小纪汗煤矿矿井通风对煤壁自燃影响研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 coal spontaneous combustion of isolated coal pillar in 11212 working face was simulated by using fluent simulation software. The results show that under the conditions of 433.89Pa coal pillar differential pressure and 1m2 fracture channel, the CO concentration reaches 1000ppm, and the coal wall of coal pillar spontaneous combustion occurs. Finally, according to the influencing factors of coal spontaneous combustion conditions differential pressure 433.89Pa, crack rate 0.013 and moisture 11.4316.31, the spontaneous combustion risk area was predicted and early warning was carried out in Xiaojihan coal mine. Only 11212 working face withdrawal channel isolated coal pillar was obtained in the high-risk area. According to the division of coal spontaneous combustion stage, the spontaneous combustion stage of Xiaojihan mine spontaneous combustion coal wall was judged, and the grouting technology of grouting was selected After the implementation of the gas concentration detection results show that the coal wall spontaneous combustion prevention effect is significant, there will be no coal spontaneous combustion. Key words Mine ventilation; spontaneous combustion of coal wall; numerical simulation; predictive control technology Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 通风阻力测定方法研究现状 ........................................................................... 2 1.2.2 矿井通风软件研究现状 ................................................................................... 3 1.2.3 煤自燃模拟实验研究现状 ............................................................................... 4 1.2.4 煤炭自燃预测研究现状 ................................................................................... 5 1.2.5 存在的问题 ....................................................................................................... 6 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线图 ....................................................................................................... 7 2 矿井通风阻力测定与自然分风模拟 .................................................................................... 8 2.1 矿井通风阻力测定内容及方法 .................................................................................. 8 2.1.1 矿井通风阻力测定内容 ................................................................................... 8 2.1.2 巷道通风阻力测定方法 ................................................................................... 9 2.1.3 矿井通风阻力测定参数的计算 ..................................................................... 10 2.2 矿井通风阻力计算及结果检验 ................................................................................ 12 2.2.1 测定参数及其计算结果 ................................................................................. 12 2.2.2 测定精度检验 ................................................................................................. 12 2.2.3 通风阻力分布合理性 ..................................................................................... 14 2.3 矿井通风系统自然分风模拟 .................................................................................... 16 2.3.1 矿井通风网络模型 ......................................................................................... 16 2.3.2 通风网络基本参数 ......................................................................................... 18 2.3.3 矿井主要通风机性能参数 ............................................................................. 