Numerical simulation for recognition of coalfield fire areas by Rayleigh waves

Effective recognition of a coalfield fire area improves fire-fighting efficiency and helps avoid potential geological hazards. Coalfield fire areas are hard to detect accurately using general geophysical methods. This paper describes simulations of shallow, buried coalfield fires based on real geological conditions. Recognizing the coalfield fire by Rayleigh wave is proposed. Four representative geological models are constructed, namely; the non-burning model, the pseudo-burning model, the real-burning model, and the hidden-burning model. Numerical simulation using these models shows many markedly different characteristics between them in terms of Rayleigh wave dispersion and Eigen displacement. These characteristics, as well as the shear wave velocity obtained by inverting the fundamental dispersion, make it possible to distinguish the type of the coalfield fire area and indentify the real and serious coalfield fire area. The results are very helpful for future application of Rayleigh waves for the detection of coalfield fire area.

基于STM32的煤田火区远程智能分级注水系统及应用

传统的注水方法不科学,注水作业工程量巨大且效率低,造成了大量的水资源浪费,为了解决该技术难题,研究了煤田火区远程智能配注技术,将温度参数采集模块、电路控制模块、流量控制阀集成在智能配注器内并长期置于地面,结合无线通信技术及自动调整算法,形成了包括智能配注器、智能测控充电一体仪及地面通信控制主机的智能配注工艺。开发了监测系统远程调整注水流程和测温流程的作业时间,从而控制注水流量,实现了注水流量2 L/s、1 L/s、0.5 L/s的分级调控。新疆三道坝火区的现场试验表明,煤田火区智能分级注水技术可为煤火区智能化灭火提供技术支持。

新疆吐哈煤田急倾斜煤层火区精准勘查技术研究——以吐鲁番221团煤矿为例

新疆煤田火区是我国乃至世界上最大的煤田火区,煤火不仅消耗掉大量煤炭资源,同时其燃烧后释放的有毒有害气体也对大气环境造成了严重污染,对国土资源也造成了严重的破坏,极大的影响了当地经济、社会与生态的发展。因此精准勘查火区范围对治理煤田火区具有重要意义。由于各个火区所处的煤田地质条件并不一致,且发火影响因素有差异,所以目前针对火区的勘查手段并没有统一的执行标准,同时通过单一的勘查手段并不能完全准确查明煤田火区的燃烧状况,而为了提高勘测精准程度就需要使用更多的勘查手段,这便使得勘查成本大幅提升。为了平衡好勘查精准程度与勘查成本,本次针对新疆吐哈煤田急倾斜煤层火区采用了综合勘查手段,通过实践研究表明,在控制成本的基础上,本次采用的综合勘查手段有很高的准确度和可靠性,为其他具有类似地质与开采技术条件的煤田火区精准勘查提供了良好的借鉴。

攀枝花宝鼎煤田露头大面积火区探测成果分析

科学分析煤田露头火区燃烧界限,准确判断其影响范围和危害程度,有利于提出有效的治理措施。攀枝花市运用高分遥感、无人机航测等先进技术手段和设备,对宝鼎煤田大面积火区开展了详实的探测,探测出39个火区点位的燃烧状况,形成44.85 km^(2)的光学影像、10.30 km^(2)的热红外影像图和250 km^(2)的遥感影像图,圈定露头火区面积为17.43万m^(2),划定影响范围面积为1285.19万m^(2)。根据探测结果,分析了火区特点、变迁原因及危害,提出按照“分级防治、逐步推进、综合管控”的原则,采取火情监测、火源探测、注水降温、注浆灭火、高温区煤体剥离、黄土覆盖等综合防治措施,推进火区治理进度,为宝鼎煤田露头大面积火区治理提供了基础资料和决策依据。

