大范围采空区灾害预警与防治技术研究.pdf

分类号分类号 X936 密密 级级 公公 开开 UDC 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 大范围采空区灾大范围采空区灾害害预警与防治预警与防治技术技术研究研究 李李 凯凯 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业名称专业名称安全技术及工程安全技术及工程 指导老师姓名指导老师姓名 曹庆贵曹庆贵 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二零一二二年年六六月月 论文题目论文题目 大范围采空区灾害大范围采空区灾害预警与防治预警与防治技术技术研究研究 作者姓名作者姓名 李凯李凯 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称专业名称 安全技术及工程安全技术及工程 研究方向研究方向灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师 曹庆贵曹庆贵 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2012年年 6月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2012年年 6月月 3日日 授予学位日期授予学位日期 2012年年 6月月 25日日 RSEEARCH OF THE DISASTER EARLY-WARNING AND PREVENTION TECHNOLOGY OF THE LARGE GOAF A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Kai Supervisor Cao Qinggui College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 作为我国的主要能源，在今后较长一段时间内，煤仍将占有重要地位。煤炭工业承 载着重要的历史任务，它关系到我国的经济的发展、社会的进步和民族的振兴。进入二 十世纪末期，特别是 90 年代后，矿井生产的发展向着高产、高效、集约化等几个方面靠 拢，致使更多的煤遗留在采空区，从而导致采空区存在更大的发生自燃发火的危险性跟 瓦斯爆炸灾害的危险性。虽然矿井生产能力得到了提高，但是危险性的增加严重地威胁 着生产人员的生命财产安全，使煤炭工业的可持续发展受到了阻碍，增加了社会的不稳 定性因素。 本文针对存在自燃发火与瓦斯危险的大范围采空区，对其自燃状况（自燃标志气体 和温度等） 、瓦斯状况、周边通风状况等开展调查研究，并对其致灾机理、特别是瓦斯与 自燃灾害机理开展深入分析与理论研究，为大范围采空区的灾害评价、预测与防治提供 理论基础；通过应用光纤煤矿采空区在线监测系统，对采空区内部与灾害相关的信息进 行实时监测，并对所监测到的信息进行分析处理；运用专业软件对大范围采空区内部的 流动场进行模拟，找出大范围采空区内部的流场规律；结合在线检测系统的监测结果， 采用指数评价法对大范围采空区进行自燃危险性专项评价与瓦斯危险性专项评价；在确 定大范围采空区危险性预警指标、等级、规则及预警信号的基础上，将采空区危险性专 项评价结果转化为相应的预警信号进行发布；最后，结合采空区内部流场分布规律、大 范围采空区自燃危险性专项评价结果、瓦斯危险性专项评价结、及相应的预警信息，建 立大范围采空区灾害防治综合技术体系。 关键词关键词大范围采空区，灾害防治，危险评价，在线监测，预测预报 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Coal is the main energy source in China; in the next few decades, the coal will still occupy an important position in the primary energy structure. The coal industry bears the historic responsibility of economic development, social progress and national revitalization. Since 1990s, mine production is progressively to high yield and intensive development. This kind of development trend lead to Leads to a negative effect, there were more coal left in the goaf. With more coal in the goaf, the seriousness and danger of spontaneous combustion and gas explosion increased. This situation has a serious threat to people’s life property safety, hindering the sustainable development of the coal industry and affect social stability. For the existence of spontaneous combustion and gas explosion in goaf, it’s spontaneous combustion situation spontaneous combustion mark gas and temperature, etc., the gas situation and the surrounding ventilation conditions has been investigated and studied. The disaster-causing mechanism, especially of gas and spontaneous combustion disaster mechanism carry out in-depth analysis and theoretical research. The results of research and analysis provide a theoretical basis for the goaf hazard assessment, prediction and prevention. With the using of the Online Monitoring System of Big Goaf in Coal Mine, the disaster-related ination inside the goaf was real-time monitoring. Using simulation software to simulate the internal flow field of the big goaf and obtained the distribution law of the internal flow field. Combined with monitoring results of the online monitoring system, special safety uation of spontaneous combustion risk and gas risk was carried on by using index . Based on identify early-warning index, rating, rules and warning signals of the big goaf risk, release the warning signals coming from the results of the special safety uation. Finally, combined with the interior goaf flow field distribution rule, the results of the spontaneous combustion risk special uation, the results of the gas risk special uation, and the corresponding warning ination, establish the integrated technology system of disaster prevention of the big goaf. Keywords Big goaf, Disaster prevention, Hazard assessment, On-line monitoring, Prediction 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出 ....................................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................................. 2 1.3 研究内容与技术路线 ..................................................................................................................... 5 2 大范围采空区危险因素与致灾机理分析大范围采空区危险因素与致灾机理分析 ................................................................. 7 2.1 大范围采空区瓦斯异常涌出分析 .............................................................................................. 8 2.2 大范围采空区自燃发火分析 ....................................................................................................... 9 2.3 本章小结 ......................................................................................................................................... 