證。由此分析可見(jiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下:CO氧化速率增幅<0.6×10-6/℃;正常值。CO氧化速率增幅=0.88×10-6/℃～1.28×10-6/℃;預(yù)報(bào)值。CO氧化速率增幅>1.28×10-6/℃;采取措施。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下:CO氧化速率增幅<0.7×10-6/℃,正常值;=(1.08～1.57)×10-6/℃,預(yù)報(bào)值;>1.57×10-6/℃,采取措施;CO濃度<25×10-6,正常值;=(25～33.6)×10-6,溫度上升到40～50℃;=(33.6～52.2)×10-6,溫度上升到50～60℃;>52.2×10-6,煤炭氧化進(jìn)入自熱前期。4co犯罪波場(chǎng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究實(shí)踐表明,采空區(qū)CO涌出量預(yù)測(cè)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)所得結(jié)果具有很好的可操作性,對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)采空區(qū)自然發(fā)火具有一定的指導(dǎo)意義。通過(guò)建立的CO涌出預(yù)測(cè)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型,要想更真實(shí)的反映不同煤種的采空區(qū)CO涌出量的變化規(guī)律及其精確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)范圍,還需要進(jìn)行下面的研究:1)為使研究結(jié)果具有普遍實(shí)用性,對(duì)實(shí)際具有更大的指導(dǎo)意義,還需對(duì)多漏風(fēng)源匯的情況進(jìn)一步研究。2)在求解造成采空區(qū)遺煤氧化