高温煤岩体电性特征及地球物理数值模拟研究

为指导煤田火区地球物理勘探技术,判断煤火发展的阶段,精准识别隐蔽火区边界,通过分析岩石的导电机理、狭义的煤岩体电性特征,有针对性地展开煤及煤围岩高温电性研究。通过实验测试煤岩体在不同温度下的电阻值,总结出煤岩石电阻率随温度的变化规律及其影响机制;以数值模拟方法为手段,建立煤田火区地电模型并开展瞬变电磁(TEM)正反演计算。结果表明:煤的电阻率随着温度升高而减小,在高温阶段煤的含碳量是影响其电阻率的主导因素;干燥煤围岩的电阻率随温度的升高而降低,热动力条件下自由移动的载流子数量是影响其电阻率的主导因素;高温煤比高温围岩引起的瞬变电磁异常响应幅值大得多,瞬变电磁中心回线装置对于高温火区的耦合效果最佳,火区埋深越浅电性异常效果越明显。

普瑞特防灭火材料在米泉三道坝火区的应用

米泉三道坝煤田火区为矿井火灾引发的煤田火区,火区存在燃烧煤层为急倾斜、特厚煤层,且煤层间距小,煤矿开采和火区燃烧造成地表大范围的塌陷和裂隙,地下采空区、烧空区较多等特点,燃烧情况复杂,施工存在较大的安全隐患,使火区治理难度加大,由于传统注水中的水没有堆积性,易流失,两相泡沫不耐高温等。针对采空区、烧空区、裂隙发育区等区域需要使用具有堆积性的新型注水发泡材料,普瑞特防灭火材料具有胶体、泥浆、惰性气体和阻化剂等材料的优点,注浆时具有发泡性、保水性,使水以发泡的方式在火区裂隙、采空区、塌陷坑内大范围扩散,同时可在其高、中、低位置火源进行全面覆盖,热稳定性好,能够承受明火,在火区治理时能起到持续吸热、降温、湿润和冷却的作用,对裂隙区、采空区和塌陷区的治理效果明显。

煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究

针对现有煤自燃特性参数测试装置的特点和不足,根据煤田火区高温、贫氧的燃烧特点,设计建造了XKGW-1型煤田火区燃烧特性参数测试实验装置。利用该实验装置模拟了煤田火区的燃烧过程,得到了煤样从常温到600℃高温过程中的宏观特性参数规律。实验结果表明,煤样可以在高温、贫氧浓度条件下,继续发生反应,放出大量的热量,维持火区的发展扩大。在火区发展演化的过程中,煤样的升温速率会因水分蒸发等原因出现减小的现象,但总体呈增大趋势;煤样的耗氧速度在50℃之前特别缓慢,之后迅速增大,氧浓度急剧减小,当煤温升高到约130℃左右,氧气浓度降低到3%以下,并持续缓慢降低;CO和CH4的产生量的变化规律相似,都随煤温的升高而升高,并且在110℃之前产生速率较慢,之后逐渐增大;CO2,C2H4,C2H6的产生量的变化规律相似,均随煤温的升高先增大后减小,但峰值点所对应的煤温有所不同。

高分辨地电阻率探测与互联网络远程监测煤田火烧区

为发现、治理、监控煤田火烧区,将互联网的创新成果深度融合于传统地勘技术领域之中,开发了具有探测火烧区范围和中心温度、连续采集、高温传感、远程遥控等主要功能的永久性的无线传感器网络远程监测系统.研发出新型传感器节点,能够与单极-偶极装置互联储存并发送探测数据,同时将高温探头直接放置于地下火烧区巷道进行监测;通过带保护电路的太阳能供电装置,为现场数据采集网络提供了持续充足的能源;由移动通信网和互联网将信号传送到监测中心,实现远程控制监测;在新疆地区的12个火烧区同时部署了所研发的监测系统,至今已工作45个月,表明采取的技术措施可以保障监测系统的免维护长期稳定运行.乌鲁木齐监测中心收到110多万条现场信息,授权后可任意查询、永久保存,为新疆大面积煤田自燃火区的治理和保卫治理成果,提供基础数据.研究结果表明,充分发挥互联网在地球物理探测监测中的优化和集成作用,对提升煤田地质基勘查的创新和生产能力,具有重要的意义.

