采空区煤自然发火与瓦斯爆炸耦合机理研究

根据采空区遗煤自燃升温的阶段性特征,以定容反应器为模型,借助数值模拟软件CHEMKIN模拟煤自燃缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化3个阶段瓦斯爆炸前后反应时间、压力及中间产物的变化情况,从微观机理层面对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合关系进行了研究。数值计算结果显示,煤自燃缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用;加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用;激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为略微促进作用。     

采空区煤自燃阶段特性与瓦斯爆炸的动力学关系研究

为探究采空区遗煤自燃阶段特性与瓦斯爆炸的动力学关系,针对采空区遗煤自然发火三个阶段的不同特点,以定容反应器为模型,采用数值计算软件CHEMKIN模拟了自然发火不同阶段不同工况下,瓦斯爆炸前后关键反应基元步及爆炸时间的变化。计算结果对比分析表明:缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用;加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现较为复杂;激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用。同时,数值计算结果与实验室测试结果基本一致。     

林南仓矿煤自燃氧化特性研究

为研究林南仓矿煤的自燃氧化特性,从不同煤层、不同采区采取典型煤样8个,分别进行了煤的自燃倾向性和煤升温模拟氧化实验。实验结果显示,该矿8个煤样分别为Ⅰ类容易自燃和Ⅱ类自燃,自燃危险性较高。该矿煤在常温下就具有很强的氧化能力,并产生CO气体。根据煤低温氧化过程产生的气体量以及气体浓度的变化规律,将自燃氧化过程划分为缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化3个阶段,并确定了温度范围,为指导煤层自燃火灾防治提供了依据。     

煤自然发火预测预报指标气体分析

进行了煤的升温氧化实验,通过分析煤氧化释放气体随煤温变化规律,确定煤自然发火预测预报的指标气体。根据各指标气体随煤温变化规律进一步研究得出各指标气体的预报范围并将煤的自燃氧化划分为三个阶段:缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段,同时给出了各氧化阶段的温度范围。     

基于灰色关联法的煤自燃标志气体分析与优选

针对吉宁煤矿2号煤层自燃预测指标不清的问题,借助于煤升温氧化装置进行了煤氧化—热解实验,分析了吉宁煤矿2号煤层煤氧化—热解气体的产生规律。运用灰色关联分析法,计算并优选了加速氧化阶段可信度较高的标志气体。获得了吉宁煤矿2号煤层煤自燃的复合预测指标,即缓慢氧化阶段以CO为主,加速氧化阶段以C2H4为主,激烈氧化阶段以C2H2为预测的主指标。     

急倾斜薄煤层采空区煤自燃和瓦斯爆炸危险区域分布特征

为提高急倾斜煤层伪斜开采条件下瓦斯与煤自燃综合防治效果,基于煤自燃"三带"划分标准和瓦斯爆炸三角形,建立采空区自燃"三带"分布的数学模型,利用COMSOL Multiphysics5.2模拟软件,对东林煤矿3409工作面采空区孔隙率、气体浓度、温度等参数进行模拟分析。结果表明:采空区上部孔隙率较大,下部除回风巷道边缘处较大外,其他区域孔隙率相对较低;氧气浓度结合漏风速度共同划分氧化带范围为:在进风侧氧化带宽23.2 m,在回风侧宽37.6 m,高温区域主要集中在回风侧、采空区的下部距离工作面较近区域;采空区上部瓦斯浓度相对较低,下部瓦斯浓度相对较高;瓦斯爆炸危险区域为中间工作面支架处区域范围为爆炸危险区域。     