18 2.3.4 解算结果 ......................................................................................................... 20 2.3.5 矿井通风模拟结果分析 ................................................................................. 23 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 24 3 小纪汗矿 2煤自燃特性实验 .............................................................................................. 25 3.1 实验原理及装置 ........................................................................................................ 25 3.1.1 实验原理 ......................................................................................................... 25 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.1.2 实验装置 ......................................................................................................... 25 3.2 小纪汗矿煤样实验条件 ............................................................................................ 26 3.3 实验结果及数据分析 ................................................................................................ 26 3.3.1 实验结果 ......................................................................................................... 26 3.3.2CO、CH4、C2H6和 C2H4气体的规律分析 ................................................... 29 3.3.3 耗氧速度及气体产生率分析 ......................................................................... 31 3.3.4 临界温度和干裂温度 ..................................................................................... 35 3.4 不同粒径煤样自燃规律 ............................................................................................ 36 3.4.1CO 浓度规律分析 ........................................................................................... 36 3.4.2CH4浓度的律分析 .......................................................................................... 36 3.4.3 耗氧速度规律分析 ......................................................................................... 37 3.5 本章小结 ................................................................................................................... 38 4 隔离煤柱两端差压与煤自燃仿真模拟 .............................................................................. 39 4.1 煤柱自燃概述 ............................................................................................................ 39 4.1.1 煤柱自燃条件 ................................................................................................. 39 4.1.2 煤柱自燃机理 ................................................................................................. 39 4.1.3 煤柱自燃原因 ................................................................................................. 40 4.2 煤柱自燃煤柱模型的建立 ........................................................................................ 41 4.2.1 模型的构建及网格划分 ................................................................................. 41 4.2.2Fluent 渗流扩散数学模型 ............................................................................... 42 4.2.3 边界条件设置 ................................................................................................. 44 4.3 煤柱煤自燃模拟分析 ................................................................................................ 46 4.3.1 基本假设 ......................................................................................................... 46 4.3.2 煤柱 CO 浓度分布规律数值模拟 ................................................................ 46 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 48 5 煤自燃区域预测与防治技术 .............................................................................................. 