内蒙古乌达煤田火区相关裂隙研究

针对当前煤层自燃研究中的薄弱环节,以强化地质因素研究为切入点,选择内蒙古乌达石炭二叠系煤田为工作区,深入研究裂隙系统在煤田火区形成的点→线→面扩展演化动力学过程中所起的重要作用.从成因角度将与煤田火区相关的裂隙划分为构造裂隙、采动塌陷裂隙、燃烧裂隙等3种基本类型和5种复合类型.其中,构造裂隙对采动塌陷裂隙和燃烧裂隙具有控制作用,燃烧裂隙通常在构造裂隙和塌陷裂隙基础上发育,单独的燃烧裂隙少见.野外调查和高分辨遥感解译证实,乌达煤田火区分布在裂隙密度较大的区域,裂隙类型与火区类型具有良好的相关性.

煤田火区高温氧化燃烧特性参数测试装置研发

针对煤田火区高温贫氧氧化燃烧特点、现有煤自燃特性参数测试装置的特点和不足,研发了一种煤田火区氧化燃烧特性参数测试装置,并对该装置进行了温控性能检测和煤田火区燃烧特性实验。实验结果表明,该装置温控性能良好,能够测试不同氧气浓度条件下,以不同升温速率或升温方式模拟的煤田火区燃烧特性参数。

煤田露头火区标志性气体确定的试验研究及应用

为了研究煤田露头火区标志性气体及其与火区温度的关系,制作了煤田露头火区试验装置。在该试验条件上,提出焦煤在自燃升温期的30-130、130-190及190℃以上3个区间时,分别以CO、C2H4、C2H2作为标志性气体;在阴燃稳定期,以CO作为标志性气体;在窒息降温期的300-160℃及160℃以下时,分别以C2H6和CO作为标志性气体;分析了格氏火灾系数R2判别火区发展状况的可行性,拟合出了标志性气体浓度与火区温度以及R2与火区温度的关系方程。结果表明,煤田露头火区标志性气体的种类与采空区自燃火区的基本相同,但其产生的最低温度不同,即煤体吸附气体出现的最低温度较高,而煤体氧化气体出现的最低温度较低;依据关系方程和R2,可以方便地预测煤田露头火区的温度和发展状况。

煤田火区温室气体排放通量及其影响因素研究

煤田火区温室气体的排放速率在时间和空间上由于影响因素而存在差异,本研究在对目前气体排放通量研究基础上,采用空气动力学法对神府矿区活鸡兔火区排放CO_2、CH_4气体和风速、温度以及气压等环境参数进行原位监测,测试结果表明,CO_2和CH_4通量的变化规律一致,火区内CO_2、CH_4排放通量变化范围为3.88~30.46 mg/(m^2·s)和0.12~1.36 mg/(m^2·s);通过相关性分析,环境因素对两种温室气体的排放影响很大,火区CO_2、CH_4的排放与风速、温度以及气压均呈显著正相关,相关性大小依次为风速>温度>气压,论证了所建的浓度梯度模型对煤田火区温室气体排放通量的适用性,进而为煤田火区有害气体污染治理提供了思路。

煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法研究

煤田火区有害气体的排放非常显著,已经引起广泛关注。基于目前的研究进展,分析了煤田火区有害气体排放的影响因素,在此基础上建立了煤田火区有害气体排放的现场调查方案,分析了适用于煤田火区有害气体扩散计算的数学模型,提出煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法以及防治对策,并展望了其评估方法的应用前景,以为煤田火区区域大气污染的治理效果分析提供科学依据。

温度对煤岩磁性影响的实验研究

为了研究燃烧后火区中煤与围岩的磁性变化规律,为磁法探测煤田火区提供依据,选取黄陵矿区的岩石、煤矸石和弱黏煤,开展将样品从常温分梯度加热至600℃,待其降温至常温时,分别测定样品在不同磁场强度下的比磁化率的实验。结果表明:温度越高,煤岩比磁化率越大;与岩石和煤矸石相比,煤的比磁化率受温度的影响更加明显,温度25～200℃时煤显逆磁性,受外加磁场强度的影响不大;当升温至200～400℃时煤的磁化率迅速升高,500℃后增长趋势渐缓;再者经高温处理后煤的比磁化率同岩石、煤矸石一样随磁场强度的增大而减小。

