神东矿区综采工作面采空工常温条件下CO产生与运移规律研究及应用

摘要

神东矿区是我国13个亿吨矿区之一，所属矿井均为全国一流的现代化高产高效矿井，公司年产煤炭达2亿吨，主要开采的煤种为变质程度较低的长焰煤和不粘煤，开采煤层均为容易自燃和自燃煤层。由于矿井产量大、采空区面积大、煤层极易氧化等原因，综采面回风隅角经常出现CO积聚并导致CO持续超限(超过《煤矿安全规程》规定的最高允许浓度24 ppm)，干扰煤自燃预测预报，同时给现场制定科学有效的防灭火和综采面回风隅角CO管理和控制措施带来了困惑，严重影响矿井安全生产。综采面采空区CO产生规律、积聚及运移规律一直是矿井火灾防治的关键科学问题，论文以神东矿区为研究对象，围绕煤煤常温氧化CO产生规律，采空区CO积聚、运移规律，综采面回风隅角CO安全及自燃预警浓度，CO控制技术和管控标准开展研究，为解决长期困扰我国西北、华北等重点产煤基地日常生产中CO超限与自然发火关系的问题，制定符合现场实际的矿井防灭火技术管理标准提供依据。得到以下主要结论:
　　(1)通过理论分析、现场观测发现，神东矿区综采面生产期间回风隅角CO较检修期间超限严重，相比CO浓度高出约10～20 ppm。留顶煤采煤方法CO超限最为严重，一次采全高工作面基本上未产生CO超限。神东矿区综采面回风隅角CO来源是采空区浮煤常温氧化、胶轮车尾气、采煤机割煤破碎煤体产生，其中采空区浮煤常温氧化是主要来源。采空区浮煤常温氧化造成工作面回风隅角CO浓度达80～150 ppm，占76％;密集车辆时间段胶轮车尾气造成工作面回风隅角CO达10～20 ppm，占18％;采煤机割煤破碎煤体造成工作面回风隅角CO达10 ppm，占6％。
　　(2)通过现场采样、实验室分析对神东矿区开采煤层原始赋存CO含量进行了测定，结果表明:神东矿区煤层中原生赋存的CO含量极少，含量在0.42～0.52×10-6 cm3/g，由于神东矿区综采工作面配风量较大，在1000～3000m3/min变化，因此，煤层中原生赋存的CO不会导致综采面回风隅角CO持续超限。
　　(3)研制开发了煤常温氧化实验装置，现场采样，并进行了5个典型煤层煤样(1.3kg)常温封闭氧化试验。研究结果表明:神东矿区煤在小于20℃的常温环境下能产生CO并消耗一定量的O2，在温度基本保持不变的条件下，CO浓度逐渐升高，一定时间后达到一定浓度值后保持稳定，煤样产生CO浓度最大值为154～425 ppm，浓度稳定时间一般在380～980 min。随着氧化的进行，产生CO速率逐渐下降，下降到一定程度后CO的累积浓度不再上升，稳定在一定的水平。各煤样产生CO速率平均为0.56～1.64cm3/(min· m3)。消耗O2速率和生成CO速率呈正比，不同煤样消耗O2速率不同，一般为0.36～1.30l/(min·m3)。
　　(4)通过对煤常温下惰性气氛下CO脱附实验和氧化环境下的多次氧化实验研究，发现煤解吸与煤氧化过程中的CO释放速率具有相似的过程，第一个小时内CO的释放速率锐减，一段时间之后，CO释放速率的减少趋势放缓，并逐步趋于稳定，并通过研究发现，煤的常温氧化是CO释放的主要原因。常温氧化实验过程中CO释放速率的倒数与时间的对数成线性关系，因此CO的释放速率与时间的关系可表示为Rco=α/Int-b，可通过此公式可定量的研究CO释放速率与氧化时间关系。
　　(5)煤常温下多次氧化实验表明:CO的释放速率除了受到氧气浓度和煤体表面活性位点的影响外，主要受到煤氧产生抑制反应的氧化产物影响。当这些氧化产物排空消除后，煤氧反应进程重新恢复，CO释放速率上升。这一结论证明采空区浮煤反复在采空区漏风流的作用下不断地产生CO并随着采空区漏风运移到工作面回风隅角，从而导致综采面回风隅角CO持续超限。
　　(6)通过建立基于氧气消耗速率与氧气浓度的关系函数，获得了煤常温下CO产生机理，煤的常温氧化机制分为五个阶段——“化学反应控制机制”、“过渡期”、“扩散控制机制”、“抑制控制机制”和“类燃烧反应机制”，研究结果可以为综采面回风隅角CO超限治理提供理论依据。
　　(7)通过对综采工作面采空区CO、O2气体的现场观测，并结合煤常温氧化实验结果，确定了采空区CO产生的危险区域，采空区中CO气体浓度在距离工作面60～100m的位置出现最大值，一般在71～230ppm间，然后在120m稳定，CO在50ppm以内。
　　(8)通过建立工作面不同推进位置时的3D气体运移CFD模型，研究分析了U型通风工作面气体分布特征，在此基础上，模拟分析了U型通风工作面采空区不同位置煤氧化产生CO气体在采空区的分布特征，得出了CO气体在采空区的运移规律。
　　(9)在大量的实验和现场观测的基础上，建立了神东矿区综采面回风隅角CO安全及自燃预警浓度预测模型:Cco=(k1l1+k2l2）LH(1-φ)vCO/ηQ
　　利用该模型计算确定了神东矿区综采面回风隅角CO安全及自燃预警浓度值，并与现场测定结果相吻合。确定了神东矿区综采工作面正常回采时回风隅角CO安全浓度为85ppm，自燃预警浓度为350ppm。
　　(10)在对神东矿区开采技术条件及煤自燃特点，在大量现场观测、实验室研究、理论分析计算的基础上，结合神东矿区现有的防灭火技术装备条件，编制了《神东矿区防灭火管理规定》。该管理规定给神东矿区防灭火工作提供了科学的依据，对神华集团及我国类似条件矿井防灭火技术管理具有借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文选题背景和意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤低温氧化实验研究

