瓦斯与煤自燃共存研究（Ⅰ）：致灾机理.pdf

第 3 7卷第 5期 2 0 1 2年 5月 煤 炭 学 报 J OUR NAL O F C HI N A CO AL S O CI E T Y Vo 1 ． 3 7 No ． 5 Ma y 2 01 2 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 2 0 5 - 0 8 4 3 - 0 7 瓦斯 与煤 自燃 共存研究 I 致灾机理 周 福宝 中国矿业大学 煤 炭资源与安全 开采 国家重点实验 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 调研 了我国主要矿 区 2 2 9对矿井的瓦斯与煤 自燃 灾害现状 ， 其 中7 4对具有瓦斯与煤 自燃 共存的灾害， 且随着开采深度增加， 此类复合灾害的矿井数具有增多的趋势。为此， 研究了瓦斯与 煤 自燃共存 的内在关联性及致 灾机理 ， 提 出裂隙场、 C H 浓度场、 0 浓度场和温度场 4场交汇是致 灾充要条件 ； 建立 了典型煤岩体裂隙场 中气体运移数 学模型 ， 并结合 实例 定量分析 了 N ， 0 ， C H 的体积分数与运移速度关系； 剖析 了瓦斯与煤 自燃共存灾害的案例 ， 验证 了多场交汇致灾机理。 关 键词 瓦斯 ； 煤 自燃 ； 共 存 ； 灾 害 中图分类号 T D 7 5 2 ． 2； T D 7 1 2 ． 7 1 文献标志码 A S t u dy o n t he c o e x i s t e n c e o f g a s a n d c o a l s po nt a ne o us c o mb u s t i o n I d i s a s t e r me c h a n i s m ZHOU Fu ． ba o S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g， C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i n a Abs t r a c t T he i n v e s t i g a t i o n o f g a s a n d c o a l s p o n t a n e o us c o mb u s t i o n i n 2 2 9 c o al mi n e s o f ma i n mi n i n g a r e a s i n Ch i n a s h o ws t h a t 7 4 mi n e s s u f f e r f r o m t h e c o e x i s t e n c e o f g a s a n d s p o n t a ne o u s c o mb u s t i o n o f c o a l ， t h e nu mb e r o f wh i c h ha s a i n c r e a s i n g t r e n d wi t h t h e mi n i n g d e p t h g r o wi n g ． S o t h e c o a l d i s a s t e r me c h a n i s m c a u s e d b y t h e c o e x i s t e n c e o f g a s a n d s p o n t a n e o us c o mb u s t i o n wa s s t u d i e d， wh i c h p r o v e d t h a t d i s a s t e r s a r i s e o n l y f r o m t h e i n t e r s e c t i o n a r e a o f CH4， O2 a n d h e a t i n c r a c k s ． W h a t ’ S mo r e， t he ma t h e ma t i c a l mo d e l o f mu l t i g a s mi g r a t i n g i n c r a c k s wa s b u i l t u p o n de fi ni t e d a t a， e s t a b l i s h i n g t h e r e l a t i o ns hi p be t we e n ma s s c o n c e nt r a t i o n a n d v e l o c i t y o f g a s e s s uc h