近距离煤层采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防控机制及应用

摘要

煤矿生产中最突出的灾害是瓦斯和煤炭的自燃，当工作面瓦斯与煤自燃共存时，对（矿山生产）安全构成极大的威胁。近年来，随着采掘深度的增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压(力不断增加),瓦斯与煤自燃灾害交织共生现象愈加普遍，特别是综采放顶煤工作面或者（较厚的）上部邻近煤层完全垮落进冒落带的情况，后部采空区落煤空间大，遗煤量大，（逐渐涌出）量大，积聚空间大，灾害风险不断增大，煤矿安全生产形势愈加严峻。共生灾（的治理）需要统筹兼顾，不能顾此失彼，因此要达到协同防治的目的，必须找到采空区（瓦斯治理）和煤自燃灾害防治的最佳平衡状态。 然而，由于采空区瓦斯与煤自然发火共生灾害是多尺度、多物理场耦合作用的结果，(产生灾害)的原因复杂多变，目前对裂隙场、温度场、渗流场之间的耦合作用关系研究依然不够深）入，导致对井下采动裂隙场中瓦斯与煤自然发火灾害的发生、发展机制认识不（滞。致使）在协同防治采空区瓦斯与煤自燃共生灾害技术方面缺乏理论指导。为此，本文（开展了高）瓦斯近距离煤层采空区采动裂隙场中瓦斯与煤自燃耦合致灾理论及防治技术（的研究），主要研究内容及成果如下： 从两种灾害的发生机制及来源着手，测定高瓦斯近距离煤层瓦斯参数，明确综放面（的瓦斯涌出）出来源，并对涌出量进行预测，基于程序升温实验的煤自燃特性研究，得到煤（自燃特性）参数及不同瓦斯含量煤的自燃特性，通过程序升温实验的方法将瓦斯解吸与煤（自燃发生）进行了有机结合，更为真实地反映了煤自燃发生的过程。 通过理论分析、物理相似模拟实验、RFPA数值模拟及现场实测等方法，得到采动（效应下采）动覆岩裂隙场的演化规律及覆岩“三带”分布，在此基础上揭示了裂隙场中气（体运移及）遗煤氧化规律，得到裂隙场、渗流场和温度场中瓦斯与煤自燃耦合致灾机制。（对采空区）气体浓度及温度进行现场观测，划分出瓦斯与煤自燃灾害重点区域，并针对重点区域出了采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防治技术。 依据现场实测建立CFD模型，进行数值模拟预测研究，从通风、抽采和防火三个理空间位置及抽采负压，并结合理论分析确定合理工作面推进速度及灌浆量，并依此优化通风与瓦斯抽采方法，完善防火措施。 基于复合灾害防治方法，试验研究高瓦斯近距离煤层采空区高抽巷治理瓦斯、尾巷排放瓦斯，采空区灌浆防灭火、阻化泡沫防灭火，验证了复合灾害防治效果，建立适合采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的监测、治理和应急的综合防治技术体系。

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1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 近距离煤层群开采裂隙动态演化规律研究

