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论文题目综放工作面采空区遗煤自燃特性研究 专 业安全技术及工程 硕 士 生买巧利 签名 指导教师谢俊文 签名 程文东 签名 摘 要 综采放顶煤采空区内煤岩体破碎程度严重，遗煤量多，漏风严重，采空区遗煤自然 发火危险度高。 华亭矿区许多矿井采用综采放顶煤开采技术， 工作面生产设备投资巨大， 矿井生产集中，一旦发生火灾，将造成巨大的经济损失，因此，采空区遗煤自燃火灾是 各矿安全生产防控的主要灾害之一。 本文以华亭矿区的陈家沟矿综放采空区作为研究对象，采用实验研究、现场观测、 理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了采空区遗煤自然发火性质、采空区的环境特 性与自燃“三带”范围以及采空区自然火灾危险性。首先，运用煤自然发火实验，确定 了陈家沟矿煤样的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数和最短发火周期；其次，通过现 场观测，运用模糊聚类方法，对陈家沟煤矿综放工作面采空区性质进行了研究，得出采 空区内部环境特性和自燃“三带”分布范围，并进一步运用 Fluent 软件，模拟工作面供 风量对采空区自燃“三带”范围的影响，得出了不同供风量下自燃“三带”范围变化的 规律；最后，运用未确知测度理论对采空区的火灾危险性进行评价，得出了采空区发生 自燃火灾的危险等级为Ⅲ级，与真实情况相符，并运用 Matlab GUI 将其编写成可视化 的评价程序，使评价过程更加简便快捷。通过对采空区遗煤自燃特性的研究，更加精确 地确定了采空区自燃危险区域范围，明确了陈家沟矿采空区自燃火灾危险等级，为制定 以预防为主的火灾防控技术和措施提供了科学依据，对有效地控制采空区遗煤自燃，杜 绝火灾事故，使有限的防灭火资源（人、财、物）发挥最大的安全和经济效益有重要意 义。 关 键 词遗煤自燃；模糊聚类分析；“三带”划分；Fluent 模拟；未确知测度理论 研究类型应用研究 Subject Research on Coal Spontaneous Combustion Characteristic of Full-mechanized Caving Mining Face Specialty Safety Technology and Engineering Name Mai Qiaoli （（Signature）） InstructorXie Junwen （（Signature）） Cheng Wendong （（Signature）） ABSTRACT The technology of fully-mechanized top coal caving still has many unsolved problems, including degree of coal-rock mass crushing seriously, much left coal, serious air leakage, that increase the coal spontaneous combustion dangerous degree in full-mechanized caving goaf.Many mines in Hua-ting mining area adopts comprehensive mechanized caving mining technology. The investment of equipment is huge, and concentration of mine production is highly centralized. In the event of coal spontaneous combustion, it will seriously affect the production of mine, and cause heavy economic losses. This paper, taking the goaf of fully-mechanized top coal caving in Chen Jia-gou coal mine of Hua-ting mining area as research object, has used the combining s of experimental research, field observations, theoretical analysis and numerical simulation to study and analyze the properties and fatalness of left coal spontaneous combustion, and the environmental characteristics and “three-zones” of goaf, laying a foundation for safe and efficient production in working face. First of all, it has used coal spontaneous combustion experiment to determine the rate of oxygen consumption, intensity of exothermic, flammability limit parameters and shortest combustion cycle of Chen Jia-gou coal sample; Secondly, it has researched the environment characteristic of goaf through field observation and fuzzy clustering and got the internal environment characteristic of goaf and the distribution of “three-zones”, this paper furtherly has simulated the influence of air flow to the scope of spontaneous combustion three zones in goaf by using fluent software, and determine the law of change of the “three zones” scope under the different quantity of air. finally, it has used the unknown measure theory to calculate coal spontaneous combustion danger level of left coal in goaf and got the rating of goaf spontaneous combustion fire danger is class Ⅲ, which is consistent with real situation ,at the same time, it also has used Matlab GUI to write it into the visual uation program and made the uation process more convenient and quick. Based on the study of goaf coal spontaneous combustion characteristics, it has more precisely determined the goaf spontaneous combustion dangerous area, and has been clear about the fire danger rating of goaf spontaneous combustion in Chen Jia-gou coal mine. It has important significance for effectively controlling the occurrence of left coal spontaneous