采空区瓦斯煤火耦合灾害伦理风险评估

针对高瓦斯易自燃煤层采空区瓦斯抽采与煤自燃防治相互矛盾、相互制约的特点;分析瓦斯煤火耦合灾害的致灾机理,确定了影响采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害的主控因素,识别了现有瓦斯与煤自燃防治技术潜在的伦理风险,基于层次分析法建立了瓦斯煤火耦合灾害伦理风险评估模型;并在孔庄煤矿7436工作面进行了现场应用。结果表明:7436工作面回采期间发生煤自燃的权重为0.262 3,发生瓦斯灾害的权重为0.205 4,瓦斯煤火耦合灾害的发生权重为0.529,工作面回采期间应特别关注瓦斯煤火耦合灾害的发生,且在单独治理煤自燃灾害和瓦斯灾害时,煤自燃灾害发生的概率高于瓦斯灾害。

告成矿23041采空区煤自燃与瓦斯爆炸危险区域分布规律研究

为了得到采空区煤自燃和瓦斯爆炸性分布规律,选取穿层钻孔作为测点对告成矿23041采空区进行气体观测试验,利用观测数据和Matlab绘制了采空区O_(2)、N_(2)、CO_(2)、CH_(4)浓度的立体分布和等值线,分析得到了采空区内部气体的变化规律及影响因素;基于采空区多组分气体爆炸性计算方法,结合观测数据和Matlab计算绘制了采空区内部瓦斯爆炸性立体分布和8个测点爆炸区域分布图,分析了采空区内部瓦斯爆炸性分布规律,确定了8个测点爆炸区域可燃气体浓度为9%~25%;根据采空区煤自燃和瓦斯爆炸区域分布,将采空区分为5个区域,给出了5个区域的分布范围,叠加煤自燃和瓦斯爆炸区域得到了采空区危险区域的范围,计算工作面安全回采速度为0.59 m/d,确保了工作面安全高效生产。

矿井瓦斯与煤自燃共生灾害:耦合关系、致灾机制、防控技术

为了探索矿井瓦斯与煤自燃共生灾害防控关键科学问题,研发智能化技术装备,保障高瓦斯易燃煤层安全开采,基于共生灾害多尺度、多时空、多物理化学场耦合的复杂演化过程,从瓦斯对煤炭氧化自燃的抑制和煤自燃对瓦斯爆炸极限的影响2个方面,分析共生灾害的耦合关系;考虑煤层瓦斯抽采过程中煤基质瓦斯-扩散-渗流、裂隙瓦斯-空气混流以及煤体吸附/解吸引起的煤基质变形过程,建立瓦斯抽采流-固耦合模型和煤自燃发火流-固-热耦合模型,揭示共生灾害致灾机制;归纳总结瓦斯与煤自燃共生灾害防控理论和技术,展望未来的发展趋势。研究结果表明:瓦斯与煤自燃共生灾害的发生是裂隙场内漏风氧气场、蓄热温度场、瓦斯分布场等多场耦合在时间维度上积累的结果,对其防控的关键在于共生灾害动态风险精准识别、实时预警和响应措施的快速执行。

煤自燃气体特征及其对瓦斯爆炸下限影响实验研究

现有研究大多从煤自燃单组分气体或部分组分混合气体角度对瓦斯爆炸极限进行分析,而对煤自燃过程中不同阶段产生的混合气体对瓦斯爆炸极限的影响分析不足,对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合致灾开展的实验研究较少。针对上述问题,通过模拟煤自燃实验装置研究了煤自燃过程中气体生成特征规律;采用20L球形爆炸装置对瓦斯混合煤自燃各个阶段生成气体进行实验,研究了煤自燃气体对瓦斯爆炸下限的影响。实验结果表明,实验煤样自燃过程中产生的可燃性气体主要为CH4,CO,C2H4,C2H6,C2H2等,其中CH4和CO体积分数最高,最高体积分数分别为0.75%和0.37%;煤自燃不同阶段产生的可燃性气体含量随自燃时间的增加和温度的升高均呈现增大趋势,煤自燃加热初期,温度小于80℃主要产生了CH4,CO可燃性气体,CO可以作为煤自燃缓慢氧化阶段的标志气体;随着自燃时间的持续,温度超过80℃后,开始产生C2H4和C2H6,随后逐渐产生C3H8气体,C2H4的出现表明煤氧化进入了加速阶段;煤氧化自燃后期,大约到220℃时出现C2H2,此时煤进入激烈氧化阶段;低体积分数的CO能抑制瓦斯爆炸,高体积分数CO能促进瓦斯爆炸,导致爆炸压力变大,爆炸下限降低;煤自燃过程中产生的混合气体增大了瓦斯爆炸压力,爆炸下限最大降低了0.55%,瓦斯爆炸的危险性变大。

