高抽巷抽采条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的研究

摘要

多年来，矿井瓦斯爆炸和煤自燃灾害严重影响着矿井安全、高效、正常地开采，其中高抽巷抽采方式是治理采空区瓦斯的有效措施之一。但是，高抽巷抽采会改变采空区的漏风流场，加大采空区漏风，在这种情况下，不但采空区氧气浓度分布状态发生变化，而且瓦斯浓度的分布也会发生改变，在一定条件下影响采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的发生。因此，本文主要通过数值模拟研究工作面不同供风量、高抽巷不同层位、高抽巷不同抽放负压条件下采空区瓦斯浓度、采空区氧气浓度、采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的变化规律。从防治采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险的角度考虑，确定高抽巷合理位置、工作面合理供风量、高抽巷合理抽放负压，对防治采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害尤为重要。 从遗煤自燃和瓦斯爆炸的角度综合分析，探讨采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害发生机理并对提出其判定方法，对6198工作面采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害进行研究，得出：随着采空区高度的不断增加，瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的面积逐渐减小，且采空区中部耦合灾害危险区域的面积要小于回风巷侧。同时还可以看出，随着采空区高度的不断增加，从采空区中部到回风巷侧，耦合灾害危险区域逐渐靠近看工作面。 利用数值模拟研究工作面不同供风量、高抽巷不同层位及不同抽放负压条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害变化规律，可得：随着工作面供风量不断增大，瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的范围逐渐增加，风量越大，在倾向方向从进风巷到回风巷范围内，耦合灾害危险区域出现的越早；随着高抽巷距回风巷距离不断增加，瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的面积也逐渐减小，高抽巷距回风巷越远，在倾向方向从进风巷到回风巷范围内，耦合灾害危险区域出现的越晚；在采空区竖直方向，随着高抽巷竖直高度不断增加，瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的面积逐渐减小，从进风巷到回风巷方向，耦合灾害危险区域出现的越晚；随着抽采负压不断增大，从进风巷到回风巷方向，耦合灾害危险区域出现的越晚。通过综合分析，从防治采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的角度考虑，确定了防治采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的工作面合理供风量、高抽巷最佳位置以及高抽巷合理抽放负压。 基于数值模拟确定的高抽巷的合理空间位置布置及抽采参数，进行高抽巷参数优化效果评价，针对潘西煤矿6198工作面的实际情况，通过现场数据观测，结合煤自然发火特性参数，划分了高抽巷抽采条件下采空区自燃“三带”范围。将现场观测得到的瓦斯浓度和氧气浓度数据与数值模拟进行对比，验证了数值模拟的可靠性。合理的空间位置布置及抽采参数设定，保证了综放面及上隅角瓦斯浓度达标，高抽巷与上隅角CO浓度均得到了有效控制，实现了高效抽采瓦斯效果且未引发采空区煤体自燃，大大降低了采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的发生。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 采动裂隙场研究现状

1.2.2 瓦斯与煤自燃耦合灾害的研究现状

1.2.3 高抽巷抽采对瓦斯与煤自燃耦合灾害的影响

1.3 本文研究内容

1.4技术路线

2 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯浓度与氧气浓度场的数值模拟研究

2.1数值模拟研究理论基础

2.1.1 采空区覆岩裂隙演化

2.1.2 采空区碎胀系数分布

2.1.3 采空区孔隙率及渗透率

2.1.4 采空区渗流模型

2.1.5 采空区气体流动数学模型

2.2COMSOL数值模拟软件介绍

2.3 采动裂隙场覆岩移动规律数值模拟研究

2.3.1 数值模型的建立

2.3.2 采动覆岩应力动态变化规律

2.3.3 采动覆岩破坏规律

2.3.4 采动覆岩位移动态演化规律

2.4采空区孔隙率、渗透率的分布规律

2.5 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯与氧气浓度场的数值模拟研究

2.6本章小结

3 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的理论探讨及分析

3.1 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的理论探讨

3.2瓦斯与煤自燃耦合危险区域的判定

3.2.1 采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的位置分析

3.2.2 危险区域的判定

3.3采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域的划分

3.3.1 潘西煤矿 6198 工作面采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域划分

3.4本章小结

4 不同开采条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的数值模拟研究

4.1 不同供风量的条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的数值模拟研究

4.1.1 工作面供风量的变化对采空区遗煤自燃的影响

4.1.2 工作面供风量的变化对采空区瓦斯运移规律的影响

4.1.3 工作面供风量的变化对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害影响的分析

4.2 高抽巷在不同水平层位条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合的

4.2.1 高抽巷距回风巷不同距离对采空区遗煤自燃的影响

4.2.2 高抽巷距回风巷不同距离对采空区瓦斯运移规律的影响

4.2.3 高抽巷距回风巷不同距离对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的影响

4.3 高抽巷在不同竖直层位条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的数值模拟研究

4.3.1 高抽巷距底板不同高度对采空区遗煤自燃的影响

4.3.2 高抽巷距底板不同高度对采空区瓦斯运移规律的影响

4.3.3 高抽巷距底板不同高度对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的影响

4.4 不同抽采负压条件下采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的数值模拟研究

4.4.1 不同抽采负压对采空区遗煤自燃的影响

4.4.2 不同抽采负压对采空区瓦斯运移规律的影响

4.4.3 不同抽采负压对采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的影响

4.5本章小结

5 高抽巷抽采参数优化现场应用及效果评价

5.1高抽巷空间位置布置及抽采参数设定

5.2矿井及工作面概况

5.3采空区监测点布置

5.4采空区各监测点瓦斯浓度的观测分析

5.5.1 采空区遗煤分布规律

5.5.2 采空区各监测点氧气浓度的观测分析

5.5.3 采空区遗煤漏风强度的分布

5.4.4 高抽巷抽采条件下采空区危险区域的判定

5.6 综采面采空区瓦斯与煤自燃协同防治效果

5.6.1 工作面瓦斯抽采效果

5.6.2 煤自燃防治效果

5.7本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3 展望

参考文献

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