14 3 大范大范围采空区状态监测及数值模拟围采空区状态监测及数值模拟 ........................................................................ 15 3.1 大范围采空区瓦斯与自燃状态监测 ....................................................................................... 15 3.2 大范围采空区流场数值模拟 ..................................................................................................... 24 3.3 本章小结 ......................................................................................................................................... 33 4 大范围采空区危险评价及预警技术大范围采空区危险评价及预警技术 ........................................................................ 34 4.1 危险评价方法及其选用 .............................................................................................................. 34 4.2 大范围采空区煤炭自燃危险性评价 ....................................................................................... 36 4.3 大范围采空区瓦斯危险性评价 ................................................................................................ 39 4.4 大范围采空区瓦斯与自燃预警 ................................................................................................ 41 4.5 本章小结 ......................................................................................................................................... 42 5 大范围采空区灾害预警防治技术的实施大范围采空区灾害预警防治技术的实施 ............................................................... 43 5.1 大范围采空区灾害预警防治技术体系 ................................................................................... 43 5.2 均压通风 ......................................................................................................................................... 43 5.3 可靠、稳定的矿井通风系统 ..................................................................................................... 45 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.4 针对性的灾害治理措施............................................................................................................... 46 5.5 经济合理的常规防治措施 .......................................................................................................... 48 5.6 采空区灾害的预测预报............................................................................................................... 50 5.7 本章小结 .......................................................................................................................................... 53 6 结论与展望结论与展望 ....................................................................................................................... 54 6.1 结论 ................................................................................................................................................... 54 6.2 展望 ................................................................................................................................................... 55 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 56 攻读学位期间取得的科研成攻读学位期间取得的科研成果果 ...................................................................................... 57 参考文献参考文献 ................................................................................................................................ 58 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction ............................................................................................................................ 1 1.1 The backgorund of the research ............................................................................................................. 1 1.2 Current rsearch at home and abroad ....................................................................................................... 2 1.3 Research content and s ............................................................................................................... 5 2 Risk Factors and Disaster-causing Mechanism Analysis .................................................... 7 2.1 Abnormal gas emission analysis ............................................................................................................ 8 2.2 Spontaneous combustion analysis .......................................................................................................... 9 2.3 Summary .............................................................................................................................................. 14 3 Condition Monitoring and Numerical Simulation ............................................................ 15 3.1 Condition monitoring of the goaf ......................................................................................................... 15 3.2 Numerical dimulation of the goaf ........................................................................................................ 