a s N2 ， O2 a n d CH4 ． At l a s t ， t y p i c al d i s a s t e r c a s e s i n c o a l mi n e s wa s a na l y z e d t o v e r i f y t h e p r a c t i c a b i l i t y o f di s a s t e r me c h a n i s m o f g a s a nd c o a l s p o n t a n e o u s c o mb us t i o n c o e x i s t e n c e ． Ke y wor ds g a s ； s p o n t a n e o us c o mb u s t i o n o f c o a l ； c o e x i s t e n c e； d i s a s t e r 矿井瓦斯爆炸和煤层 自燃是煤矿主要灾害之一。 在我国很多矿区 ， 这两种灾 害呈现共生的趋势 ， 如铜 川 、 义马 、 鹤 岗、 阳泉 、 鸡西 、 淮南 、 淮北等主要矿区的 多对矿井开采煤层 瓦斯含量 高， 同时 自燃 危险也较 大 。同一矿区随着采深增加 ， 瓦斯与煤 自燃灾害更趋 于严重 。此外 ， 在高瓦斯矿井实施煤 与瓦斯共采时 ， 受采动裂隙场过大 、 抽采工艺欠合理等 因素影响 ， 也 易造成煤层 自燃 。煤层瓦斯与 自燃共生， 使得灾害防 控复杂化、 艰 巨化 ， 类似的事故也发生多起。如 2 0 0 4 年铜川陈家山4 1 5工作面采空区煤炭自燃引起瓦斯 爆炸 ， 1 6 6人遇难 ； 2 0 0 5年铁法大 明煤矿煤 自燃 引发 瓦斯爆炸事 故造 成 9人死 亡 ； 2 0 0 8年 义 马千 秋矿 2 1 2 0 1 采煤工作面同时出现 自燃 明火和瓦斯超限， 工 作面被迫停产 3 4 d 。 在瓦斯与煤层 自燃的相互影响方面 ， 国内外学者 已开展 了部分研究。B M e d i a S t r u m i n s k a I I 提出了开 采 自燃 煤 层 可燃 气体 爆 炸危 险性 指数 ； S k o t n i c z n y P r z e m y s l a w l 2 建立 了长壁工作 面瓦斯浓度 场和温度 场的三维数学模型 ， 提 出在上隅角设置温度传感器监 控 自燃危险性 ； L i m i n g Y u a n和 A l e x C S m i t h等 针 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 3 责任编辑 毕永华 基金项 目 教育部新世纪优秀人才资助项 目 N C E T 一 0 8 0 8 3 8 ； 中央高校基本 科研业务费专项 资金资 助项 目 2 0 1 1 J Q P 0 8 ； 江苏省 3 3 3人 才 支持计划 资助项 目 B R A2 0 1 0 1 3 4 作者 简介 周福 宝 1 9 7 6 一 ， 男 ， 江苏南京人 ， 教授 ， 博士生导师 。T e l 0 5 1 6 8 3 8 9 9 7 5 3， E ma i l ￡z h o u c u mt ． e d u ． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 对美国瓦斯矿井火灾治理 的难题 ， 通过 C F D软件模 拟 ， 对最易 自燃 区域进行了讨论 。D z i u r z y n s k i l 4 建 立 了基于矿井火区燃烧条件下瓦斯流动 的非稳态数学 模型； B B B e a m i s h 针对含瓦斯 、 不含瓦斯 、 干燥 高 挥发分破碎煤样进行 了自热实验 ， 结果表明去除了瓦 斯和水分的煤样从氧化 自热到 自燃的速度提高 了一 倍左右 。周福宝等。 。 研究了采用含氮气三相泡沫惰 化火区、 降低氧含量 ， 防止含瓦斯气体流入上部火区 引起瓦斯爆炸； 李宗翔l 卜 研究 了瓦斯涌 出与煤层 自 燃关系， 认为采空区瓦斯涌出强度大 ， 自然发火期将 降低 ， 但会使 自燃 的燃烧 阶段 成长 更为 加快 ； 王凯 等 基于数值模拟研究了易 自燃采空 区瓦斯与火灾 共治 ， 指出实施瓦斯抽放能够减少采空区瓦斯向上隅 角涌出， 但是也使采空 区漏风增 大， 加速采空 区煤 自 燃。邓军等 “ 研究 了抽放条件下 的 自燃危险区域 并进行 了划分 ， 发现 随抽放管道进入采空区深部 ， 中 部采空区氧化升温带范围向回风侧有增大趋势 ， 同时 瓦斯抽放管道动态移动使 回风侧采空区氧化升温带 向采空区深部移动。 