采空区遗煤氧化标志性伴生气体对瓦斯爆炸的影响

为了研究采空区遗煤氧化过程中标志性伴生气体对瓦斯爆炸的影响,通过对煤样进行试验测定,确定遗煤升温不同阶段的标志性伴生气体。基于动力学模型CHEMKIN中Senkin的GRI 3.0甲烷燃烧反应机理,在定容条件下设定加速、激烈氧化2个阶段瓦斯与标志性伴生气体体积分数,模拟计算瓦斯爆炸温度、压力、中间产物及关键反应步敏感性系数。结果表明:随着标志性伴生气体体积分数的增加,在加速氧化阶段,爆炸时间提前了约0.003 0 s,爆炸压力及温度分别升高了约0.012 MPa和30 K;在激烈氧化阶段,爆炸时间提前了约0.000 2 s,爆炸压力升高了约0.007 MPa,两阶段自由基OH体积分数均逐渐降低,促进甲烷生成的关键反应步敏感性系数降低幅度均较大,即促进了瓦斯爆炸。     

煤炭自然发火预测预报的气体指标法

通过中国八大典型煤种煤样的自然发火模拟试验,对煤样氧化自燃气体产物进行了定性和定量分析,得出了各煤种从缓慢氧化阶段发展为加速氧化阶段的灵敏气体指标为:褐煤、长焰煤、气煤、肥煤以烯烃或烯烷比为首选,以一氧化碳及其派生指标为辅;而焦煤、贫煤和瘦煤则以一氧化碳其派生指标为首选,乙烯或烯烷比为辅;无烟煤和高硫煤唯一依据是一氧化碳及其派生指标.乙炔是煤进入激烈燃烧阶段的指标.研究提出了煤自然发火标志气体指标体系应至少包括自热加速和激烈燃烧2个阶段的主要指标,前一个指标是火灾危险预警指标,后一个指标是明火报警指标,同时也可以作为自然发火熄灭程度指标.     

基于知识图谱的煤矿热动力灾害可视化研究北大核心

为探究煤矿热动力灾害的研究动态,基于信息可视化的角度,以2002—2021年间CNKI数据库中已发表的2845篇该领域相关论文为数据源,利用CiteSpace对发文量、作者、机构、关键词等进行科学计量分析。研究表明:煤矿热动力灾害的研究总体呈缓慢增长、稳步增长、稳定发展3个阶段;邓军、王德明、余明高、文虎等学者为该领域的主要核心作者,中国矿业大学、西安科技大学、辽宁工程技术大学、中国矿业大学(北京)等为该领域的主要研究机构;热点关键词主要聚焦于瓦斯爆炸、煤自燃、数值模拟、采空区等;该领域的研究重点主要体现在煤的自燃特性研究、煤矿瓦斯爆炸研究,其中数值模拟是重要的研究手段;目前对于煤矿热动力复合灾害和灾害监测预警方面的研究较少,今后可加强对这2方面的研究。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害防控研究

以乌兰煤矿Ⅱ020803工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践等手段对采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害防控进行研究,研究结果表明:瓦斯爆炸三角形区域主要位于工作面及沿空留巷区域,位于该区域混合气体浓度适宜,一旦遇到有足够能量的点火源时,就有可能发生爆炸。当同层位的采空区氧化带范围和可爆区域范围重合区域内遗煤发生氧化发应时,会使煤体及其周围温度升高,一旦超过CH_4着火点温度时,就会发生瓦斯爆炸。采用高位瓦斯抽放与防灭火一体化钻孔及采空区动态隔离控制技术可使工作面隅角CO浓度、CH_4浓度呈现下降趋势,可有效防控工作面瓦斯爆炸与煤自燃耦合灾害。     

煤自燃阶段性预测预报临界指标实验研究

以杭来湾煤矿3~#煤层为研究对象,采用煤自燃程序升温与色谱分析联用实验系统,对不同粒度的煤样进行氧化升温实验,测算了耗氧速率、气体产生率及放热强度等煤自燃特征参数,确定了划分煤自燃缓慢、加速及剧烈氧化阶段的临界温度值,优选了不同氧化阶段的指标气体及其临界范围,得到了C_(CO)/C_(CO_2)与Δ_(CO)/Δ_(O_2)为煤自燃进入加速氧化与剧烈氧化的临界判别指标,为杭来湾煤矿3~#煤层自燃的分级预警及科学防控提供了理论依据。     