1．2．2 矿井中CO气体相关研究

1．2．3 采空区煤自燃及气体运移规律研究

1．3 本文研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法及技术路线

参考文献

第二章 神东矿区煤层自燃特点

2．1 神东矿区概况

2．1．1 矿区基本概况

2．1．2 矿区开发特点

2．2 神东矿区煤层自然发火特点

2．2．1 煤层自燃倾向性

2．2．2 煤自燃标志性气体

2．2．3 煤层自然发火情况

2．2．4 自然发火危险性评价

2．3 采空区气体涌出特点及原因分析

2．3．1 综采面回风隅角CO超限现状

2．3．2 综采面采空区气体涌出特点及原因分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 神东矿区综采面CO气体来源辨识

3．1 综采面CO气体来源

3．2 综采面CO来源现场测试

3．2．1 煤层中原生赋存的CO测试

3．2．2 采煤过程产生的CO测试

3．2．3 井下胶轮车尾气产生的CO测试

3．2．4 采空区浮煤常温氧化产生CO测试

3．3 现场测试结果分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 神东矿区煤自燃特性实验研究

4．1 煤自燃基础参数测试

4．1．1 煤样采集

4．1．2 煤样工业分析

4．1．3 煤样元素分析

4．1．4 煤样真相对密度

4．1．5 煤自燃倾向性

4．2 煤自燃特征温度实验研究

4．2．1 煤自燃特征温度分析

4．2．2 实验设备

4．2．3 实验条件

4．2．4 实验结果与讨论

4．3 煤程序升温氧化实验研究

4．3．1 概述

4．3．2 指标气体优选的原则

4．3．3 煤样程序升温氧化实验

4．3．4 煤样程序升温氧化过程CO产生速率

4．4 本章小结

参考文献

第五章 神东矿区煤常温下氧化CO产生规律研究

5．1 煤常温氧化实验装置

5．2 煤常温氧化实验

5．2．1 实验煤样

5．2．2 实验方法及过程

5．2．3 实验结果分析

5．3 煤氧反应速率理论计算

5．4 煤分子结构模型分析

5．5 CO产生和O2消耗规律

5．5．1 CO来源探讨

5．5．2 CO生成速率模型及规律

5．5．3 O2消耗规律

5．5．4 CO释放机理探讨

5．6 本章小结

参考文献

第六章 神东矿区综采面采空区CO运移规律

6．1 通风系统特征及综采面通风方式

6．1．1 通风系统特征

6．1．2 综采面通风方式

6．2 采空区CO分布现场测试

6．2．1 采空区CO分布观测方法

6．2．2 采空区CO分布观测结果分析

6．3 采空区C0运移规律CFD模拟

6．3．1 采空区CO运移CFD模拟理论基础

6．3．2 采空区CO运移规律CFD模拟方法

6．3．3 采空区CO运移规律CFD模拟

6．4 本章小结

参考文献

第七章 综采面回风隅角CO预警浓度预测及超限控制技术研究

7．1 综采面回风隅角CO预警浓度预测模型

7．2 典型综采面回风隅角CO预警浓度预测

7．3 对我国现行《煤矿安全规程》CO允许浓度的探讨

7．3．1 我国现行《煤矿安全规程》CO允许浓度存在的问题

7．3．2 对《煤矿安全规程》CO允许浓度的修订建议

7．4 综采面回风隅角CO超限控制技术

7．4．1 矿井开拓开采方面的措施

7．4．2 安全监测方面的措施

7．4．3 通风系统方面的措施

7．4．4 通风技术及管理方面的措施

7．5 本章小结

参考文献

第八章 全文总结与展望

8．1 全文总结

8．2 论文的创新点

8．3 展望

致谢

攻博期间主要科研成果