49 5.1 煤自燃区域预测 ........................................................................................................ 49 5.1.1 水分对煤自燃的影响 ..................................................................................... 49 5.1.2 压差和裂隙率对煤自燃的影响 ..................................................................... 50 5.1.3 小纪汗矿煤自燃区域预测 ............................................................................. 51 5.2 煤自燃分级预警 ........................................................................................................ 52 5.2.1 自然升温气体浓度分析 ................................................................................. 52 5.2.2 煤自燃阶段划分及分级预警 ......................................................................... 54 万方数据 目录 III 5.2.3 小纪汗矿煤自燃阶段划分及预警 ................................................................ 55 5.3 煤自燃灾害防治技术 ................................................................................................ 56 5.3.1 煤自燃发火防控技术 ..................................................................................... 56 5.3.2 小纪汗矿煤自燃防治 ..................................................................................... 56 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 57 6 结论 ...................................................................................................................................... 59 6.1 结论 ............................................................................................................................ 59 6.2 展望 ............................................................................................................................ 60 致谢 .......................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附录 I ........................................................................................................................................ 67 附录 II ...................................................................................................................................... 74 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 1.1.1 选题背景 我国能源表现为 “富煤、 贫油、 少气” 的特点， 决定了在今后相当长的一段时间内， 煤炭依然是支撑我国经济中高速平稳发展的主要能源。 由于煤矿生产作业的复杂性和多 变性，使得煤矿事故及伤亡人数在各行业中较为显著。整理了 2010 年至 2019 年的全国 煤矿事故[1, 2]，统计见表 1.1。 表表 1. .1 2010－－2019 年全国煤矿事故统计表年全国煤矿事故统计表（不完全统计）（不完全统计） 事故类别 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 特别重大事故 起数 2 1 1 1 0 0 2 0 0 0 死亡 人数 66 35 48 36 0 0 65 0 0 0 重大事故 起数 11 13 10 13 10 5 4 6 2 6 死亡 人数 180 107 145 226 114 85 56 77 34 54 较大事故 起数 74 52 50 32 25 23 12 17 17 16 死亡人数 347 252 239 156 97 104 49 75 69 76 由表 1.1 可知，近 3 年间未发生特别重大事故，且在 2010 年至 2019 年间较大事故 与重大事故的起数和死亡人数总体均呈下降趋势。2019 年煤矿的百万吨死亡率降到了 目前的最低点 0.083，且北京、福建等地也未发生煤矿事故，但在 10 月之后，煤矿事故 出现了较大的反弹，接连发生了 10 起较大以上事故。尽管近年来国家对煤矿的安全管 理成效显著，但矿井安全生产问题依然严峻。 在煤矿生产系统中，矿井通风系统的地位不容置疑。合理稳定的通风不仅能为井下 提供新鲜的风流，排除 CO、CH4等有害气体，保证井下人员的生命安全，而且可以有 效地降低危险区域温度，防止煤自燃的发生[3]。社会的加速发展让煤矿的开采任务不断 加重，随着井下开采强度的增加，开采环境变得越来越复杂，通风系统担负着重任。科 学技术的研究进步使得井下开采实现了部分智能化， 煤矿对矿井通风系统安全性的要求 也越来越高。为了便于管理和节约成本，所有的通风系统都应该简单且合理。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 1.1.2 研究意义 通风系统的正常运行能够为井下提供新鲜空气， 排除自然赋存的或煤氧复合反应生 成的有害气体和煤尘等，适当的风流还可以降低自燃危险区域的温度，避免能量积聚， 预防煤自燃的发生。小纪汗煤矿井下 11212 工作面回撤通道处的隔离煤柱（即“11212 隔 离煤柱”，下同）出现了煤壁漏风的不良通风状况，使得在 2018 年的一天里煤柱煤壁发 生了自燃冒烟现象，当有效的治理了煤柱的漏风情况后，煤壁不会再发生煤自燃。因此 对小纪汗矿进行通风系统的安全性研究和煤壁自燃特性研究可以预先发现系统中存在 的问题，及时地对危险区域进行综合治理，使得矿井通风系统安全合理的运行，保证矿 井的安全生产。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 通风阻力测定方法研究现状 矿井通风阻力测定是对矿井安全性分析的基础， 任何煤矿井下的研究都需要进行阻 力测定，因此对阻力测定[4]的研究尤为重要。