高瓦斯易自燃采空區(qū)瓦斯與自燃耦合研究.pdf

1、高瓦斯易自燃煤層開采采空區(qū)是采煤工作面最大的災(zāi)害源，包括冒落瓦斯涌出和遺煤自燃釋放CO氣體兩個(gè)方面，同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)存在著瓦斯涌出與遺煤自燃的耦合問題。針對(duì)這一問題開展了系統(tǒng)地研究。在同一流場(chǎng)中，將遺煤自燃和瓦斯涌出二者綜合考慮，基于非均質(zhì)滲流連續(xù)性方程、多相氣體混溶擴(kuò)散方程和多孔介質(zhì)綜合傳熱方程，建立采空區(qū)瓦斯與自燃耦合數(shù)學(xué)模型。用迎風(fēng)格式有限元方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，來分析兩者耦合作用機(jī)理及其互動(dòng)影響的一般規(guī)律。 根據(jù)冒落采空區(qū)特

2、點(diǎn)，在流線方程中引入修正函數(shù)，提出按邊界類型自適應(yīng)剖分和邊界條件自動(dòng)識(shí)別的實(shí)用計(jì)算方案，計(jì)算可在計(jì)算機(jī)上顯示漏風(fēng)流動(dòng)規(guī)律和速度場(chǎng)。提出瓦斯大氣兩相混溶擴(kuò)散方程，用負(fù)指數(shù)衰減函數(shù)的采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度模型，計(jì)算采空區(qū)瓦斯移動(dòng)和分布狀態(tài)；用模擬實(shí)驗(yàn)方法，分析了采空區(qū)瓦斯向工作面的涌出一般規(guī)律，結(jié)果更貼近于實(shí)際。 從兩相混溶擴(kuò)散方程進(jìn)而拓展到自燃過程中氣體組分交換與變化的多相氣體混溶流擴(kuò)散通用方程，將瓦斯、氧、CO氣體統(tǒng)一考慮，為在同一

3、流場(chǎng)中瓦斯與自燃耦合研究創(chuàng)造了前提條件。 將煤氧化速度常數(shù)作為衡量采空區(qū)自燃環(huán)境的特征指標(biāo)；通過計(jì)算得到，采空區(qū)存在漏風(fēng)流沿程耗氧，氧濃度分布非均衡性與漏風(fēng)強(qiáng)度之間沒有必然聯(lián)系；以“速度和氧濃度二場(chǎng)疊加”確定自燃氧化帶。通過自燃采空區(qū)的溫度場(chǎng)計(jì)算，模擬了采空區(qū)煤早期自燃的升溫過程，給出大量的動(dòng)態(tài)變化圖形分布解；討論了自然發(fā)火期與各開采因素的關(guān)系。 全面地考慮了流場(chǎng)漏風(fēng)、工作面風(fēng)量、自燃氧化性和工作面推進(jìn)等開采技術(shù)因素和瓦

4、斯地質(zhì)因素等，考慮了瓦斯抽放與注氮等防災(zāi)技術(shù)措施對(duì)采空區(qū)瓦斯和自燃的影響。 高瓦斯易自燃煤層開采工作面瓦斯超限與采空區(qū)煤自燃是不可調(diào)和的，提出風(fēng)量安全調(diào)節(jié)范圍指標(biāo)和二災(zāi)害失衡的判別條件。詳細(xì)論述了在實(shí)施防災(zāi)技術(shù)措施條件下的相互制約關(guān)系，回答了以下幾方面問題： (1)瓦斯涌出強(qiáng)度與自燃條件和自燃規(guī)模的關(guān)系； (2)瓦斯涌出對(duì)自燃過程的影響； (3)瓦斯涌出稀釋氧的作用強(qiáng)度； (4)瓦斯抽放引發(fā)采空區(qū)