大兴矿火成岩侵入条件下煤自燃特性及防治技术研究

摘要

大兴煤矿位于铁法煤田西南部，该地区火成岩活动最为发育，受火成岩侵入的煤层自然发火严重，极大地限制了煤炭的安全开采和利用。目前国内外针对火成岩侵入对煤自燃特性的研究鲜有涉及，而现有煤自燃理论认识尚不能保障受火成岩侵入煤层的安全高效生产，因此急需开展火成岩侵入条件下的煤自燃特性及相关防灭火技术的研究。
　　煤体物理和化学结构的变化，能够直接影响煤的自燃特性。本文采用X射线衍射仪等一系列测试技术对正常煤和变质煤的煤质特性、矿物成分、表面活性基团、表面形貌及孔隙结构进行研究，得到了火成岩侵入对煤体结构的影响规律。研究表明:火成岩侵入明显改变了煤体的成分，提高了煤体的变质程度，使得变质煤表面的活性基团的总量减少，含氧官能团含量降低;同时由于火成岩的变质作用使得变质煤中出现大量的热解气孔，平均孔径和孔容与正常煤相比显著增大。火成岩侵入促进了煤体孔结构的发育，特别是促进了直径＞20nm这部分孔隙的形成，更有利于氧气在煤体中的扩散，促进煤和氧气之间的反应。
　　对正常煤和变质煤在低温氧化过程中的耗氧量、交叉点温度以及气体产物的研究结果表明:在整个低温氧化过程中，变质煤耗氧量高于正常煤，交叉点温度低于正常煤，而且变质煤的自燃倾向性指数Ⅰ明显低于正常煤，说明变质煤具有更高的自燃倾向性。另外，与正常煤相比，变质煤的着火温度、燃尽温度均有显著的提高，燃烧综合特性指数S较正常煤有明显的降低，说明受火成岩影响的变质煤燃烧较困难，综合燃烧性能较差。变质煤自燃倾向性的提高主要是由于火成岩侵入导致变质煤的平均孔径、孔隙率和孔容增大，特别是直径＞20nm这部分孔隙的数量明显增加，进而导致氧气更易扩散至煤的内部发生氧化反应;而变质煤燃烧特性的改变主要是由于火成岩的热变质作用使得煤的变质程度提高，煤体中挥发分的含量降低，煤体表面活性基团数量减少所致。
　　利用Fluent软件对受火成岩影响严重的南二905工作面采空区漏风流场和瓦斯浓度场进行数值模拟研究，结果表明:工作面风量增大能够降低浅部采空区的瓦斯浓度，但采空区氧化带明显变宽且位置更深，合理风量的选择应根据采空区中氧化带和瓦斯分布的变化情况来确定;瓦斯高抽巷和高位钻场抽采能够有效降低浅部采空区瓦斯含量，有利于缓解工作面上隅角瓦斯超限的问题，同时也会造成采空区氧化带范围扩大的隐患;对采空区进、回风侧同时堵漏能够有效、均匀地缩小采空区氧化带范围，且其位置更靠近工作面，有利于采空区防灭火工作的开展;利用惰化技术向采空区灌注氮气能够减少采空区漏风量、稀释氧气和瓦斯，缩小氧化带范围并有效降低注氮口一侧采空区内的瓦斯浓度。根据上述模拟结果，可以优化南二905工作面的配风量与瓦斯抽采方法，完善大兴矿现有的采空区煤自燃防治措施。
　　针对大兴矿火成岩侵入对煤体低温氧化过程显著的促进作用，同时为了克服现有注砂、注泡沫等技术保水性差、水分易流失，防治煤自燃作用时间短的难题，研制出了一种新型的保水性能好、稳定周期长且具有成膜覆盖效果的高保水泡沫防灭火材料及制备系统。同时结合大兴矿现有的防灭火技术，从漏风区域充填堵漏、采空区遗煤覆盖隔氧和隐蔽高温点快速惰化降温三个方面考虑，提出堵漏控风—覆盖隔氧—惰化降温的“三位一体”综合防灭火技术体系，并在大兴矿南二905工作面得到成功应用，有效治理了采空区的煤自燃隐患，保障了该工作面的安全生产，为大兴矿其他工作面的安全高效回采提供借鉴。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 火成岩侵入对煤性质的影响

1．2．2 煤自燃影响因素

1．2．3 煤自燃机理及实验技术

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 技术路线

2 火成岩侵入对煤结构的影响规律研究

2．1 煤样采集

2．2 地球化学分析

2．3 矿物成分及结构研究

2．4 表面活性基团测试分析

2．4．1 常温下煤中活性官能团分布规律

2．4．2 火成岩侵入对煤中活性官能团分布的影响

2．5 原煤和变质煤表面形貌分析

2．6 孔隙结构分析

2．6．1 低温氮气吸附测试

2．6．2 压汞测试

2．7 本章小节

3 火成岩侵入条件下煤的氧化特性实验研究

3．1 火成岩侵入条件下煤低温氯化特性分析

3．1．1 实验装置及测试方法

3．1．2 火成岩侵入对煤低温氯化特性的影响

3．2 火成岩侵入条件下煤的低温氧化过程气体产物研究

3．3 火成岩侵入条件下煤的氯化燃烧特性研究

3．3．1 实验系统

3．3．2 正常煤和变质煤的燃烧特性参数的对比研究

3．3．3 正常煤和变质煤的燃烧动力学研究

3．5 本章小结

4 瓦斯抽采条件下采空区煤自燃危险区域模拟研究

4．1 工作面概况及模型建立

4．1．1 工作面概况

4．1．2 模型参数

4．1．3 采空区流体运动基本控制方程

4．2 不同风量条件下采空区危险区域划分

4．3 顶板瓦斯高抽巷道抽采条件下采空区危险区域划分

4．4 高位钻场抽采条件下采空区危险区域划分

4．5 充填堵漏条件下采空区危险区域划分

4．6 注氮条件下的采空区危险区域划分

4．6．1 不同注氮粮量条件下采空区危险区域划分

4．6．2 不同注氮位置条件下采空区危险区域划分

4．7 本章小结

5 高保水泡沫防灭火技术研究

5．1 高保水泡沫的理论基础

5．1．1 泡沫液的表面张力

5．1．2 泡沫的形成过程及稳定性

5．2 高保水泡沫发泡剂的研制

5．2．1 主要原材料

5．2．2 测试方法及实验方案

5．2．3 实验结果分析

5．3 高保水泡沫形成机理及制备方法

5．3．1 保水稳泡复合添加剂的研制

5．3．2 高保水泡沫稳定机理

5．3．3 高保水泡沫实验制备研究

5．3．4 高保水泡沫稳定及成膜特性研究

5．3．5 高保水泡沫对煤自燃抑制作用研究

5．3．6 高保水泡沫扑灭多孔介质内高位火源实验效果

5．4 高保水泡沫制备系统

5．5 本章小节

6 大兴矿火成岩侵入煤层“三位一体”防灭火技术体系的构建与应用

6．1 堵漏控风—覆盖隔氧—情化降温“三位一体”防灭火技术体系

6．1．1 河砂充填堵漏控风技术减少采空区漏风供氯

6．1．2 高保水泡沫覆盖隔氧技术抑制煤低温氧化产热

6．1．3 二氧化碳和氮气耦合惰化技术对采空区惰化降温

6．2 “三位一体”综合防灭火技术体系在大兴矿的应用

6．2．1 大兴矿南二905工作面概况

6．2．2 实施方案

6．2．3 应用效果分析

6．3 本章小节

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

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