24 3.3 Summary .............................................................................................................................................. 33 4 Risk Assessment Early-warning Technology ..................................................................... 34 4.1 Risk assessment and selection ................................................................................................. 34 4.2 Assessment of coal spontaneous combustion hazard ........................................................................... 36 4.3 Assessment of gas hazard ..................................................................................................................... 39 4.4 Early-warning of gas hazard and spontaneous combustionhazard ....................................................... 41 4.5 Summary .............................................................................................................................................. 42 5 Application of Hazard Early-Warning and Prevention .................................................... 43 5.1 Hazard early-warning and prevention technology system ................................................................... 43 5.2 Pressure balancing ventilation system .................................................................................................. 43 5.3 Reliable, dteady ventilation dystem ..................................................................................................... 45 5.4 The targeted disaster preventive measures ........................................................................................... 46 5.5 Economic and reasonable routine preventive measures ....................................................................... 48 5.6 Prediction and early-warning ............................................................................................................... 50 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.7 Summery .............................................................................................................................................. 53 6 Conclusion and Expectation ................................................................................................ 54 6.1 Conclusion ............................................................................................................................................ 54 6.2 Expectation ........................................................................................................................................... 55 Thanks ...................................................................................................................................... 56 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Dissertation ........... 57 Main Reference Documents ................................................................................................... 58 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出课题的提出 作为基础能源和原料，煤炭在我国国民经济中的作用是战略性的，在短时期内不可 被替代的。在上个世纪六十年代之前，在我国能源的生产与结构消费中，煤炭所占得比 例非常高，基本保持在 90以上。至上世纪七十年代至八十年代，煤炭在我国能源生产 和结构消费中的比例逐渐下降到 80以下，其中在 1976 年时，更是降到了 70以下。 八十到九十年代，基本保持在 75以上[1]。作为我国基础产业之一，煤炭在国民经济中 的地位和作用是非常重要的，其在一次能源中的重要地位仍要持续一个比较长的时期。 伴随着煤炭工业快速、有序地发展，安全问题一直困扰着许多的煤炭生产企业。各 个企业生产环境不同、技术装备及生产方式不同、管理水平参差不齐，受到这些因素的 影响和限制，我国煤矿事发生次数故居高不下，伤亡重大，并且经济损失也很大，重特 大伤亡事故发生频率较高，严重威胁了人民的生命安全，并给国家造成了不可估量的损 失[2]。 二十世纪 90 年代后， 随着高产高效集约化发展在全国煤矿中的开展， 导致采空区遗 煤较多，这样就增加了采空区发生自燃发火以及瓦斯爆炸的危险性、严重性和危害性。 近年以来，许多瓦斯爆炸事故与煤尘爆炸事故都是由自燃火灾诱发的，瓦斯、煤尘事故 严重地威胁着人民的生命财产安全，增加了社会的不稳定因素，使煤炭工业的可持续发 展受到严重阻碍。大量优质的煤炭因为自燃的原因而白白损失掉，损失量不能得到有效 控制，达到了 20003000 万吨/年，而且由于煤炭自燃导致的工作面停产甚至封闭，进一 步降低了煤炭开采率，造成资源呆滞，数量达到了 2 亿吨/年；每年由煤炭自燃造成的经 济损失更是达到了数十亿元之巨。在煤矿安全生产存在的重大灾害中，矿井火灾仍然是 最主要的方面；尤其是在综采、综放等高产高效工作面采空区，更加容易发生煤的自燃。 另一方面，矿井瓦斯事故也严重威胁着矿井的安全生产。一旦发生瓦斯灾害，将造 成巨大的人员伤亡，使矿井生产设备遭受巨大损失，使生产中断，而且容易引发煤尘爆 炸等其他的二次灾害，使灾害后果进一步扩大。在深部开采的煤矿中，由于井下温度较 高，使得瓦斯爆炸灾害与自然发货灾害更加容易相互影响，致使两种危害的后果及发生 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 概率均大大增加。 唐口煤业有限公司现开采的 2309 工作面为深部开采， 存在矿井温度高温的危险， 并 且其瓦斯涌出不规律，这就大大增加了发生自然发火及瓦斯爆炸灾害的危险性，因此本 文的研究具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 煤炭自燃发火机理煤炭自燃发火机理 研究煤炭自燃发火机理，其目的是为了确定影响自燃的因素，了解煤炭自燃的初始 条件，明确自燃过程，查明反应物、生成物的变化规律等。对煤炭自燃机理的研究自十 七世纪即已经开始，到目前为止，多种煤炭自燃学说被提出，在这其中主要有以下几种 黄铁矿致因、细菌致因、酚基致因以及煤氧复合等[3]。 （1） 黄铁矿作用学说 该学说认为，触发遗煤低温氧化的初因是煤层中含有的黄铁矿，由于漏风的作用， 使得黄铁矿得以与水和氧气发生化学反应，再加上散热条件达不到降低温度的作用，在 这几个条件的影响下，造成遗煤热量积聚，当温度达到一定限度时导致自燃的发生，该 学说的提出最早可追溯到十七世纪，由由英国科学家 Plot 和 Berzelius 首先提出[4]。 （2） 细菌作用学说 英国科学家 Potter.M.C.最先提出了细菌作用导致煤自燃，以后相继有很多学者对该 学说进行了进一步的研究，该学说的观点是触发煤体自热的最初因素是发酵放热造成 的，该发酵过程由煤体中存在的细菌微生物造成，同时，该学说还认为细菌发酵放热也 是最关键的因素[4]。 （3） 酚基作用学说 该学说最早由前苏联学者提出，该学说认为空气中的氧与存