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。

采空区煤自燃阶段特性与瓦斯爆炸的动力学关系研究

为探究采空区遗煤自燃阶段特性与瓦斯爆炸的动力学关系,针对采空区遗煤自然发火三个阶段的不同特点,以定容反应器为模型,采用数值计算软件CHEMKIN模拟了自然发火不同阶段不同工况下,瓦斯爆炸前后关键反应基元步及爆炸时间的变化。计算结果对比分析表明:缓慢氧化阶段对瓦斯爆炸表现为抑制作用;加速氧化阶段对瓦斯爆炸表现较为复杂;激烈氧化阶段对瓦斯爆炸表现为促进作用。同时,数值计算结果与实验室测试结果基本一致。

综放采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域识别研究

为了定性定量研究综放采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害危险区域,探究了综放采空区瓦斯与煤自燃耦合灾害特性,提出了采空区安全度与危险区域系数双重指标,建立了采空区瓦斯混合气体流动、气体组分对流扩散等多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟保德煤矿81505工作面不同供风量条件下采场O_(2)与瓦斯气体浓度分布特征。研究结果表明:采空区氧化带呈非对称性,进风侧宽度较大。采空区瓦斯积聚在采空区深部靠近回风侧的范围内。在模拟供风量里,氧化带宽度随供风量的增加而增加,而采空区最高瓦斯浓度与上隅角瓦斯浓度随供风量的增加逐渐减小。随着供风量的增加,危险区域往采空区深部逐渐拓宽,危险区域系数与供风量呈线性关系。在同等供风量条件下,采空区不同平面的危险区域系数随距离底板高度的增加而降低。

Y型通风方式瓦斯与煤自燃耦合模拟

针对寸草塔二矿31102工作面瓦斯超限的问题,采用调整工作面供风量与尾巷埋管瓦斯抽采相结合的方式进行综合治理.通过建立流-化-热多场耦合数学方程,利用多物理场仿真软件COMSOL进行瓦斯治理过程模拟,得出了采空区多场耦合的致灾规律.研究结果表明:工作面风量增加,采空区高瓦斯区域向采空区后方移动,工作面瓦斯体积分数降低.将工作面风量1174 m^(3)/min作为基础风量,当供风比增加到1.25时,工作面上隅角瓦斯体积分数降低至0.24%.采空区高温度区域相对与氧化带范围具有一定的滞后性,埋管瓦斯抽采的流量增加,采空区氧化带宽度也逐渐增加,当抽采纯量为60 m^(3)/min,氧化带宽度为295 m,工作面上隅角的瓦斯体积分数降低到0.16%.

开采过程中采空区煤自燃与瓦斯复合致灾隐患区域研究

矿井开采过程中采空区煤自燃火灾往往诱发瓦斯爆炸的重大灾害事故。为探究矿井开采状态下采空区煤自燃与瓦斯的复合致灾,本文基于数值模拟的手段对煤自燃与瓦斯的复合致灾隐患区域进行判定与分析。使用移动网格的数值方法并利用laplace平滑方法对网格变形进行修正,实现工作面推进状态下采空区逐渐扩大的动态模型。通过对渗流场、浓度场和能量场多物理场耦合求解,建立了工作面推进过程中煤自燃与瓦斯涌出的动态数值模型,得到正常开采状态时采空区孔隙率、氧气体积分数和瓦斯体积分数分布规律。结果表明,瓦斯可爆区域呈斜长条形,进风侧瓦斯可爆区域位于采空区深部,回风侧可爆区域则靠近工作面。基于煤自燃与瓦斯复合致灾理论,对采空区复合致灾隐患区域进行判定,发现煤自燃与瓦斯复合致灾隐患区域主要位于靠近工作面后方15~60 m处的回风侧,而采空区进风侧与深部复合致灾危险性较小。通过定量分析通风量、工作面推进速度和瓦斯涌出衰减速率对复合致灾隐患区域的影响,发现随着通风量增大,氧化带向采空区深部移动,工作面附近瓦斯体积分数降低。在通风速度由0.5 m/s增大至1.2 m/s时,复合致灾隐患区域逐渐扩大,而当继续增大通风量时,隐患区域逐渐缩小。工作面推进速度加快时,瓦斯可爆区域宽度增加,氧化带和瓦斯可爆区间重叠区域扩大。但工作面推进速度增加将有利于降低煤自燃危险性,从而煤自燃和瓦斯复合致灾的危险性减小。煤的瓦斯释放衰减速率增大时,瓦斯体积分数随埋深而增加的增长速度减小,瓦斯可爆区域宽度扩大,从而导致复合致灾隐患区域面积增大。