combustion in goaf, putting an end to the resulting fire accident, and yielding the greatest safety and economic returns on using of limited fire-fighting resources people, money, materials. Key wordsLeft coal spontaneous combustion; Fuzzy clustering analysis; “Three-zones”- Division; Fluent Simulation; Unknown easure theory Thesis Application of Study 目 录 I 目录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................1 1.1.1 研究的背景......................................................................................................1 1.1.2 研究的意义.....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................2 1.2.1 遗煤自然发火的研究现状 ..............................................................................2 1.2.2 采空区自燃“三带”划分研究现状...............................................................3 1.2.3 采空区遗煤自然发火危险性评价研究现状....................................................4 1.3 本文研究的内容和目标............................................................................................5 1.4 研究技术路线...........................................................................................................6 2 煤自然发火实验研究 .........................................................................................................7 2.1 实验原理...................................................................................................................7 2.2XK 型大型自然发火实验台结构...............................................................................7 2.3 实验条件................................................................................................................10 2.4 实验结果及数据分析..............................................................................................10 2.4.1 实验温度数据分析.......................................................................................10 2.4.2 煤自燃气体数据分析...................................................................................11 2.5 煤样自燃特性参数研究..........................................................................................13 2.5.1 耗氧速率 .......................................................................................................13 2.5.2 煤样放热强度................................................................................................14 2.5.3 煤自燃极限参数............................................................................................16 2.5.4 最短自然发火期............................................................................................21 2.6 小结.........................................................................................................................21 3 采空区自燃“三带”性质研究........................................................................................22 3.1 工作面概况.............................................................................................................22 3.2 现场试验布置.........................................................................................................23 3.2.1 测点布置 .......................................................................................................23 3.2.2 探头布置 .......................................................................................................23 3.2.3 数据读取 .......................................................................................................24 目 录 II 3.2.4 现场观测数据................................................................................................25 3.3 数据的模糊聚类分析.............................................................................................26 3.3.1 选择分析指标................................................................................................26 3.3.2 