虽然相关学者针对高瓦斯煤 自燃 问题做 了大量 研究工作 ， 但瓦斯与 自燃共存致灾机理及灾害的关联 性尚未明确阐述。本文将在 国内瓦斯与煤 自燃灾害 共存现状调研 的基础上 ， 开展两种灾害的内在关联性 及致灾机理的研究 。 1 煤矿 瓦斯 与煤 自燃 灾害调研 为了考察我国煤矿瓦斯与煤 自燃灾害情况 ， 向永 煤 、 晋城 、 阜新 、 淮北 、 淮南 、 神华宁煤 、 峰峰 、 盘江等各 大煤业集团发出了调研问卷 ， 统计结果见表 1 。 表 1表 明， 所 调 研 的 2 2 9对 大 型 矿 井 中有 7 2 ． 1 ％的矿井存在煤层 自燃灾害 ， 4 8 ． 0 ％以上 的矿井 属于高瓦斯矿井 ， 说明我国煤矿瓦斯与 自燃灾害相当 严 重 ， 而 具 有 煤 自然 发 火 危 险 的高 瓦 斯 矿 井 占 3 2 ． 3 ％ ， 意味着我 国有相 当多的矿井面临瓦斯与煤 自 燃共存致灾的风险。 目前我 国煤层开采水平 已进入 深部 ， 尤其是在未来 1 0 a ， 采深急剧增加【 1 2 ] 。故在我 国煤矿的安全生产领域 ， 以下问题将愈来愈急迫 ① 煤层瓦斯含量不断增大， 加上高产高效集约化生 产模式的推广， 尤其是放顶煤 开采技术的普遍应用 ， 矿井瓦斯涌出量和涌出强度不断加大； ② 地应力增 大 ， 巷道围岩应力增加 ， 在开采扰动下 ， 煤体破碎程度 加大 ， 与空气接触面增大 ， 吸附氧能力提高； ③ 地温 升高， 缩短了煤 自然发火期。因此 ， 未来进入深部开 采后 ， 低瓦斯矿井有 向高瓦斯矿井转变的趋势 ， 不易 自燃煤层可能转变成 自燃甚至容易 自燃煤层。同时 ， 高瓦斯矿井瓦斯灾害更加严重 ， 具有煤 自燃危险的矿 井防灭火压力陡增。 表 1 国有重点煤矿瓦斯与 自燃 灾害不完全统计 Ta bl e 1 I nc ompl e t e s t a t i s t i c s of g a s a nd c o al s po nt ane o us c o mbu s t i o n di s a s t e r i n s t a t e - o wne d k e y mi ne s 铁法煤业 阜新矿业 龙煤集团 神华 宁煤 铜川矿业 华亭煤业 大 同煤业 晋城煤业 霍 州煤 电 开滦集 团 冀 中能源 义马煤业 永煤集团 郑煤集团 山东能源 充矿集团 皖北煤电 淮北矿业 国投新集 淮南矿业 四川煤业 松藻煤电 盘江精煤 其他 总计 注 煤层 自燃倾 向性为 I 类或 Ⅱ类或者出现过 自然 发火灾害 的矿 井均统计为煤层 自然发火矿井 ； 一矿两井的按一座煤矿统计。 2 裂 隙尺度 空间瓦斯与煤 自燃共存致灾机理 煤岩体内部存在大量微 J , T L 隙 、 原生裂隙， 受采 动影响， 许多次生大裂隙出现 ， 煤岩空 间形成 了不 同 尺度范围的裂 隙场； 从整体看 ， 井下巷道网络， 为灾害 发生及传播提供了空间， 其几何特征量可看作广义的 空间尺度。因此 ， 矿井整体可抽象为不 同尺度的煤岩 体裂隙场的集合。同时在煤岩裂 隙场 中还存在 以多 元气体流动 、 热交换为基础的 C H 浓度场 、 0 ， 浓度场 和氧化温度场 ， 4场耦 合关 系如 图 1所示 。其 中， 裂 隙场 、 0 浓 度场和温度 场交汇 区是煤 自燃危 险区。 裂隙场、 C H 浓度场 、 0 浓度场 和温度场 的交汇 区 阴影区 ， 煤 自燃引发瓦斯燃烧或爆炸的危险区。 在裂隙场 、 0 浓度场和温度场 3场交汇区中， 煤 8 6 8 8 9 5 6 9 5勰 6 5 4 8 4 7 4 8 B 6 6 6 4 6 5 3 O 2 O 1 2 4 1 1 1 O 0 2 4 3 6 8 6 O 9 8 5 8 5 9 5 3 9 5 5 3 8 2 7 4 6 8 6 0 6 5 6 5 3 O 2 3 2 2 2 0 0 4 4 3 8 9 6 6““ 第 5期 周福宝 瓦斯与煤 自燃共存研究I 致灾机理 图 1 煤岩裂隙空 间多场交汇平 面示 意 Fi g ．1 I n t e r s e c t i o n o f di f f e r e n t f i e l d s 自然发火条件是 S r ， ， Y ， S o ． ， ， Y ， Z 71 5 T ， ， Y， 71 S l ， Y ， z 1 在裂隙场 、 C H 浓度场 、 O 浓度场和温度场 4场 交汇区中， 发生瓦斯与 自燃共存致灾的条件是 S 。 r ， ， Y ， z S o ， ， ， Y ， 71 S T r ， ， Y ， 71 S l ， Y ， n S c H ， ， Y ， 2 式中， ．