采空区煤体自燃温度场演变模拟试验研究

为研究工作面采空区遗煤自燃过程中温度场的演变规律,基于几何相似原则及煤自燃原理,研发了采空区温度场分布规律相似模拟试验装置,将现场采集的大块煤样进行破碎后,选择粒径≤30mm的混煤进行填充,设置热源和测点,模拟采空区煤自燃火源热传递过程,研究松散煤体内部温度场分布规律,热源温度对松散煤体热量传递规律的影响以及Y型通风采空区煤体温度场分布规律。试验结果表明:无对流条件下,热源向周围煤体的热量传递呈各向同性特征,随着热源温度的增加,热源在松散煤体内的热量传递能力以非线性的形式快速增加,增速越来越大;恒温热源周围某测点的温度与恒温热源的距离和时间的关系,在测点距离或加载时间小于抛物线对称轴数值时,符合二次函数关系,在测点距离或加载时间大于抛物线对称轴数值时,测点温度基本稳定;煤自燃过程中的高温点会以加速度方式向氧气富集区域迁移,受火风压吸风效果影响,火源上部区域迁移效果更加明显。     

基于红外测温技术的高温热源定位实验研究

针对采空区热源温度实时监测、高温点准确定位的难题,利用非接触式红外测温装置研究了采空区模型中高温热源的温度变化规律;分析了热源温度、升温时间、传感器测定温度和测温距离的关系,推导了理想条件下热源定位方程;基于热源温度变化速率的热源温度-时间分段拟合模型和传感器实测温度迭代补偿模型修正了数据的拟合误差和装置的系统误差。结果表明：热源温度随升温时间呈二次函数变化,热源升温速率呈先增大后减小的趋势;传感器测定温度与热源温度成正比,传感器温度接收率与测温距离成反比;修正后的热源温度最大相对误差为0.48%,测温距离平均绝对误差为0.1 m。     

基于采空区热源的工作面风温变化规律及控制

针对采空区高温热源漏风携热及机电设备影响工作面温度的问题,以济宁二号矿3302工作面为例,采用数值分析方法,建立了工作面物理模型,研究了基于采空区热源下工作面风流温度的变化情况,分析了不同热源位置、供风量对工作面温度场的影响规律,依据附面层理论及模拟云图,确定了最佳挡风帘尺寸。通过现场实测,布置20 m+10 m风帘的阻隔效果最佳,布置后工作面风温降低2.3℃,能够有效防治采空区内高温热源携热漏风。     

基于FLUENT的采空区瓦斯运移规律数值模拟研究

为了研究采空区瓦斯运移规律,以汪家寨煤矿P41104综放工作面采空区为原型,运用FLUENT软件进行建模,针对不同风速、遗煤升温及上隅角瓦斯浓度超限3类情况进行模拟研究,结果表明：通风条件下对采空区浅部瓦斯浓度场有较大影响,但随着走向和倾向距离增大,通风对采空区瓦斯浓度场的影响非常小;采空区出现遗煤氧化升温现象后,高温热源周围的瓦斯浓度随着温度的升高而升高,但升高幅度较小,并且高温热源对整个采空区温度场的影响较小;高位钻孔抽采瓦斯可以有效解决上隅角瓦斯浓度超限的问题。     

基于煤火发展演化的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

针对现有对松散煤体自然发火温度场运移特点试验装置的不足,根据实际松散煤体燃烧特点,自主设计研发了煤火发展演化模拟实验系统。选取陕西省咸阳孟村煤矿煤样为研究对象,利用该装置模拟松散煤体燃烧过程,分析松散煤体燃烧过程中高温区域的分布及纵深移动规律,再现松散煤体从着火至燃烧最后燃尽过程中高温区域的蔓延过程,剖析温度区域迁移机制,分析高温区域关键点氧气体积分数变化规律。结果表明,在松散煤体燃烧过程中,煤样体系温度变化尺度随着时间的增加先上升后下降,试验运行600 h后,整体燃烧室降至环境温度;试验过程中松散煤体高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分;高温区域纵深移动方向呈现非线性规律;高温区域在纵深蔓延过程中关键点温度呈依次降低的趋势,且下降到极限氧体积分数(1%～3%)的时间与其达到燃点温度时间相近;温度下降阶段,高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢;随着纵向深度增加,高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长,关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降;高温区域关键点氧气体积分数快速下降阶段所经历的时间随着纵深的增加逐渐增大。研究成果可为煤堆、遗煤、...     

