兴安矿冲击地压煤层自然发火防治技术研究

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冲击地压导致煤体破碎,推进速度难以提高,防治冲击地压一般采用窄煤柱护巷或采用无煤柱沿空布置工作面,共同导致易自燃煤层自燃加剧,自然发火防治的难度显著增加。为协调冲击地压与自燃之间的关系,揭示冲击破碎煤体与无煤柱开采形成的大面积复合采空区遗煤的自燃规律,提高冲击影响下自燃煤层自然发火防治技术水平。开展自然发火绝热氧化实验,确定11煤氧化动力学参数;建立破碎煤体和复合采空区遗煤自燃数学模型,分析巷道破碎煤体和复合采空区漏风、自燃规律等;依据实验、理论研究结果提出冲击影响下自燃煤层自然发火综合防治措施。研究结果表明:
  组建绝热氧化升温模拟系统,采用纯氧开展煤样绝热氧化实验,测定煤样绝热氧化实验过程中的温度及氧气、氧化产物、甲烷等气体浓度,根据氧化热动力学理论,分析和计算确定煤样耗氧速率、氧化产物生成速率、最大与最小放热强度、活化能及最短自然发火期等动力学参数,明确兴安矿11煤的氧化动力学参数与特性,并为破碎煤体自燃及复合采空区遗煤自燃数值模拟提供基础参数与变量。
  采用COMSOL Multiphysics5.02D,通过温度、风压、流速、浓度等变量将Brinkman方程(BR)、物质传递方程(TDS)、传热方程(HT)三个物理场进行有效耦合,建立破碎煤体自然发火多场耦合模型,开展6种不同破碎状态及不同风压差条件下破碎煤体自燃数值模拟研究,根据自燃温度与氧气浓度分布规律,指出破碎煤体易自燃孔隙率范围和易自燃区域,明确风压差与破碎煤体自燃之间的关系。
  采用COMSOL Multiphysics5.02D,将自由与多孔介质流场、多孔介质物质流动、多孔介质传热、稀物质传递等四场通过有效变量进行耦合,建立复合采空区遗煤自燃及防治多场耦合数值模拟模型,模拟研究无煤柱开采对采空区遗煤自燃影响规律及老空区灌浆堵漏、注氮条件下复合采空区遗煤自燃防治技术,分析采空区漏风规律、遗煤氧化带分布规律,确定了无煤柱开采条件下复合采空区遗煤自燃规律,确定了老空区堵漏与注氮等防治复合采空区自燃的工艺参数,为冲击影响下无煤柱开采形成的大面积复合采空区遗煤自燃防治提供理论与技术支持。
  根据现场测试、绝热氧化实验和数值模拟结果,结合现场实际,提出了兴安矿11煤中部区二段工作面掘进与回采期间冲击地压影响下巷道与无煤柱采空区的自燃综合防治技术,采用强化支护、注灰堵漏、巷道修复、沿空掘巷、结合实施人工隔离灰柱带进行老空区堵漏及埋管和钻孔压注氮气等相结合的综合防治措施,保障了该工作面回采期间未发生冲击地压、自燃等事故,实现了安全回采,冲击地压与自燃复合灾害得到了有效控制。
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