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准格尔煤田自燃采空区注浆防灭火浆液扩散行为研究

张晋花  
【摘要】:煤炭是我国重要的基础能源和重要原料,是不可再生资源。煤炭自燃严重威胁着矿井的安全生产,而且造成资源大量浪费。随着煤矿资源整合,大量小煤窑因乱采滥挖导致采空区煤层自燃显得尤为突出。注浆防灭火技术是目前最常用的一种矿井火灾防治技术,也是目前治理自燃采空区最实用和最有效的方法之一。在确定火源位置的基础上,对自燃采空区采取注浆防灭火措施,其中掌握浆液的动态扩散行为是能否熄灭火源的关键。由于自燃采空区属不连续介质,浆液为非牛顿流体,关于这方面的理论、实验及模拟研究较少。因此,深入研究浆液在自燃采空区中的扩散行为,可进一步提高注浆防灭火技术中各参数设置的精度,具有重要的科学意义和应用价值。 本文从准格尔煤田自燃采空区的地质特征和浆液流型入手,分析了准格尔煤田自燃采空区上覆岩层地质类型与煤自然发火的关系和破断规律,推导了各种流型浆液渗透注浆扩散公式,借助自行研制的自燃采空区注浆实验台,通过实验研究、数值模拟及工程实践的方法,对准格尔煤田自燃采空区注浆浆液动态扩散行为进行了系统的研究。 主要研究内容及结果如下: (1)准格尔煤田自燃采空区上覆岩层破断规律。针对准格尔煤田煤层的地质特征,详细论述了准格尔煤田永红煤矿42102-1工作面上覆岩层地质类型与煤自然发火的关系和破断规律。 (2)渗透注浆浆液扩散公式的推导。考虑浆液的结构粘度变化,一方面从渗透系数随时间变化角度出发,对粘时变流体渗透理论公式进行改进;另一方面从渗透系数随着路径变化角度出发,应用线性源函数理论对宾汉姆流体渗透理论公式进行改进。 (3)准格尔煤田自燃采空区注浆实验台的研制。在分析准格尔煤田自燃采空区地质特征的基础上,研制了准格尔煤田自燃采空区注浆实验台。该实验装置可模拟自燃采空区地质特征,进而研究在自燃采空区介质中单管单孔正交注浆浆液扩散行为。 (4)准格尔煤田自燃采空区注浆浆液扩散行为数值模拟。应用UDEC通过保持钻孔内的指定压力来模拟宾汉姆型浆液在规则不连续节理岩体中的注入过程。 (5)准格尔煤田自燃采空区注浆防灭火浆液扩散行为的现场验证。通过分析神华准能小煤窑火区治理工程中相邻钻孔单孔注浆量随孔距的变化,来验证理论、实验及数值模拟得出的浆液扩散行为。


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