高温热源对采空区气体微流动场影响模拟研究

由于采空区内部存在遗煤,工作面的风流会扩散到采空区内部,风流中带入的氧气会氧化遗煤形成高温点,遗煤氧化产热会影响采空区内部的气体流动。文章利用GAMBIT对采空区进行建模,基于FLUENT软件对不同高温热源影响下的采空区气体流动场进行数值模拟。研究表明:采空区内部热源温度的升高会扩大内部温度的影响范围;热源引起的温度势差会引起采空区气体的微小流动,热源周围会形成气流增速流动区域和气流减速流动区域;高温热源会使采空区气体温度升高,导致气体黏度和气体流动阻力增大,最终使气体流速降低。     

采空区多孔介质内流体传热研究

随着矿井开采深度不断增加,采掘工作面的高温热害日益严重,遗煤自燃现象尤为突出,严重影响矿井安全生产。为研究采空区多孔介质内流体传热规律,分析多孔介质传热影响因素,以姚桥煤矿7271工作面为例,建立采空区多孔介质模型,采用Fluent数值模拟方法模拟在不同风速、不同热源位置下采空区气体体积分数以及温度场变化。结果表明：随着风速不断增大,采空区自燃“三带”的范围不断向采空区深部移动,进风巷侧自燃“三带”影响范围较回风巷侧大;热源位置离进风巷越近,采空区整体温度越高,增大进风巷风速能有效降低采空区内部温度,降低多孔介质内流体传热效率。     

综放工作面采空区自燃危险区域监测技术及应用研究

基于综放采空区自然发火隐蔽高温区难以识别的问题,提出了分布式光纤温度探测技术监测火源高温点以及井下近距离抽气束管探测技术监测气体异常点。根据综放工作面采空区遗煤分布特征及漏风规律,布置符合现场实际情况的温度及气体测点,现场研究了采空区内不同时期分布式光纤测温监测的温度,通过三维绘图软件绘制出采空区温度场分布规律,研究了采空区内O_2及CO分布情况。结果表明:光纤测温结合近距离束管抽气的监测结果符合煤氧复合机理及采空区漏风规律。     

不同风速和高温点下采空区瓦斯分布规律研究

为了研究不同风速和采空区不同位置存在高温点时的瓦斯运移规律，采用了自建的采空区模拟实验台，分别对工作面风速为0.2、0.6、1.0 m/s以及采空区进、回风侧有、无煤自燃时的瓦斯运移规律进行研究。得出：随着工作面风速的增加，采空区各测点的瓦斯浓度均有所降低，采空区中的瓦斯爆炸危险区域面积也逐渐变小；采空区进、回风侧高温点附近区域瓦斯浓度均明显增加，瓦斯爆炸危险区域比常温时也有所增加且增加幅度与竖直方向的高度呈反比关系。     

利用顶板冒落规律研究采空区自燃“三带”分布

针对浅埋煤层上覆岩层冒落强度较大、顶板破坏程度严重的现状,分析了顶板冒落规律与采空区自燃规律之间的相互关系.利用相似模拟试验研究了浅埋煤层工作面顶板冒落规律,同时在试验工作面采空区布置了测点,现场取样测定分析了推进过程中采空区气体含量分布规律.结果表明,工作面采空区0~120 m为自然堆积区,120~260 m为破碎堆积区,且距离工作面140~260 m范围内,采空区O2含量为18%~10%.利用两种方式得出的采空区自燃规律具有较好的一致性,从而确定出采空区自燃"三带"分布状况.研究结果为工作面采空区防灭火措施的制定提供了可靠依据.     

高温采煤工作面采空区热风数值模拟研究

矿井空调必须考虑由采空区热风引起的温度升高,采空区热风是由围岩散热和氧化放热等引起的,影响因素多,关系复杂。从研究采空区热源入手,对影响采空区热风的因素进行分析。利用质量守恒定律和达西定律,建立了采空区气体流动微分方程;利用传热学理论和能量守恒定律建立了采空区温度场方程,从泛函出发,用有限单元法进行分析,用VB语言编制了数值计算软件;结合具体情况,运用数值软件解算出在不同工作面阻力、原始岩温下采空区热风的运移规律,并对解算结果进行了分析。     

基于光纤测温的托辊轴温检测及热传导模型研究

针对带式输送机运转过程中因传输托辊故障导致摩擦升温引发火灾的问题,基于热传导原理设计了2种用于不同测量需求的光纤温度传感装置,实验测试并分析了该2种感温装置的热传导灵敏度;设计搭建了胶带长度为50 m的带式输送机实验测试系统平台,开展了空间温度场数据仿真测试,根据模拟实验获得的数据,建立了托辊摩擦点温升与轴温热传导模型,以及轴温与热管光纤温度传感装置之间的热传导模型,用于火灾预警监测;模拟测试获得托辊轴承故障温度变化曲线,推导出托辊轴温升斜率函数,论证利用其最大温升斜率来辨识托辊坏轴。研究成果能够为煤矿、港口等工业现场的带式输送机系统火灾预警提供技术支撑。     