煤田火区挥发燃烧机理分析及实验

根据煤田火区挥发燃烧的特点,建立了煤田火区挥发燃烧数学模型和物理模型,用解析方法对数学模型中的控制方程进行求解,得出了在相对静止高温环境中煤层挥发燃烧速度、挥发份组分含量、燃烧火焰温度等参数的解。根据解析的结果,煤田火区挥发燃烧火焰的温度是按挥发份的低热值计算的绝热燃烧温度。在实际的火区中,由于自然对流或强迫对流的作用,真实温度要比绝热燃烧温度低。实验研究发现,在外界加热过程中,不仅发现受热面受到外界的升温影响最大,而内部受到外界影响较小,而且发现在外界温度升高达到一定的程度后,受热面温度会超过外界温度持续上升,这说明该处煤开始了氧化放热。在风量增大后,受热面的温度增长幅度由于煤氧化放热加强而略微提高,而煤体中间层温度下降幅度由于气体对流散热增强而略微提高。

煤田露头火区引起的地表塌陷形式及基岩破坏分析

为了得到煤田露头火区地表塌陷和上覆岩层破坏机理,通过火区实地考察结合理论分析的方法,揭示了地表塌陷的实质是火区上覆岩层的移动,且分为连续变形破坏和非连续变形破坏,将火区上覆岩层的破坏形式归纳为弯曲变形、移动垮落、岩体滑动、滑落充填、基岩滑移,并划分了煤田露头火区的"三带",其高度的确定可依据采空区"三带"的计算方法进行判定。运用弹性力学方法分析得出了火区上下盘岩体的应力分量表达式,以及最大剪应力作用面的方位变化规律。

无人机遥感技术在煤田火区调查监测中的应用

利用无人机平台搭载航摄相机、热像仪、摄像机等传感器,在煤田火区开展可见光航空摄影测量、热红外遥感成像和摄像,能发挥低空、灵活、高清低成本的优势,用于编制大比例尺DOM、DSM(DEM)和等温线图,消除了卫星遥感在热红外波段空间分辨率太低和受太阳辐射影响严重的缺陷,极大地提升煤田火区遥感调查的效率和精度。借助于两期或多期无人机遥感成像,可以实现对火区的动态监测、计算灭火施工的土方量,监测灭火效果。实践证明,利用遥感探测技术组合是当前煤火遥感调查最为高效的方法。

基于遥感和GIS的内蒙古乌达矿区煤火变化监测研究

以1997年TM和2002年ETM+热红外及多光谱遥感影像作为基本信息源,利用多时相热红外影像的煤田火灾识别技术及GIS技术提取煤火信息,通过叠置分析研究了煤田火灾随时间的变化过程。结果显示,1997～2002年期间,内蒙古乌达矿区煤火发生了显著变化,煤火范围逐渐扩大,煤火强度逐渐增强,平均每年增加煤火面积达6210m2。

多源遥感技术在汝箕沟煤田火区动态监测中的应用

以高空间分辨率的Quickbird卫星图像和高光谱分辨率的OMISⅠ航空高光谱图像数据为信息源,结合细分光谱仪、红外测温计等地面遥感技术,对宁夏汝箕沟煤田的煤火现状进行了定量调查分析及动态监测,查明了煤田煤火的范围、强度,分析了不同时期煤田火区的变化规律,评价了火区治理效果并对后续灭火工作提出建议,为火区治理提供了决策依据。

基于ETM+数据的煤田火区温度异常信息提取

快速而准确地提取煤田火区温度异常信息对于主动发现煤火和及时治理煤火具有重要意义。以新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市郊的大泉湖火区为研究区,基于ETM+遥感影像数据,采用普适性单通道法反演煤田火区地表温度,利用人工阈值法和密度分割法提取背景区与温度异常区,将温度异常区与磁法成果图进行图层叠加分析。研究结果表明,普适性单通道算法反演的温度均方根误差为0.68℃,温度异常区与煤火区的重叠率为82.71%,温度异常区反演准确率为80.17%,为基本圈定煤火范围提供了有力的参考。