s 。 为 自然发 火区 ； S 为 自燃 与瓦斯灾 害共存 区 ； s 。 ， 为满足灾害发生的 O 浓度分布区； S 为可 燃或可爆瓦斯浓 度分 布区； S 为瓦斯可燃或可爆温 度 区； S 为灾害发生的裂隙场。 煤 自燃时 ， 需满足以下条件 S S 】 ， Y ， z 0 4 式中 ， C 。 为 自燃 临界氧浓度 ； T c 为 自燃临界温度 ； f f 为裂隙场满足 自燃蓄热要求的尺度上 、 下限。 自燃引发瓦斯灾害时， 需满足以下条件 S f S ， Y ， Z 2 , c2 0 6 式中， f 。 ， z 分别为 自燃引发瓦斯灾害对应 的尺度上 、 下限， 受流体扩散、 渗流介质传热等作用影响； C ” 。 ， 为 瓦斯燃烧 爆 炸 氧浓度 下 限 ， 注氮 条件 下取 值 为 1 2 ． 1 ％ ， 在注二氧化碳条件下取值为 1 4 ． 3 ％； T s 为引 燃临界温度 ， C ， C 为灾害发生时的瓦斯浓度上 、 下 限 。 3 煤岩裂隙场中气体运移模型 3 ． 1基本假设 多场交汇致灾机理表 明， 煤岩裂隙场中， O 浓度 场与 C H 浓度场的交汇是煤 自燃 、 瓦斯燃烧 爆炸 的关键 ， 为此应深入研究煤岩裂隙场中 O ， C H 等气 体运移 ， 以定量阐述煤岩裂隙场 中 O 浓度场与 C H 浓度场交汇致灾 机理。本 文基于煤岩裂 隙 如煤层 裂隙、 采空区裂隙 场建立 了不 同尺度下孔隙一 裂隙 煤岩介质 中气体运移及浓度场分布计算模型 ， 其基本 假设如下 1 假设外界流入煤岩裂 隙场 中的气体 只包括 O ， N ， C O ， C H 四种气体组分 ， 且不考虑 O 在煤基 质和孔 隙裂隙中的吸附效应 ； 2 假设气体在煤层中的解吸、 吸附两种物理过 程是同时瞬间完成的， 且气体之间能够完全充分混合 并充斥煤岩裂隙空间 ； 3 由于不考虑灾变期 间煤岩裂 隙场 中气体运 移 ， 假设气体流动为等温过程 ， 吸附解 吸符合广义 朗 格缪尔等温吸附方程； 4 假设气体为理想气体， 符合理想气体状态方 程 。 3 ． 2物理模型 图 2为气体在煤岩裂隙中运移的物理模型示意 ， 图中4， B， C， D为空气的入 口， ， F， G， H为空气的出 口， 煤岩介质 中充满 瓦斯气体。P 。 ， 分别为进入煤 岩裂隙场中的外界空气的初始密度和速度 ， 单位分别 为 k g ／ m 和 m ／ s ； 4 。 ， A 分别 为空气进入煤岩体的初 始表 面积 和 时 间的渗流表 面积 ， 单位均为 m ； p ， 分别为煤岩裂隙场 中 丁时间处混合气体 的密度和速 度 ， 单位分别为 k g ／ m 。 和 m ／ s 。 空气 0 ， V 0 图 2 气体 在煤 岩裂 隙中运移 的物理模 型 F i g ． 2 P h y s i c a l mo d e l o f g a s e s mi g r a t i n g i n c r a c k s 3 ． 3 数学模型 如图 2所示 ， 外界空气 中的氧气组分进入煤岩裂 隙场 一部分与煤岩基质或裂隙空间表面发生氧化反 应 ， 另一部分则游离在孔隙 一 裂 隙双重介质空 间中。 这里假设氧气接触的煤体表面单位时问的氧化耗氧 量为 ， m ／ s 。对氧气组分运用质量守恒方程 I P o 0 c 00 ， A 0 d ．r J JD c 2 A d T J口 0 2 O A 7 对式 7 两边 同时求导得 p。 。 ， A。p 。 ，A 8 式中， c U 1 为进入煤岩裂隙场中的外界空气中氧气的 质量浓度 ； 为气体运移时间 ， S ； 为空气 在煤岩 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 裂隙场 中 r时间 内运移所接触有效煤 岩体 表面积 ， m ； P 。 为煤岩裂隙场 中 r时间的混合气体 中 0 密 度 ， k g ／ m 。 。 根据假设气体在煤岩裂 隙场 中的的渗流符合非 线性达西定律 ， 即 一 嚣 笔 式 中， K ， K y y ， 分别 为 ， y ， z方向的渗透性系数 ， m ／ P a s ； p为煤 岩裂隙场 中混合气体 压力 ， P a ； O p ／ O x ， O p ／ O y ， O p ／ O z 分别为气体沿着 ， y ， 方 向的压 力梯度 ， P a ／ m； m为非线性系数 ， 对于小尺度裂隙空 间如煤层裂隙 ， 气体运移符合线性达西定律 ， m1 ； 对于大尺度空间如采空区多孔介质区， D a r c y线性渗 流模型将不再适用 ， 1 m c V 1 2 式 中， 为孔隙一 裂隙介质的特征体积 ， 对应 的特征尺 度 。 