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氣體兩個方面，同時，采空區(qū)內(nèi)存在著瓦斯涌出與遺煤自燃的耦合問題。針對這一問題開展了系統(tǒng)地研究。在同一流場中，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。用迎風格式有限元方法，結(jié)合現(xiàn)場條件，來分析兩者耦合作用機理及其互動影響的一般規(guī)律。 根據(jù)冒落采空區(qū)特

2、點，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識別的實用計算方案，計算可在計算機上顯示漏風流動規(guī)律和速度場。提出瓦斯大氣兩相混溶擴散方程，用負指數(shù)衰減函數(shù)的采空區(qū)瓦斯涌出強度模型，計算采空區(qū)瓦斯移動和分布狀態(tài)；用模擬實驗方法，分析了采空區(qū)瓦斯向工作面的涌出一般規(guī)律，結(jié)果更貼近于實際。 從兩相混溶擴散方程進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散通用方程，將瓦斯、氧、CO氣體統(tǒng)一考慮，為在同一

3、流場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；通過計算得到，采空區(qū)存在漏風流沿程耗氧，氧濃度分布非均衡性與漏風強度之間沒有必然聯(lián)系；以“速度和氧濃度二場疊加”確定自燃氧化帶。通過自燃采空區(qū)的溫度場計算，模擬了采空區(qū)煤早期自燃的升溫過程，給出大量的動態(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。 全面地考慮了流場漏風、工作面風量、自燃氧化性和工作面推進等開采技術(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，提出風量安全調(diào)節(jié)范圍指標和二災(zāi)害失衡的判別條件。詳細論述了在實施防災(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)瓦斯涌出強度與自燃條件和自燃規(guī)模的關(guān)系； (2)瓦斯涌出對自燃過程的影響； (3)瓦斯涌出稀釋氧的作用強度； (4)瓦斯抽放引發(fā)采空區(qū)