在以往阻力测定的研究主要集中于测量方 法及测量误差，测量方法分为倾斜压差计法和气压计法，前者因其获取数据的复杂性使 得在测量时应用较少，而后者在根据其测量计算的原理发展出了气压计基点测定法、气 压计同步测定法。测量误差[5]的研究是广大学者的主流方向，一是通过研发更加先进、 更加精密的测量仪器，以提高测量数据的精度，降低测量仪器本身产生的误差对于仪器 精度的影响，二是针对使用测量仪器测量时出现的偶然误差和由人产生的人为误差，采 用平差方法来处理。首次使用平差方法处理矿井通风阻力测定的是戚颖敏[6]，他在上世 纪 80 年代初提出了减少矿井通风阻力的相关概念，他认为采用最大相关似然理论可以 降低矿井测定通风阻力的数据误差，得出了较为准确的矿井通风阻力的测定方法；王省 身[7]在人为误差对阻力测定影响的研究过程中，根据平差方法的原理提出了测量平差模 型；在 1992 年，王省身和同事陈开岩[8]利用 Chauvenet’s criterion 剔除了错误数据，减少 了粗大误差对测定数据的影响；吴世跃[9]对阻力测定值及实测值的可靠性进行了研究， 将不闭合差值合理的分发给每个实测值，并确定了判断阻力测定有效因素；2002 年，陈 开岩与陈发明[10]研究分析了气压计基点测定法和同步测定法、压差计法，提出了一种可 用于阻力测定平差的有效方法， 即综合利用阻力测定方法的原理分析处理数据并编制了 相应的解算软件； 2008 年， 安徽理工大学的杨应迪[11]教授仔细分析对比了阻力测定平差 计算方法，吸取了前人利用平差处理测量误差数据的有益经验，通过建立通风阻力解算 处理模型设计出了一个数据处理软件；2008 年相关的科研机构对于矿井通风阻力测定 进行了标准化研究， 该标准系统是在矿井通风阻力测定过程中的各个环节进行了规定[12]。 万方数据 1 绪论 3 2012 年， 闰运提出了利用数学方程式来处理测量数据， 即使用回归方程来降低测量误差。 在计算机普及后，通风阻力测定及测量数据的处理方法快速发展。根据平差方法建 立模型，然后通过计算机设计各种模拟软件对测量数据进行处理解算。严俭祝对于矿井 通风阻力测定模型进行了深入的研究，提出了一种通风阻力测定方法，即采用风量平衡 平差的方法构建通风阻力测定模型，通过计算机对于通风阻力数据进行处理，减少了在 测定过程中的数据误差，使监测的数据更为精准[13]。目前，针对测量平差及通风解算使 用计算机开发方式有 3 种①采用 CAD 软件，将矿井通风网络图输入到 CAD 中；② 利用程序语言进行通风网络监测系统进行开发，其工作方式是独立于 CAD 的；③利用 GIS 软件[14, 15]对矿井通风监测系统进行开发。而未来通风网络解算软件将会发展为综合 性的通风管理软件[16]。 1.2.2 矿井通风软件研究现状 通风系统的安全性与可靠性是矿井安全生产的重中之重[17]， 如何评估矿井通风的安 全性与可靠性是该系统能够实时反映矿井通风实际情况的关键点。因矿井生产的需要， 矿井通风系统的参数设计较多、变化较快，仅靠人工计算来获取各项参数值变得相当繁 琐，且根据计算结果很难明确判断通风系统的具体情况，基于此，矿井通风软件应运而 生。1953 年，数字计算机技术正式应用于矿井通风网络分析，在此之后，世界各国学者 对矿井通风软件进行了大量的研究，涵盖了通风软件的功能、能够解决的矿井通风问题 以及通风软件的开发平台等。 1953 年，国外学者 Scott[18]和 Hinsley 首次通过计算机开发的方式软件来分析矿井 通风阻力问题，为矿井通风系统的研究拉开了新篇章。 1967 年，Wang 和 Hartman[19]通过对于新型矿井通风阻力测定技术的研究，开发出 了立体的矿井通风网络程序，包含了多种分风方式的通风系统模拟，使得矿井通风软件 的研究步入了更加成熟的阶段。 1974 年，Stefanko 和 Ramani 对于通风系统的气体浓度进行了研究，对其进行了数 值模拟，并与真实情况进行对比，总结出了经验公式。 1981 年，Greue 分析了井下发生火灾的实际情况及对通风系统参数的影响，对矿井 火灾进行了燃烧情况和系统污染物的模拟。 1991 年， 张惠忱[20]对于矿井通风系统的阻力测定进行了大量的研究， 为矿井通风系 统的研究提供了技术支持。 1992 年， 赵以蕙[21]将采空区看作是多孔介质， 并假设风流在介质的流动是过渡流， 瓦斯在介质中的扩散符合 Fick 定律，以此使用 Fortran77 语言数据库建立了稳态条件下 的数学模型。 1993 年，刘剑[22]使用 FortranCAD 系统对矿井通风系统进行了模拟，该软件可以绘 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 制二维和三维采场图、采场等压线图及等压面图等。 2004 年，段东[23]和题正义[24]针对通风系统的实时性，提出了一种解决系统实施监 测问题的方法，并构建了通风仿真系统；李钢和陈开岩[25, 26]按照通风风量的计算方法和 实践经验公式，利用 VC6.0 开发出了能够计算井下通风过程中需要风量大小的软件， 技术人员可以根据这个软件对通风系统进行改进和管理。 2012 年，中国矿业大学的张苏和王金贵[27, 28]利用日本井上雅弘[29]博士提出的三大 定律和参数等构建了一种新型矿井通风解算模型， 该模型通过风压平衡定律来对初拟回 路的错误风量进行迭代修正，模拟出了接近实际的矿井通风情况，并进行了现场验证。 2016 年，齐睿琛[30]和徐景德[31]在 WINDOWS 操作系统中使用 MATLAB 软件和 VisualC编程开发了矿井通风网络解算软件， 并对王家岭煤矿通风系统进行了应用， 为 系统的优化提供了参考。 2019 年， 中煤科工梁军和张庆华[32]为了解决矿井局部通风管理薄弱的问题， 通过三 维仿真技术对于矿井通风网络进行了设计， 该设计包含了矿井通风网络的框架、 功能等， 并实际应用于山西霍尔辛赫煤矿，实现了井下风流的实时模拟、通风异常时的实时报警 等功能。 综上所述，可以得知在国外最有影响的两款矿井通风网络解算软件是 MinTech、 DataMine，而国内计算机技术在矿井通风问题方面应用的越来越广泛，可以更加真实的 模拟矿井通风系统的实际运行情况。 1.2.3 煤自燃模拟实验研究现状 煤自燃是一个持续升温的煤氧复合反应过程， 其中涉及到煤的物理变化及各种煤氧 化学反应，在反应的不同阶段会有不同的反应气体生成。为了更好的对煤自燃反应进行 研究，需在实验过程中监测气体浓度，以此来分析煤自燃过程。国内外学者使用不同的 方式对其进行了研究。 P.Lu[33]通过对煤自燃进行程序升温模拟过程，获取了煤自燃低温氧化指标气体 CO 和 CH4。 刘璐[34]在低温条件下模拟了煤自燃发火实验，研究实验过程及实验数据可知a在 煤温 32～50℃以下时，CO2与 CO 的比值极大；b当温度达到 65～75℃时，需增加分量 来维持煤温的升高；c煤温超过 95～115℃后，反应速度激增，很快达到了燃点；d煤温 升高到 245～280℃时，供风量的增加会使升温速度下降。 戴广龙[35]在计算机上对不同温度下的样品煤样作差谱分析， 根据获取的差谱图可以 明显的看出煤在不同温度的结构信息。 王继仁[36]对于煤氧复合的产物进行了大量的研究，使用密度泛函 B3LYP 方法对反 应势能的几何构型进行了优化，并根据频率分析法和 IRC 法验证了过渡态，可知煤反应 万方数据 1 绪论 5 生成水的过程是自发式反应。 杨永良[37]对于不同煤种的煤自燃程度进行了研究， 并对煤自燃过程官能团变化情况 进行了探讨。结果表明易燃与不易燃煤样在实验前后的芳香烃、酰氨、含氧官能团和 脂肪烃差异较大。 何启林[38]利用 FTIR 分析技术分析了煤与氧气反应的产物变化规律，并研究了煤氧 复合过程中官能团的变化情况，确定了煤的氧化能力，并对该方法进行了现场验证。 Vanvuka D、Woodburn[39]等分析了煤的热重实验数据，提出了一种煤球颗粒燃烧数 学