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低变质煤种综放面采空区CO产生及运移规律研究.pdf
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1、收稿日期:作者简介:宋庆立()男河南原阳人助理工程师从事煤矿通风和安全矿井防灭火材料研发与销售工作:./.低变质煤种综放面采空区 产生及运移规律研究宋庆立师吉林(.国网能源哈密煤电有限公司新疆 哈密.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司辽宁 沈阳)摘 要:我国西北地区主采低变质煤种在开采过程中存在回风隅角、回风巷等区域 气体体积分数超过.的问题通过对新疆哈密市大南湖一矿 号煤层的低变质煤样在实验室的程序升温试验测定煤模拟自燃过程中的 产生速率再利用 软件模拟综放开采条件下的 产生及分布从而分析开采低变质煤种综放面采空区的 产生及运移规律认为 号煤层综放面内 气体来源于采空区的占比为 剩余的 则来源
2、于支架后部刮板输送机区域堆煤的氧化这为治理低变质煤种的 超限问题指明了方向关键词:低变质煤种采空区 超限运移规律中图分类号:.文献标识码:文章编号:()低变质煤种资源储量占我国煤炭资源储量的以上其主要分布在我国的华北和西北地区全国.的储量集中在内蒙、陕西、新疆、甘肃、山西、宁夏 个省(区)低变质煤种综放开采过程中在现场一切正常的常温条件下就可产生大量 气体往往导致回风隅角、回风巷等区域出现 气体体积分数超过.的问题部分学者通过研究认为低变质煤种的 气体来源于煤层破碎后的低温氧化越来越多的证据支持这一观点 基于此采取新疆大南湖一矿 号煤层煤样利用实验室程序升温试验测定煤自燃模拟过程中的 产生速率
3、再利用 软件模拟综放开采条件下的 产生及分布从而分析开采低变质煤种综放面采空区的 产生及运移规律 煤层概况新疆哈密大南湖一矿 号煤层厚度.平均厚.倾角 上距 号煤层平均 下距 号煤层 结构较复杂含夹矸 层煤质为褐煤经鉴定为 类容易自燃煤层煤尘具有强爆炸性最短自然发火期为 .号煤层综放面宽度 左右全部垮落法管理顶板机采高度 放煤高度.采放比约 .机采回采率为 放煤回采率大于 工作面采取全风压通风方式配风量 /以上布置 架支架 号煤层综放面开采过程中回风隅角 体积分数基本在.左右回风流内 体积分数则基本在.左右经过对 至 综放面采空区实测结果分析 号煤层综放面采空区自燃三带宽度进风侧散热带范围为
4、氧化带范围为 窒息带为超过 的采空区深部回风侧散热带范围为 氧化带范围为 窒息带为超过 的采空区区域 煤样的制备与煤自燃过程 产生规律模拟实验 根据/煤层煤样采取方法的要求在大南湖一矿、两个工作面采集两个煤样按圆锥缩分法缩分到 密封后送至煤矿安全技术国家重点实验室根据/煤样的制备方法的要求将采集的块煤利用 全封闭式煤样粉碎测试装置充氮隔氧进行破碎后过 目筛网后取 作为煤样备用为模拟 号煤层煤自燃过程中的 产生规律在实验室利用煤自燃程序升温产气规律测试系统对 号煤层制备煤样进行实验取 制备好的煤样置入产气规律测试系统内的煤样罐内实验条件供气流量为 /升温速率设置:阶段./阶段./阶段./.实验过
5、程中每 在测试系统出气口采集测试 次气样分析的气体种类主要为、等 产生速率利用式()进行处理:().()实实用用技技术术 第第 卷卷 第第 期期 年年 月月式中:为实验供风量/为取气时间间隔为实验煤样量为流经实验煤样后气流内 气体摩尔体积浓度/.将实验数据代入式()得到 产生速率随温度的变化曲线(如图 所示)图 号煤层煤样 产生速率随温度变化曲线 根据实验结果与式()计算不同温度下 产生速率拟合为公式():().()综放面 运移规律模拟研究.建立采空区渗流场数学模型采空区遗煤属于多孔介质的范畴气体在多孔介质中流动遵守质量守恒、能量守恒及动量守恒定律并且包含不同组分的混合、传质其还必须遵守组分守
6、恒定律根据能、质守恒定律可以得到采空区 气体运移规律的数学方程结合具体的边界条件、初始条件构成了采空区气体流动的数学模型已有研究表明:煤自燃过程中 的产生速率与破碎煤体粒径及其所处环境内的氧气体积分数有关据此可建立采空区气体渗流场与气体组分场数学模型如式():()()()()()()()()()()()式中:、分别为、方向上的风速分量/.为总水头 /式中:为静压力 为重力加速度取./动能项在计算中可以忽略 为多孔介质中的渗透系数/为绝对渗透率 为空气黏性系数取./()为组分 在 煤体中的扩散 系 数 为 组 分 浓 度()为组分 在温度为 时的产生速率()为粒径影响函数().(/.)为破碎煤体
7、平均粒径.为实验参考粒径参数.为松散煤体的当量密度()/、分别为漏风风流和松散煤体的密度/.为松散煤体的当量比热容()/()、分别为漏风风流和松散煤体的比热容 为松散煤体的导热系数/()为漏风强度/()在正常开采过程中采空区煤体自燃的发展非常缓慢可将工作面采空区的渗流速度场和 体积分数场近似看成稳态 为了进一步了解采空区 运移规律可采用 对工作面采空区三维物理模型建立几何结构并进行网格划分然后利用 的求解器对采空区内部渗流速度场及 体积分数场进行计算得出其运移规律.建立采空区几何模型 号煤层综放面倾向斜长约 工作面两巷约 不放顶煤煤层平均厚为.采高为 放煤为.根据机采回采率为 放煤回采率大于
8、可计算得到采空区放煤区域破碎煤体厚度为.不放煤区域破碎煤体厚度则为 破碎煤体底部平均粒径为.经现场实测工作面支架后部刮板输送机区域存在与工作面等宽的呈条带分布的三角形堆煤积煤底部宽度为.高度为.堆煤平均粒径为.发生渗流的区域主要在采空区进、回风巷道之间煤层底板以上 高(冒落带高度取 倍采厚)的范围内 沿工作面走向上距工作面一定距离后承受矿压相差不大空隙率及渗流阻力等影响自燃的因素变化也不大趋于一个定值故在考虑数值计算强度的条件下选取从工作面到采空区 深处的范围作为计算区域的长度 该工作面倾向斜长约 两巷宽度各 因此选取 的范围作为计算区域的宽度 采用非结构化网格工作面采空区和两巷采空区内遗煤步
9、长.采空区顶部岩体步长 工作面及两巷步长.工作 第 卷面采空区物理模型如图 所示图 号煤层综放面采空区物理模型.物性参数及边界条件.物性参数为保证模拟结果的准确性对现场破碎煤体分布区域的温度进行了实测其中 号煤层工作面采空区(面至 面)散热带区域破碎煤岩体温度范围在 之间均值 氧化带区域内的破碎煤岩体的温度范围为 均值.工作面风温在 左右后部刮板输送机机尾电机及减速机对应区域(对应支架 号 号支架)堆积碎煤温度最高在 之间平均 除该区域外的其他工作面后部刮板输送机附近集聚的破碎煤体温度范围为 平均.因此计算区域基本物性参数取值为:除后部刮板输送机机尾电机及减速机区域设置温度为 外模型其余区域温
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- 关 键 词:
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