金佳矿采空区瓦斯运移与煤自燃规律研究与实践

针对煤矿抽放采空区瓦斯和减少漏风防止采空区煤氧化自燃的矛盾,研究了开采过程中采空区瓦斯运移及遗煤氧化自燃规律。采用全面布点的方法测量工作面采空区气体成分和浓度,分析得出瓦斯运移规律和"三带冶情况;根据所得数据和分析结果,建立模型并应用FLUENT对采空区瓦斯分布状态和漏风情况进行数值模拟,得到渐变供风量下的可能自燃带范围和瓦斯涌出的变化规律,并据此得到同时满足防止瓦斯浓度超限和煤自燃要求的安全风量。     

浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放对采空区自燃“三带”的影响研究

以五虎山煤矿010908工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等手段对浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放对采空区自燃"三带"影响进行研究。研究结果表明:当瓦斯绝对涌出量与采空区漏风量处于均衡状态时,此时瓦斯对煤自燃将出现明显的耦合影响;当采空区漏风量小于瓦斯绝对涌出量时,采空区遗煤自燃将受到阻碍;与之相反,当漏风量大于瓦斯涌出量时,采空区遗煤自燃受瓦斯涌出量的影响较小;高位钻孔与工作面距离越远,采空区内部的漏风路径也越长,采空区氧化带、窒息带所处的区域越向采空区深部扩大,但靠近工作面一侧的氧化带范围并没有出现明显变化。     

采空区煤自燃引发瓦斯爆炸致灾机理及防控技术

为研究采空区煤自燃引爆瓦斯的致灾机理,提出采空区是氧浓度场、温度场、漏风强度场、瓦斯运移场等动态变化又相互耦合的4场展布形成的三维空间,理论分析了爆炸的危险耦合区域和爆炸机理。结果表明,煤自燃产生的高温可燃性气体导致爆炸危险耦合区域扩大;高温可燃性气体存在升浮-扩散效应,上升过程中与冒落岩石对流换热并卷吸周围的气体,在顶板处与岩石进一步热交换并与CH4混合形成高浓度混合气体,温度降低,混气密度相对增大,混气不断积聚导致其下位逐渐下移,同时火风压作用导致进风侧面形成负压区,涡流效应产生卷吸驱动作用加速混气下移,当混气下位处浓度和温度达到爆炸界限导致爆炸发生;最后分析了瓦斯含量对煤自燃的影响,提出高瓦斯含量与较低瓦斯含量矿井采空区分别采用胶体、三相泡沫控制煤自燃引爆瓦斯技术。     

工作面Y型通风方式下采空区瓦斯与煤自燃耦合分析

为有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题,采用数值模拟、现场试验等方法,分析采空区瓦斯与煤自燃关系及规律。一定范围内风量的增加可显著降低采空区瓦斯体积分数,工作面风速或推进速度增加均可降低采空区遗煤自然发火期,而采空区氧化带范围随着瓦斯抽采流量的增加而增加。数值模拟和现场应用结果表明,采用Y型通风及埋管抽采可有效解决马兰矿10604工作面上隅角瓦斯超限和遗煤自燃问题。     

武乡矿区多煤种低温氧化阶段特性参数研究

针对数值模拟过程中因煤自然发火导致瓦斯爆炸所需的重要基础数据不足,在试验室借助热重试验研究不同煤种质量和放热量的变化规律,得到不同煤样发生低温氧化时的温度区域。通过管式炉程序升温和色谱仪开展不同煤样产生气体分析试验,确定在不同温度时管式炉出口不同气体的含量,得到耗氧速率、CO与CO_2生成速率、放热强度与温度变化规律。试验结果证明:着火温度与煤的变质程度呈正比关系,煤的变质程度越高,发生低温氧化时温度区域越宽;温度相同时,煤的耗氧速率、CO与CO_2生成速率、放热强度与变质程度呈反比,变质程度较差的煤,更加容易发生自燃;CO产生速度高于CO_2产生速度;随着温度的升高,耗氧速率、CO与CO_2生成速率、放热强度指数关系升高;放热强度与耗氧速率呈线性关系。试验结果可用于煤发生自燃时的数值模拟和预测火区发生瓦斯爆炸危险性。     