急倾斜薄煤层采空区煤自燃和瓦斯爆炸危险区域分布特征

为提高急倾斜煤层伪斜开采条件下瓦斯与煤自燃综合防治效果,基于煤自燃"三带"划分标准和瓦斯爆炸三角形,建立采空区自燃"三带"分布的数学模型,利用COMSOL Multiphysics 5.2模拟软件,对东林煤矿3409工作面采空区孔隙率、气体浓度、温度等参数进行模拟分析。结果表明:采空区上部孔隙率较大,下部除回风巷道边缘处较大外,其他区域孔隙率相对较低;氧气浓度结合漏风速度共同划分氧化带范围为:在进风侧氧化带宽23.2 m,在回风侧宽37.6 m,高温区域主要集中在回风侧、采空区的下部距离工作面较近区域;采空区上部瓦斯浓度相对较低,下部瓦斯浓度相对较高;瓦斯爆炸危险区域为中间工作面支架处区域范围为爆炸危险区域。

高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题,采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型,分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律,探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响,并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明:随着抽采量的增大,瓦斯抽采浓度先增大后减小,采空区氧化升温带宽度呈正相关增长,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,建议高位抽采巷道最佳抽采量为90m^3/min;随着进风量的增大,高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小,采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大,最大时达到109.3m,而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,试验工作面最优进风量为1 500m^3/min。

煤自燃与瓦斯共生灾害演化与预警

煤自燃与瓦斯共生灾害预防和控制已成为煤矿亟待解决的重要课题。为了探讨共生灾害的耦合特征及致灾机理,采用数值模拟等方法研究共生灾害的演化过程,并建立了共生灾害的预警和防治体系架构。结果表明:共生灾害是基于多场时空耦合交织产生的灾害,通风量增加,采空区内漏风量增加,灾害区域向采空区中深部移动;相比“U”型通风系统,“Y”型通风系统可有效防止上隅角瓦斯积聚,灾害区域向采空区中深部移动;基于气体体积分数和温度建立了共生灾害预警模型,并从控瓦斯、控时间、控氧气、控温度等方面提出共生灾害协同防控体系,构建了智能化的共生灾害监控系统框架。

采空区煤自燃引爆瓦斯的机理及控制技术

为有效防治高瓦斯易自燃矿井煤自燃引发瓦斯爆炸的难题,实验研究了CH4与煤自燃火灾主要气体CO的混合气体的爆炸浓度范围及爆炸危险度,理论分析了煤自燃引爆瓦斯的可能发生区域和参与过程.结果表明,在高瓦斯易自燃矿井采空区内,当CH4气体中混入大量CO,则混合气体的爆炸浓度上、下限的范围大大增加,爆炸危险度增大;同时,在煤自燃产生的火风压作用下,在发火区与非发火区之间不断形成CH4,CO与新鲜空气的充分混合和热量的对流交换,导致瓦斯爆炸事故的发生.最后提出了采用大流量高品质的含N2三相泡沫来防治煤自燃引爆瓦斯的新技术.

煤自燃高温隐患识别及离子液体防控技术

中国煤层赋存条件复杂多样,有一定的煤自燃倾向性。煤自燃不仅烧毁或冻结大量煤炭资源,造成地面塌陷、空气污染等环境灾害,且常诱发瓦斯爆炸等次生灾害,严重威胁安全生产。煤自燃具有火源隐蔽、易复燃、动态移动等特点,造成高温火源定位难、主动防控难度大。因此,开展煤自燃基础理论与绿色防控技术的研究,对煤炭安全开采、生态平衡和环境保护具有重要的科学与实际意义。

