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《太原理工大学》 2016年
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综采放顶煤工作面采空区注氮防灭火技术研究

张颐纯  
【摘要】:综采放顶煤技术,具有工作面风量大,采空区漏风严重,遗煤多的特点。采空区发生煤炭自燃不仅短时间内释放大量有毒气体,危害工人安全,还会引燃周围瓦斯,造成严重后果。采空区注氮作为煤层自燃防治工作手段之一,可以改变采空区内氧气浓度分布,缩小氧化带范围。合理的注氮位置以及注氮流量对于注氮效果具有重要的影响。王家岭矿8#煤层属于高瓦斯自燃煤层,18101工作面作为首采工作面,缺乏经验以及具体参数指导,为此本文通过现场实测,数值模拟结合定量定性分析研究得出该矿合理的注氮参数,为今后矿井采空区进行注氮防火工作提供了重要参数依据,研究内容如下:(1)通过18101综放面采空区束管监测系统,设置不同监测点,依据氧气浓度作为指标得出未注氮前采空区自燃“三带”分布范围:未注氮前进风侧散热带范围是0~61.5m,氧化带为61.5~176.4m,窒息带为176.4m以后;工作面中部靠近进风侧散热带范围是0~46.6m,氧化带为46.6~174.2m,窒息带为174.2m以后;工作面中部靠近回风侧散热带范围是0~32.2m,氧化带为32.2~153.4m,窒息带为153.4m;回风侧散热带范围是0~15.2m,氧化带为15.2~70.6m,窒息带为70.6m以后。(2)利用ICEMCFD软件建立18101综放面三维模型,通过用户自定义函数编制孔隙率,粘性阻力系数,遗煤耗氧速率等关键参数,对具有埋管抽放和注氮管路的复杂采空区流场进行三维流场数值模拟研究,得出了未注氮前以氧气浓度为指标划分的采空区自燃“三带”分布范围,并与束管测定结果对比,得出数值模拟结果和实测基本一致,误差满足精度要求,验证了模型的适用性。(3)在注氮流量为500m3/h时,靠近进风侧采空区选取距离工作面x=25m,x=50m,x=75m,x=100m,x=125m五个位置进行研究,得出x=25m和x=50m时,由于注氮位置靠近进风巷,氮气能很好的随漏风流运动,缩短进风侧氧化带宽度效果最明显。通过将不同位置的最大氧化带宽度与未注氮前相比,最大氧化带宽度依次降低了32.63m,41.21m,27.64m,20.66m,16.22m,当x=50m时,最大氧化带宽度缩小幅度最大,达到31.71%。因此选择注氮口位置应深入采空区50m,处于氧化带前一段距离,可以有效带动氮气的扩散,缩小氧化带宽度。(4)选定x=50m作为注氮口位置,选择注氮流量为500m3/h,1000m3/h,1500m3/h,2000m3/h,2500m3/h,3000m3/h六组参数进行模拟,通过分析得到随着注氮流量的增加,最大氧化带降低宽度幅度为31.71%,42.56%,55.65%,63.57%,,66.31%,68.13%,呈现逐渐增大趋势,当注氮量为2000m3/h后,再增加注氮量,最大氧化带宽度缩减幅度逐渐降低,当注氮流量为3000m3/h时,出现上隅角氧气浓度低于18%的趋势,因此选定合理注氮流量为2000m3/h。(5)合理注氮参数为距离采空区距离工作面50m进行注氮,注氮流量为2000m3/h,分析采空区氮气浓度和氧气浓度规律。氮气分布呈现为三个浓度区域,以注氮口为中心,附近一段区域会形成高浓度氮气云团,氮气浓度保持在90%以上,注氮口两端氮气浓度则不断递减,呈现中间大两头小的分布特征。靠近工作面及进风巷道浓度基本保持在70%以上,接近空气中的氮气浓度,同时越靠近工作面,浓度越低。在距离采空区78m以后位置,氧气浓度明显下降到7%以下,进入到窒息带,此时最大氧化带宽度缩减了84.66m,注氮效果起到明显作用。(6)基于以上研究针对18101工作面的注氮流量,注氮位置以及注氮管路进行设计,注氮口位置为采空区距工作面50m处,注氮流量为2000m3/h,注氮管路采用Φ159×6无缝钢管铺设,长度约为4200m。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD752.2

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