矿井火与地表火共存型煤田火区浅部封堵治理技术研究

摘要

新疆是我国煤田火灾最为严重的地区，近年来，新疆的煤田火区中矿井火与地表火共存型煤田火区数目越来越多。由于矿井火与地表火共存型煤田火区具有地下空间大、燃烧深度大、燃烧剧烈、漏风通道复杂等特点，在传统灭火工艺下进行治理时工程量大，浆液流失浪费严重，并且容易发生复燃。分析矿井火与地表火共存型火区的结构特征与发展模式，构建典型共存型火区的物理模型和数学模型，研究浅部封堵方法治理矿井火与地表火共存型火区的可行性与适用条件，有助于深化对煤火发展规律的认识，为煤田灭火工艺的改进提供理论支撑。 通过火区资料统计得到了新疆现存火区中山地火区多，多数火区具有煤层层数多、厚度大、倾角大的特点，导致矿井火与地表火共存型火区大量存在；现场研究了若干个典型共存型火区的地表地下温度场和垮落情况，分析了矿井火与地表火共存型火区的结构特征与发展模式；分类归纳得到了不同垮落程度下的火区结构模型；讨论了传统灭火方法在矿井火与地表火共存型火区中面临的困难，阐述了浅部封堵治理方法的基本思路与主要影响因素。 借助煤田火区热-流-化多场耦合数学模型，以典型矿井与地表共存火区结构为基础建立物理模型，开展数值模拟研究了不同开放程度火区的演变规律与浅部封堵条件对深部火源的抑制效果，结果表明：开放程度越小的火区地表火与地下火之间煤岩体的高温范围越小；浅部封堵层达到足够低的渗透率才能保证对深部火源的有效抑制；隐蔽漏风巷道对浅部封堵有较大的不利影响，但适当条件下提高封堵层的密封程度可以显著减小其影响；工程范围内封堵层厚度的变化对隔氧效果影响较小，但考虑到封堵材料受高温烘烤容易失效，开放程度较高的火区中封堵层受热严重，减小的封堵层厚度会大幅提高封堵层失效风险，开放程度低的火区封堵层受热较少，适当减小封堵层的厚度并不会产生严重的影响。 构建三维模型进一步探讨了影响火区浅部封堵后降温时间的主要因素，结果表明：浅部封堵后地下采空区内部气流循环促使残余氧气参与高温区反应，使深部火区在一段时间内维持氧化反应；高温区体积的增大和平均温度的升高显著延长了降温时间，高渗透率的采空区对降温有利，随着采空区渗透率的降低，火区降温时间呈现出先大幅延长后小幅缩短的变化规律。 结合库尔阿肯8号火区的两次治理经过进行分析，通过现场案例证明了浅部封堵治理方法在降低浅部温度、妥善处理露头并达到较低的封堵层渗透率的条件下，可以对矿井火与地表火共存型火区进行有效治理；而当浅部有残余高温或覆盖层渗透率高的情况下，火区容易复燃；开放程度较小的火区中适当缩小封堵层厚度不会造成火区复燃，且适当条件下浅部封堵可以规避隐蔽漏风巷道对火区的不利影响，验证了模拟得到的部分结论。

目录

第一个书签之前

摘 要

目 录

Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1.1.1 煤田火灾概况

1.1.2 矿井火与地表火共存火区提出背景

1.1.3 研究意义

1.2 研究现状 (Present Research Situation)

1.2.1 煤田火区空间结构研究现状

1.2.2 煤田火区温度场研究现状

1.2.3 煤田火区治理技术研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标

1.3.3 技术路线

2 新疆煤田火区现场调研分析

2.1.1 火区分布情况及地形特征

2.1.2 火区煤层赋存特点

2.1.3 火区成因分类

2.1.4 矿井火与地表火共存型火区基本特点分析

2.2.1 典型共存型火区案例介绍

2.2.2 矿井火与地表火共存型火区温度场分析

2.2.3 矿井火与地表火共存型火区空间结构分析

2.3 浅部封堵治理方法的初步分析（Preliminary Analysis of Shallow Blocking Fire Control Method）

2.3.1 传统灭火方法在共存型火区中的问题

2.3.2 浅部封堵方法与传统灭火方法的区别

2.3.3 浅部封堵方法治理效果的影响因素

2.4 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

3 火区延燃规律及浅部封堵条件对火源抑制效果的数值模拟研究

3.1 矿井火与地表火共存型火区多场耦合数学模型 (Mathematical Model of the Multi-field Coupling Process in Coal Fire Area）

3.1.1 矿井火与地表火共存型火区多场耦合过程分析

3.1.2 火区控制方程

3.1.3 主要参数耦合分析

3.2 典型矿井火与地表火共存型火区物理模型(Physical Model of Typical Mine Fire and Surface Fire Coexisting Area）

3.3.1 计算设置

3.3.2 定解条件

3.3.3 物性参数

3.4 不同开放程度火区延燃规律分析（Burning Regulation of Different Opening Degree Fire areas）

3.5 不同封堵条件对火源抑制效果影响分析（Effect of Sealing Condition on Fire source Prevention）

3.5.1 封堵层渗透率的影响

3.5.2 隐蔽进风巷道的影响

3.5.3 封堵层厚度的影响

3.6 不同开放程度火区封堵层受热情况分析（Heating Conditon of Sealing Layer in Different Opening Dgree Fire areas）

3.7 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

4浅部封堵后火区降温时间影响因素的数值计算与讨论

4.1 降温影响因素初步分析 （Influence Factor of Cooling Time）

4.1.1 地下采空区体积与高温区体积

4.1.2 高温区平均温度

4.1.3 地下空间透气性

4.1.4 围岩导热性

4.2 火区降温物理模型（Physical Model）

4.3.1 计算设置

4.3.2 定解条件

4.3.3 物性参数

4.4.1 降温动态过程分析

4.4.2 不同条件下火区残余氧气影响分析

4.4.3 不同火区条件对降温时间的影响分析

4.4.4 浅部封堵方法适用火区条件探讨

4.5 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

5 浅部封堵治理方法现场案例分析与结论验证

5.1 库尔阿肯8号火区治理概况介绍 (Fire-Fighting Case in Kueraken 8# Fire Area）

5.2 火区复燃案例分析(Re-burning Case Analysis）

5.3 火区成功治理案例分析(Success Case Analysis）

5.4 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

6 结论与展望

6.1 主要结论（Main Research Conclusions）

6.2 创新点(Innovations)

6.3 展望(Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集