西山矿区不同煤种低温氧化时热动力学参数研究

针对数值模拟过程中因煤自然发火导致瓦斯爆炸所需的重要基础数据不足,在试验室借助热重试验研究不同煤种质量和放热量的变化规律,得到不同煤样发生低温氧化时的温度区域。通过管式炉程序升温和色谱仪开展不同煤样产生气体分析试验,确定在不同温度时管式炉出口不同气体的含量,得到耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与温度变化规律。试验结果证明:着火温度与煤的变质程度成正比关系,煤的变质程度越高,发生低温氧化时温度区域越宽;温度相同时,煤的耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与变质程度成反比,变质程度较差的煤,更加容易发生自燃;CO产生速度高于CO2产生速度;随着温度的升高,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度指数关系升高;放热强度与耗氧速率成线性关系。试验结果可用于煤发生自燃时的数值模拟和预测火区发生瓦斯爆炸危险性。     

煤自燃全过程高温区域及指标气体时空变化实验研究

煤自燃是煤矿开采过程中诱发瓦斯爆炸灾难的主要安全隐患之一,为了研究煤自燃高温区域的动态变化规律,利用煤自然发火实验炉模拟了煤样从常温至着火点的全过程,全面分析了煤自然发火过程中高温区域、指标气体的时空变化规律,得出：① 在煤自燃过程中,高温点首先出现在低氧浓度分布区,逐步向高氧浓度分布区偏移,即高温点由离进气孔较远的上部逐渐向下部进气孔位置移动。低温阶段,高温点下移缓慢;高温阶段,高温点快速下移。煤体高温点最终停留在约为煤堆高度的3/10处;② 实验中炉内各个区域温度变化差异较大,相应区域指标气体生成速率也随之不同。实验确定了煤自氧化加速点（130 ℃）,当煤体温度达到大约130 ℃时,高温点所处的高度大约为127 cm（煤堆高度的6/10处）,各项指标气体的生成速率v急剧增大,127 cm可作为指标气体生成速率的分界线。分界线之上,v缓慢增大,指标气体产量占总量的比例极小;分界线之下,v急剧增大,指标气体产量所占总量的比例极大。     

留巷段漏风对采空区瓦斯运移规律影响的数值模拟研究

为了描述留巷段漏风对采空区瓦斯运移规律的影响,运用UDEC离散元模拟分析了采空区碎胀系数分布特征,并以CFD理论建立数值模型,采用Fluent数值模拟软件对留巷段存在漏风情况下的采空区瓦斯运移规律进行了模拟分析,并对比分析了漏风对氧化自燃带分布范围的影响。研究表明:留巷段漏风的存在加大了工作面漏风强度,加快了采空区瓦斯向深部及倾斜方向运移速度,扩大了采空区氧化自燃带宽度,增加了采空区遗煤自燃可能性。     

粒度对煤低温氧化特性的影响

煤的氧化放热是影响煤自燃的主要因素之一,为研究不同粒径下煤粉的低温氧化特性,采用差示扫描量热法(DSC),测量不同粒径下煤的低温氧化热流。结果表明,煤低温氧化过程具有明显的阶段性特征。低温下煤的氧化可以分为3个阶段,包括脱水阶段、缓慢氧化阶段和加速氧化阶段。煤氧化过程的热演化特征是先吸热再放热,较小的粒径促进了煤氧化放热。并且随着粒径减小,活化能呈现降低的趋势。因此,粒径的减小导致煤自燃趋势增加。