。 √ ,ff ； Ⅳ 为 特 征 尺 度 大 于 口 。 的 孔 隙 一 裂 隙 数 目； c 为比例常数 ； D为分形维数 。 定义单 位 体积 介质 中的孔 隙一裂 隙体 积 密度 为， ， 即 一 D c V _ 1 1 3 则气体在 时问内运移包 括的孔 隙一 裂隙数 目 为 m 下 口 1 4 式中， a为孔隙一 裂隙的尺度 ， m。 气体在 ．r 时间 内运移接触介质空 间的有效表面 积为 ， v f A Jr 叼 ∑A 1 5 其 中， 叼为有效接触面积系数 ； A 为第 个孔隙一 裂隙 表面积 ， m 。将式 9 ～ 1 1 和式 1 5 代入式 8 得 煤岩裂隙场中任意处氧气 的浓度为 p o Mo v 0 c 00 Ao d I p 如∑A l ／ d ．r c 2 二二 二 二二 L 二． -1 二 1 - - 二 l 二二 I I 二二 二 1 6 p M A √ 一 K xx 一 K yy O y ～ 式中， P 。 ， Mo 分别为进入煤岩体介质中的外界空气的 a i b P ， ， 1 、 压 力 和 平 均 摩 尔 质 量 ， 单 位 分 别 为P 和g ／ m 。 l ；p ，M m l p o _ _ ‘ “ 分别为煤岩体介质 中混合气体 的压力和平均摩尔质 量 ， 单位分别为 P a和 g ／ m o l ； 凡元组分气体混合后 的 式中， P 。 为标准条件下的气体组分 i 的密度 ， k m ； 平均摩尔质量计算公劫 n C i 。 , k 为 g ／ 组 m 3 分 ； a 依据 L a n g m u i r 方程 ， 单位体积煤岩体的 i 组分气P ．d ～ 体吸附量 m 为 同上 ，对氮气组分基于质量守恒得 ff p o c s A d r f lp z 。 -t -b iO 1 8 1 ’ 两边同时对时间求导得 批 c 第 5期 周福宝 瓦斯与煤 自燃共存研究I 致灾机理 8 4 7 则 - 砉 二 [ 耋 二 麦 嚣 】 ／_ d n 2 0 同理 c o 2 耋 p 。 0 。A 。 一 R Tp CO 。6 C0 d [ 一 豢 d rf ii 0 0 一 等 d J_0 一 警 叫 ／ d r l L ＼ u ， u y， 、 u ‘ ， J ， 骞 砭 2 1 其 中 ∑b iP j b o 2 P 。 2 b N 2 P N b c o 2P c 。 2 b c H 4P c H J 1 2 2 由各组分质量浓度之和为 1 ， 得时问 内瓦斯浓 度为 C CH 4 1 一 C o 2 一 C N 2 一 c o 2 2 3 为了便于分析 ， 习惯上以体积浓度表示气体的浓 度 ， 多元气体 中组分 i 质量浓度 c 与体 积浓度 C 的 转化关系为 耋 Ci 2 4 如定义气体 N ， 0 ， C O ， C H 任意时间 r 处的体 积浓度分别为 c ， c ， ， c 。 ， ， c ， 以 N 为例 ， 则 N 质量浓度 c ， 与体积浓度 c 的转化关系为 C T CCO2 2 5 综上 ， 式 1 6 ， 2 1 ～ 2 4 联立可以求解在任意 时刻 ， 压力梯度／ O n ， 渗透性系数 K下的多组分混 合气体流动的浓度 ， 即确定多元气体 的浓度场 。 3 ． 4 计算实例 已知 ， 某巷道空气 中 N ， 0 的质量浓度分 别为 7 6 ． 9 ％和 2 3 ． 1 ％ 其中 C H ， C O 含量较少可忽 略 。 受地应力 、 采动影 响巷道煤 帮孔隙一 裂隙发育 ， 受压 力梯度的能量驱动 ， 巷道 中的空气通过煤层孔 隙一 裂 隙介质中漏 向瓦斯抽采 钻孔 ， 巷道初始漏 风速度 为 0 ． 0 3 m ／ s ， 煤岩体 温度 为 3 0 0 K， 煤体瓦斯压 力为 0 ． 7 4 MP a ， 巷道 大气 压为 0 ． 1 0 1 3 2 5 MP a ， 其他 参数 见表 2 。为简化处理 ， 除以上假设 外 ， 这里还假设煤 层孔隙一 裂隙介质为连续 的各 向同性 ， 渗透性系数为 K， I n ／ P a S ； 巷道空气 的运移 断面不变 ， 即 A 。 A ； 不考虑 O 的氧化及吸附， 气体运移满足线性达西 定律。 表 2 多元气体浓度场煤与气体的物理参数 Ta bl e 2 Phy s i c a l pa r a me t e r s o f c o a l a nd mul t i pl e g as e s c onc e nt r a t i o n 将相关参数代人式 1 6 ， 2 1 ～ 2 4 联立的方 程组 ， 求解可得到多元气体各组分 的体积浓度 C与 运移速度 V 的函数关 系， 如 图 3所示。