模糊聚类分析过程........................................................................................27 3.3.3 数据分析 .......................................................................................................29 3.4 采空区自燃“三带”范围划分 ..............................................................................32 3.5 巷道风量对采空区自燃“三带”性质影响..........................................................32 3.5.1 模型建立 .......................................................................................................32 3.5.2 数值模拟结果................................................................................................34 3.5.3 模拟数据分析................................................................................................37 3.6 工作面的安全推进速度.........................................................................................37 3.7 小结........................................................................................................................38 4 综放面采空区火灾危险性评价........................................................................................40 4.1 未确知测度评价模型..............................................................................................40 4.1.1 单指标测度....................................................................................................40 4.1.2 指标权重的确定............................................................................................41 4.1.3 多指标综合测度评价向量 ............................................................................41 4.1.4 置信度识别准则............................................................................................41 4.2 综放面采空区自然发火危险性评价的研究方法 ...................................................42 4.2.1 构建评价指标体系........................................................................................42 4.2.2 评价指标隶属度函数的建立.........................................................................42 4.2.3 评价结果等级划分........................................................................................49 4.3 模型的检验.............................................................................................................50 4.3.1 构建单指标测度函数....................................................................................50 4.3.2 多指标测度评价向量....................................................................................50 4.3.3 置信度识别....................................................................................................51 4.4 工程实例应用.........................................................................................................51 4.4.1 构建单指标测度函数....................................................................................51 4.4.2 多指标测度评价向量....................................................................................52 4.4.3 置信度识别....................................................................................................52 4.4.4 评价结果与分析............................................................................................52 4.5 基于 Matlab 平台的评价程序................................................................................53 4.6 小结.........................................................................................................................55 目 录 III 5 结论与展望.......................................................................................................................56 5.1 结论.........................................................................................................................56 5.2 展望.........................................................................................................................57 