1.2.2 近距离煤层群瓦斯治理研究

1.2.3 煤炭自然发火预测预报及防治技术研究

1.2.4 采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防控研究

1.2.5 目前研究存在的问题

1.3 研究内容及研究目标

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标

1.4 研究方法及技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

2 采空区瓦斯与煤自燃共生及防控机制

2.1 采空区瓦斯与煤自燃灾害特性

2.1.1 采空区瓦斯爆炸及煤自燃发生条件

2.1.2 采空区瓦斯与遗煤自燃致灾特征

2.2 煤层瓦斯与煤自燃共生灾害机理

2.2.1 基本假设

2.2.2 煤变形控制方程

2.2.3 气体扩散-渗流控制方程

2.2.4 氧气组分质量守恒

2.2.5 能量传输控制方程

2.2.6 交叉耦合控制方程

2.3 采空区瓦斯与煤自燃灾害区域划分

2.3.1 采空区气体浓度观测方法

2.3.2 采空区气体浓度及温度分布规律

2.3.3 采空区瓦斯与煤自燃灾害防治重点区域

2.4 采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防治技术

2.4.1 采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防治方法选择原则

2.4.2 采空区瓦斯治理技术

2.4.3 采空区煤自燃防治技术

2.5 本章小结

3 综采工作面瓦斯涌出规律及涌出来源分析

3.1 煤层瓦斯基本参数测定

3.1.1 煤层瓦斯含量测定

3.1.2 煤层瓦斯吸附常数a、b值测定

3.1.3 煤体坚固性系数测定

3.1.4 煤层瓦斯放散初速度测定

3.2 工作面瓦斯涌出来源及特征

3.2.1 工作面瓦斯涌出来源分析

3.2.2 301工作面瓦斯涌出规律

3.3 工作面瓦斯涌出量预测

3.3.1 工作面瓦斯涌出量预测方法

3.3.2 瓦斯涌出量预测结果

3.4 本章小结

4 煤自燃特性及自然发火实验

4.1 原始煤样自燃特性参数测定

4.1.1 实验装置及原理

4.1.2 实验条件

4.1.3 14#、15#煤程序升温实验结果及分析

4.1.4 实验结果及分析

4.2 不同瓦斯含量煤自燃程序升温实验

4.2.1 实验方案

4.2.2 实验结果

4.3 煤自然发火过程物理模拟实验

4.3.1 煤自燃模拟试验装置主要构成

4.3.2 试验过程与数据分析

4.3.3 煤样自燃特性参数研究

4.4 本章小结

5 近距离煤层采动覆岩裂隙演化规律及其形态研究

5.1 采场覆岩冒落带高度的理论分析

5.1.1 根据经验公式的计算结果

5.1.2 根据碎胀系数公式的计算结果

5.2 采场覆岩“三带”高度的相似模拟实验

5.2.1 模型的设计

5.2.2 实验现象分析

5.3 采场覆岩“三带”高度的数值模拟

5.3.1 RFPA软件简介

5.3.2 数值模型建立及网格划分

5.3.3 数值模拟结果分析

5.4 采动覆岩“三带”高度的现场实测研究

5.4.1探测仪器测试原理与测量方法

5.4.2 钻孔参数及其布置

5.4.3 探测结果分析

5.5 采场覆岩“三带”高度的确定

5.6 本章小结

6 采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防治关键参数研究

6.1 CFD简介

6.2 采空区仿真模型的确定

6.2.1 计算模拟的简化

6.2.2 边界类型和条件

6.2.3 求解模型及差分格式

6.3 工作面合理配风量的确定

6.3.1 工作面合理进风量的确定

6.3.2 各巷道配风量的确定

6.4 高抽巷抽采参数的确定

6.4.1 高抽巷与煤层顶板垂距的确定

6.4.2 高抽巷与回风巷平距的确定

6.4.4 高抽巷最佳抽采负压的确定

6.5 工作面推进速度的确定

6.5.1 工作面下限推进速度的确定

6.5.2 工作面上限推进速度的确定

6.5.3 工作面合理推进速度的确定

6.6 工作面灌浆量的确定

6.6.1 灌浆方法

6.6.2 灌浆参数的选择

6.7 本章小结

7 采空区瓦斯与煤自燃灾害协同防治现场实践

7.1 矿井及工作面概况

7.2 采空区瓦斯与煤自燃协同防治方案

7.2.1 监测监控技术

7.2.2 采空区瓦斯治理技术

7.2.3 采空区防灭火技术

7.3 采空区瓦斯与煤自燃协同防治效果

7.3.1 工作面瓦斯抽排效果

7.3.2 采空区煤自燃防治效果

7.3.3 工作面瓦斯与煤自燃综合防治效果

7.4 本章小结

8 结论

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录

附表