根据非线 性达西定律， 气体运移速度 V 与压力梯度 O p ／ O n 、 渗透性系数 K之问的关系 ， 如图 4所示。 摹 耳 s 气体速度 v r ／ m。 S 图3 N ， O ， C H 体积浓度与气体运移速度关系 F i g ． 3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n C a n d o f N 2 ， 0 2 a n d C H 4 由图 3可以看出 随着气体运移速度的增大 ， N ， 0 因吸附或氧化浓度相应减小 ， C H 的浓度相应增 大 ； 当速度 r 满足 0 ． 0 3 1 7 m ／ s v O ． 0 3 6 0 m ／ s 时 ， C H 的体积浓度 c 满足 5 ％ C C H 4 1 6 ％ ， 即处 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 图4速度与压 力梯 度的关 系 F i g ． 4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a n d／ O n 于瓦斯爆炸的极 限范围； 若以 O 体积浓度 1 2 ． 1 ％作 为煤岩裂 隙场 的安全上限， 则当 7 - 0 ， 煤 自燃就引发 了瓦 斯爆 炸 瓦斯 司爆 危 险 区 图 5 采空 区煤 自燃 引发瓦斯爆炸示意 Fi g ． 5 Ga s e x p l o s i o n c a us e d by c o a l s po n t a ne o us c o mb u s t i o n i n g o a l 因此 ， 要 防治煤 自燃引发瓦斯灾害， 就要采取综 合措施抑制场问交汇。 4 ． 2 瓦斯抽采引发煤自燃 河南某矿某综放工作面埋深 2 0 9 m， 煤厚 9 ． 8 m。 煤层 自然发火严重 ， 自然发火期 为 7～ 3 0 d 。该矿属 于低瓦斯矿井 ， 但局部瓦斯含量较高 ， 曾发生过瓦斯 爆燃事故。在实施高位钻孔 图6 抽采空 区瓦斯时 ， 抽采钻孔终孔位置没有进入断裂带 ， 高度偏低 ， 落到 了垮落带 ， 导致长时间的低 浓度瓦斯抽采 ， 使大量空 气进入采空区， 0 浓度场和煤氧化温度场在岩层垮 落破断裂隙场内发生空问交汇。采空区发生煤 自 燃， C O浓度严重超标 ， 工作面被迫封闭。 煤层 工作面 采空区 弯曲下沉带 断裂带 垮落带 图6 高位钻孔抽采空区瓦斯引发煤自燃示意 Fi g ． 6 Co a l s p o nt a n e o us c o mb us t i o n c a us e d b y h i g h po s i t i o n d r i l l i n g o f g a s d r a i na g e i n g o a f 故在瓦斯抽采 过程 中要实施 “ 安全抽采 ” ， 即控 制抽采负压和流量 ， 保证瓦斯抽采浓度不低于安全抽 采下限 ， 使 s O ， 否则会诱发煤 自燃灾害。 5 结 论 1 对 国有重点煤矿 瓦斯 与煤 自燃 不完全统计 结果表明， 7 2 ． 1 ％的矿井存在煤层 自燃灾害 ， 4 8 ． 0 ％ 以上的矿井属于高瓦斯矿井 ， 而具有煤 自然发火倾 向 的高瓦斯矿井 占3 2 ． 3 ％左右。并且随着开采深度增 大， 瓦斯与煤 自燃共存的灾害更为严重 。 2 提出瓦斯与煤 自燃共存致灾的机理是裂 隙 场 、 C H 浓度场 、 O 浓度场和温度场 4场 的空间与时 第 5期 周福宝 瓦斯与煤自燃共存研究I 致灾机理 8 4 9 间交汇 ， 防控此类灾害就要保证 S 0或 0 。 3 建立 了煤岩体裂 隙场 中多元气体 运移数学 模型， 结合实例定量分析了N ， 0 ， C H 的气体浓度 与运移速度关 系， 为多场交汇致灾 研究提供理论 支 持。 4 分析 了 自燃采 空区注惰气 引发瓦斯爆炸灾 害和瓦斯抽采引发煤 自燃灾害的案例 ， 验证了多场交 汇致灾机理。 参考文献 [ 1 ] Me d i a S t r u mi u s k a B ． C o r r e l a t i o n b e t w e e n m e t h a n e a n d fi r e h a z a r d s i n a b a n d o n e d w o r k i n g s o f l o n g w a l l mi n i n g [ A] ． P r o c e e d i n g s a n d M o n o g r a p h s i n E n g i n e e r i n g ， Wa t e r a n d E a r t h S c i e n c e s [ c] ． 