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高瓦斯易自燃采空区瓦斯与自燃耦合研究

李宗翔  
【摘要】: 高瓦斯易自燃煤层开采采空区是采煤工作面最大的灾害源,包括冒落瓦斯涌出和遗煤自燃释放CO气体两个方面,同时,采空区内存在着瓦斯涌出与遗煤自燃的耦合问题。针对这一问题开展了系统地研究。在同一流场中,将遗煤自燃和瓦斯涌出二者综合考虑,基于非均质渗流连续性方程、多相气体混溶扩散方程和多孔介质综合传热方程,建立采空区瓦斯与自燃耦合数学模型。用迎风格式有限元方法,结合现场条件,来分析两者耦合作用机理及其互动影响的一般规律。 根据冒落采空区特点,在流线方程中引入修正函数,提出按边界类型自适应剖分和边界条件自动识别的实用计算方案,计算可在计算机上显示漏风流动规律和速度场。提出瓦斯大气两相混溶扩散方程,用负指数衰减函数的采空区瓦斯涌出强度模型,计算采空区瓦斯移动和分布状态;用模拟实验方法,分析了采空区瓦斯向工作面的涌出一般规律,结果更贴近于实际。 从两相混溶扩散方程进而拓展到自燃过程中气体组分交换与变化的多相气体混溶流扩散通用方程,将瓦斯、氧、CO气体统一考虑,为在同一流场中瓦斯与自燃耦合研究创造了前提条件。 将煤氧化速度常数作为衡量采空区自燃环境的特征指标;通过计算得到,采空区存在漏风流沿程耗氧,氧浓度分布非均衡性与漏风强度之间没有必然联系;以“速度和氧浓度二场叠加”确定自燃氧化带。通过自燃采空区的温度场计算,模拟了采空区煤早期自燃的升温过程,给出大量的动态变化图形分布解;讨论了自然发火期与各开采因素的关系。 在本文研究中,更全面地考虑了流场漏风、工作面风量、自燃氧化性和工作面推进等开采技术因素和瓦斯地质因素等,考虑了瓦斯抽放与注氮等防灾技术措施对采空区瓦斯和自燃的影响。 高瓦斯易自燃煤层开采工作面瓦斯超限与采空区煤自燃是不可调和的,提出风量安全调节范围指标和二灾害失衡的判别条件。详细论述了在实施防灾技术措施条件下的相互制约关系,回答了以下几方面问题:(1)瓦斯涌出强度与自燃条件和自燃规模的关系;(2)瓦斯涌出对自燃过程的影响;(3)瓦斯涌出稀释氧的作用强度;(4)瓦斯抽放引发采空区自燃的规律;(5)采空区防灭自燃注氮对采空区瓦斯绝对涌出量的影响。其中由大流量瓦斯抽放引发的采空区自燃问题,绝不可被忽视。


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