致谢.....................................................................................................................................58 参考文献 .............................................................................................................................59 附录Ⅰ .................................................................................................................................63 附录Ⅱ .................................................................................................................................64 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究的背景 在我国的能源结构中，煤炭占据着主要地位。由于我国石油储量有限，在我国以煤 炭为主要能源的状况将会长期持续下去。在煤炭的开采过程，我国大约有 56的矿井存 在煤自然发火危险，每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元。在井下开采煤 炭时，自燃火灾不但烧毁生产设备，冻结大量煤炭资源，甚至引起瓦斯、煤尘爆炸，而 且自燃火灾产生的大量有毒有害气体在井下巷道流动，给井下工人生命安全造成极大威 胁，严重影响了矿井的安全生产。采空区是井下煤炭最易自然发火的地点，由于遗煤高 温点位置的隐蔽性和不确定性，致使发现和采取防灭火措施滞后，浪费大量的人力、物 力，是矿井安全生产的重大隐患。因此，要实现煤矿的安全生产，采空区遗煤自然发火 问题需要亟待解决。准确地预测采空区遗煤自然发火的危险性，及时采取合理的防灭火 措施，不仅对于减少火灾与煤尘、瓦斯爆炸等事故的发生与保证煤矿的安全生产意义重 大，而且对于实现能源的可持续发展有重要的意义[1-4]。 此外，综采放顶煤技术在煤矿生产中取得了显著的技术经济效益，现已成为我国建 设高产高效矿井和进行采煤工艺改革的有效途径[5-7]。但是，通过近些年来的发展，此 项技术仍旧有一些问题尚未得到很好的解决[8,9]， 其中综采放顶煤采空区内煤岩体破碎程 度严重，遗煤量多，漏风量大，增大了综放采空区遗煤自然发火的危险程度，已严重制 约了综采放顶煤技术的进一步发展。 1.1.2 研究的意义 本论文所研究的华亭矿区，许多矿井采用综合机械化放顶煤开采技术，自燃火灾是 其各矿主要灾害之一。综放面切眼基本不放顶煤，接近停采线时也不放顶煤，工作面运 输平巷和回风平巷上部三角煤放出率低，造成采空区存在大量遗煤。由于切眼掘出后再 扩帮安装支架，矿压反复作用于顶煤，安装支架需时较长，故自燃危险性增强。在回采 前两巷顶煤破碎区已受到长时间的氧化升温，由于端头顶煤放出率低，该顶煤在采空区 垮落后，产生的丢煤带宽 5-8 米，在采空区内这两条遗煤带温度相对高于其它地点，自 然发火期缩短，自燃性增强。接近停采线时，为了撤架而不放顶煤，使得采空区产生较 大面积悬空，且遗留大量浮煤，撤架时间又较长，自燃性增强。综放面设备投资巨大， 矿井生产更为集中，若出现事故，对全矿生产影响很大，造成的经济损失重。因此，综 西安科技大学硕士学位论文 2 放面对开采的安全系数要求更高。 综上，本文以华亭矿区的陈家沟矿综放采空区作为研究对象，为了确定陈家沟矿采 空区遗煤自然发火性质、采空区的环境特性与自燃“三带”范围以及采空区自然发火等 级，本文通过自然发火实验和现场束管监测手段，运用未确知测度理论和模糊聚类方法 对采空区遗煤自燃特性进行研究， 同时利用 Fluent 软件模拟了工作面风量对采空区自燃 “三带”的影响，为合理地选取适用的防灭火技术，采取以预防为主的控制技术和措施 提供了科学依据，对有效地控制采空区遗煤自燃的发生，杜绝由此引发的火灾事故，并 使有限的防灭火资源（人、财、物）发挥最大的安全和经济效益有重要意义。 1.2 国内外研究现状 煤矿井下的火灾事故根据引火源的不同，分外因火灾和内因火灾两种。外因火灾是 指由于外来热源，如放炮、瓦斯煤尘爆炸、机电设备运转不良、机械摩擦、电流短路、 焊接火花等原因造成的火灾[11]。内因火灾又称为自燃火灾，是由煤矿井下煤体本身经过 煤氧复合放出热量，并在一定的蓄热条件下，即煤氧复合的产热速率大于向周围环境的 散热速率时，使得煤体的温度持续升高，煤体温度的升高又进一步促使煤氧复合作用的 进一步加速，最后当煤体温度升高到本煤层的煤炭着火点时就会导致煤岩体的自然发火 事故。据资料统计显示，在工程生产实践中发生在煤矿井下的火灾事故绝大多数是内因 火灾，并且多为采空区内的遗煤由于低温氧化作用引起热量积聚导致的自然发火事故。 由于采空区内部的高温区域位置、自燃环境的灾情状况难以直接准确判定，这样在工程 中实施采空区防灭火工作就会相当盲目，导致大量人力、财力、物力的浪费，而且防灭 火的实际效果不佳。因此对采空区内松散煤体发火的危险程度及危险区域进行深入研究 对指导矿井火灾预测预报、防灭火管理和火灾防治都十分必要的。 1.2.1 遗煤自然发火的研究现状 煤是由多种高分子化合物组成的物质，其化学结构非常复杂。通过大量的生产实践 证明，形成煤炭自然发火必须具备以下 4 个基本条件 （1）具有自燃倾向性的煤炭呈破 碎堆积状态，堆积厚度一般大于 0.4m； （2）连续通风供氧，使煤的氧化程度不断发展， 实验表明，氧浓度﹥15时，煤炭氧化才能较快进行； （3）煤氧化时产生的热量大量蓄 积，难以及时散发； （4）以上三个条件共存的时间超过煤的自然发火期。关于煤炭自燃 的起因和过程，学者们从 17 世纪即开始探索和研究，发表的学说主要有黄铁矿导因学 说、活化能学说、自由基反应学说、煤氧复合导因学说、细菌导因学说、酚羟基导因学 说等[10]，其中煤氧复合学说得到了大多数学者的一致认同。煤自燃的最终参与物主要是 煤和氧，煤对氧的吸附和氧化反应经实验考察已得到证实。 在国外，St.Leonards 和 Yuro Sasaki 构建了大量的自然发火模型，用以模拟采空区 1 绪论 3 或地面堆煤的自燃过程以及确定煤的自然发火期[12-13]。土耳其通过非等温动力法 noisothermal dynamic 测试煤的自燃临界温度及 CO 产生率，预测煤的自燃倾向 性[14]。波兰学者 Marian Branny 将采空区视为均质流场，对渗流、弥散、低温氧化以及 热传导等过程进行研究，并运用数值模拟方法得到采空区在漏风条件下的自燃温度场分 布。日本通过实验研究煤在低温3045℃）状态时的煤氧吸附热与煤自燃性的关系，采 用等效暴露时间法估计煤的放热速率，用数值方法模拟煤层暴露于空气后的温度、氧浓 度变化过程[15]。法国、澳大利亚建立有源的非稳态自然发火数学模型，其源项与温度符 合阿氏方程，与氧浓度成正比，并研究其它参数或变量与自燃性的关系。美国矿业局利 用绝热炉adiabatic heating oven测试煤自燃倾向性，测定了煤最小自燃温度，用热分析 技术测定硫化矿物的自燃敏感性，测试煤炭的吸氧量评估自燃倾向性[16]。 在国内，王清安、余明高、范维澄、黄之聪等人根据煤氧吸放热平衡关系，在前苏 联学者卡连金的测算煤层最短发火期模型的基础上加以修正和完善，建立了绝热条件下 的煤氧吸放热和煤体升温、瓦斯解吸吸热平衡的最短发火期解算模型和相应的实验方 法。徐精彩、邓军、文虎等在模拟煤低温自然发火实验基础之上，建立了采空区松散煤 体自然发火的二维数学模型，结合现场实际条件和工作面推进速度，采用计算机模拟， 即可推算出工作面不同推进速度、开切眼和停采线等条件下，采空区高温点移动变化趋 势及最短自然发火期，从而弥补实验不足，以满足现场实际工作的需要；同时开展了煤 炭自燃影响因素（煤化程度、温度、煤的粒度和煤岩组分等）与自燃的关系的研究[17-19]， 研究表明影响煤自燃的主要因素是煤化程度、煤的含水量、灰分、煤的破碎性粒度 等，而环境因素通过改变煤的水分、煤氧接触条件影响煤的自燃[20]。 1.2.2 采空区自燃“三带”划分研究现状 根据煤自燃过程的理论分