高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应

基于高瓦斯易自燃煤层高位巷道瓦斯抽采技术条件下,以研究煤自燃形成机理为切入点,依据义马煤业集团耿村矿13190工作面自然发火实际情况,通过理论分析,数学建模及现场辅助测试,对煤岩裂隙发育漏风通道模式、采空区浮煤碎胀特性、漏风动力源展开研究,发现巷道瓦斯抽采,增加了高瓦斯易自燃煤层的自燃风险,主要体现在:1)造成工作面、采空区及抽放巷道端口间存在漏风通道及动力;2)采动应力及抽采巷道松动圈造成采空区煤岩裂隙充分发育,采空区浮煤压实程度降低,浮煤碎胀性增加,有利于煤自燃蓄热;3)采空区浮煤一旦氧化,造成采空区高温点与漏风通道间存在温度梯度,从而形成的内生火风压,加剧采空区破裂浮煤的自燃进程,诱导采空区浮煤自燃发生。     

梁北矿11061工作面热源分析与风温预测

梁北煤矿深部热害比较严重,针对梁北矿工作面局部高温情况,通过工作面热源调查,根据能量守恒定律,建立热交换的数学模型,对11061工作面热源状况进行理论分析和风流温度预测,并与实际测量结果对比验证。热源分析得出:此工作面围岩散热量和机械设备散热量所占比重较大,分别占28.3%和47.0%,是风温升高的主要原因。对比结果表明:风温预测结果与工作面实际测量结果能够很好地吻合,验证了热源分析和风温预测方法的正确性。     

基于光纤测温技术判定采空区自燃危险区域的研究

为了加强对煤矿采空区自然发火的预防,提出使用新型光纤传感测温技术实现对采空区高温区域的精确判断。通过室内试验完成了对光纤测温装置温度精度、定位精度及响应时间的测定,并对光纤在采空区内部的布置手段进行了阐述,将光纤测温结果与束管监测结果进行比对,探讨了光纤测温的可靠性。该采空区自燃“三带”分布情况：35 m以内为散热带,35~110 m内为自燃带,运输巷一侧自燃带延伸至120 m处,110 m以外为窒息带,与束管监测数据基本相符;采空区内部高温区域出现在距离工作面80~100 m内,高温点出现在采空区距工作面100 m,距离运输巷50 m附近,光纤测温系统检测数据在作为有效的采空区自燃危险区域判定依据的同时,还可实现对高温区域的定位。     

综放沿空巷周围煤体自燃升温过程的数值模拟

用有限元数值模拟方法，对综放沿采空区侧巷道周围煤体内的漏风流态、氧气消耗及温度升高进行了研究，联立求解了流场中的漏风渗流方程、氧浓度渗流-扩散-消耗方程和传热方程．重点描述了沿空煤柱内的自燃特征和升温过程，得到自然发火期与煤耗氧速度呈反比例关系，而对漏风强度影响不大；漏风强度增大只能使煤体内高温区范围扩大，相对提高自然发火几率。     

城郊煤矿原岩温度测定及热源分析

城郊煤矿属于高温热害矿井,该矿在井下采用浅孔测温方法在6个测点测试了矿井煤系地层的原岩温度;使用精密气压计、干湿球温度计、风表及其它测试工具实测了2501工作面进风系统风流的大气热物理参数变化情况,在此基础上对2501综采工作面的热源进行了定量分析,为矿井制定人工降温措施提供了依据。     

高海拔超深井原岩温度变化分析

为了研究云南某地下矿山的原岩温度变化,运用浅孔测温法测定该矿深部主要开采水平的原岩温度。结果表明:由于该矿的地理位置及裂隙水的影响,1 274m及上部水平原岩处于吸热状态,且原岩温度和对流换热系数随采深的增加呈不断升高的趋势。1 274m水平原岩温度与巷道气温相差不大,吸热量较小,924m水平受采动影响较小,因此更接近原始围岩结构,属于放热源。在后续深部开采过程中应注意进一步控制热害。     

热管充液率对高温煤堆内部温度场的影响分析

为了研究热管充液率对热管散热性能及高温煤堆内部温度场的影响,采用实验的方法研究热管插入高温煤堆后煤堆内部的温度场变化,在75～25℃内分析了热管不同充液率条件下煤堆内部高温点的降温速率,研究了热管对煤堆内部温度场的影响。研究结果表明：热管可以有效地破坏煤堆内部蓄热环境,其作用效果可分为3个阶段,分别为大幅降温阶段、过渡阶段、稳定阶段;充液率对热管的传热性能有明显影响,热管充液率为40%时,煤堆内部高温点的降温速率最大为9.92℃/h,充液率为10%、30%时热管传热能力次之,充液率为20%时热管传热能力最差;热管对煤堆内部3个水平面温度场的影响有显著差异,在上水平面和中水平面主要依靠热管管壁传热,在下水平面主要依靠热管工质相变传热。