2 0 0 6 3 2 5 -3 3 0 ． [ 2 ] S k o t n i c z n y P r z e m y s l a w ． T h r e e ． d ime n s i o n a l d i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a ． t u r e a n d g a s c o n c e n t r a t i o n i n l o n g wa l l d fi fls a c c o mp a n y i n g t h e p h e n o me n o n o f s e l f - c o m b u s t i o n o f c o a l d e p o s i t e d i n l o n g w a l l g o a f s [ J ] ． A r c h i v e s o f M i n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 8 ， 5 3 2 2 3 5 2 5 5 ． [ 3 ] Y u a n L i m i n g ， S n fi t h A l e x C， B r u n e J fi r g e n F ． C o m p u t a t i o n al fl u i d d y ． n a mi c s s t u d y o n t h e v e n t i l a t i o n fl o w p a t h s i n l o n g w a l l g o b s [ A] ． P r o c e e d i n g s a n d Mo n o gra p h s i n En g i n e e rin g， Wa t e r a nd Ea r t h S c i ． e n c e s l c] ． 2 0 0 6 5 9 1 5 9 8 ． [ 4 ]D z i u r z y n s k i Wa c l a w ． U n d e r gro u n d f i r e u n d e r c o n d i t i o n s o f m e t h a n e i n fl o w【 J ] ． A r c h i v e s o f Mi n i n g S c i e n c e s ， 1 9 9 1 ， 3 6 3 2 0 9 2 2 5 ． [ 5 ] B e a mi s h B B ． F a c t o r s a f f e c t i n g h o t s p o t d e v e l o p m e n t i n b u l k c o a l a n d a s s o c i a t e d g a s e v o l u t i o n [ J ] ． A u s t r a l a s i a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y P u b l i c a t i o n S e r i e s ， 2 0 0 5 2 1 8 7 1 9 3 ． [ 6 ] 周福 宝 ， 王德 明， 章永久 ， 等． 含 氮气三 相泡沫 惰化火 区 的机理 及应用研 究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 5， 3 0 4 4 4 3 4 4 6 ． Z h o u F u b a o ， Wa n g De mi n g ， Z h a n g Y o n g j i u ， e t a1．I n e r t i n g me c h a n i s m o f t h r e e p h a s e f o a m c o n t a i n i n g n i t r o g e n a n d i t s a p p l i c a t i o n t o u n d e r g r o u n d fi r e z o n e [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 5 ， 3 0 4 4 4 3 - 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