瓦斯/煤尘爆炸冲击波作用下结构的动力响应探讨

总结了国内外瓦斯/煤尘爆炸事故特点,研究了当前形势下瓦斯/煤尘爆炸作用下的灾害作用特性,揭示了瓦斯煤尘单一相、两相共混爆炸的结构动力响应机理及爆炸冲击波与结构间的耦合作用,对比分析了当前国内外爆炸结构相应问题的研究现状,探讨了瓦斯煤尘爆炸防控设备及装置动态安全性的研究方法,提出了瓦斯煤尘爆炸作用下结构动力问题的研究展望。研究工作对于煤矿瓦斯/煤尘爆炸致灾防控具有一定指导意义。

矿井煤自燃灾害“时空-分级-适配”监测预警与应急防控

煤自燃是威胁矿井安全生产的五大灾害之一,中国90%以上煤层为自燃或容易自燃煤层,每年发生自燃灾害4000多起,封闭引发矿井瓦斯爆炸事故,造成重大人员伤亡。

煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题

对我国煤矿发生的重特大事故进行统计表明,热动力灾害(火灾与爆炸)是煤矿重特大事故中占比最高、致灾最严重的灾害。当前对其成灾原因、致灾作用和救灾风险等还认识不足,导致对热动力重大灾害的预防和处理仍缺少有效方法与技术,造成热动力重特大事故至今时有发生、救援处理常面临困境。针对防范与遏制煤矿热动力重大灾害的迫切需求,通过系统的国内外案例统计分析、亲历的事故救援经验总结和长期的深入研究与思考,凝练提出了煤矿热动力重特大事故防治需要解决的3个关键科学问题:采场中气、固相可燃物(瓦斯与煤)复合燃烧及点火特性,热动力灾害致灾因素与通风系统耦合的致灾作用,热动力灾害救援的不确定性风险特性与应对。为解决这些科学问题,需要有针对性地加强和完善瓦斯抽采与顶板控制技术,预防含瓦斯混合空气的形成,减少和控制矿井顶板周期来压造成的压电效应,消除瓦斯燃烧或爆炸的最初点火源,提高矿井的防灾能力;掌握冲击波与烟流在通风系统中传播范围及致灾程度的规律,构建可靠通风系统和有效避险系统,提高矿井的减灾能力;开发发现和处理不确定性风险的方法与技术,提高矿井的救灾能力。这些科学问题的研究解决,可突破现有技术瓶颈,提高预防煤矿热动力灾害、防止事故扩大和应对不确定性风险的能力,为防范与遏制热动力重大灾害事故、保障我国煤炭工业健康可持续发展提供借鉴。

瓦斯矿井工作面火区封闭后爆炸危险性快速预测方法

为了对高瓦斯矿井工作面煤自燃火区封闭后甲烷爆炸危险性进行有效预测,利用质量守恒定律对封闭火区在短时间内甲烷和氧气体积分数的变化规律进行推演,构建封闭火区内甲烷和氧气的积聚模型,分析火区封闭以后采空区内的气体体积分数的变化规律及关键影响因素,基于时间交集理论对火区封闭后甲烷爆炸危险性展开讨论,应用甲烷、氧气积聚模型对某矿火区封闭后的甲烷爆炸性进行估算,得到了甲烷爆炸的可能性及发生时间,及时采取相应的预防措施,成功地避免了火区封闭后甲烷爆炸事故。

深部开采的突出和冲击耦合致灾机理探讨

鉴于我国煤炭深部开采面临的高瓦斯、高应力、低渗透性的问题,分析了煤与瓦斯突出和冲击地压的特点,探讨了深部开采时突出和冲击的耦合致灾机理及监测防治手段。提出了"爆破解危-柔性吸能-强力支护"的冲击地压防治体系。

采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展

采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式,煤自燃作为瓦斯燃烧、爆炸等灾害事故的“点火源”,无疑是防范煤矿采空区复合灾害的关键。目前关于采空区遗煤残余瓦斯(吸附态为主)与风流瓦斯(游离态)对煤自燃影响机理的认识还不够深入,为此探究了含瓦斯条件下煤自燃相关研究的最新进展。现阶段针对含瓦斯风流/气氛下煤自燃特性的研究内容较为丰富,但吸附态瓦斯影响条件下的煤自燃特性实验平台及相关研究成果较匮乏。研究表明,游离瓦斯易引起煤低温氧化气体产物出现明显的“滞后效应”,同时煤体放热强度减弱、活化能整体增大,这反映出氧化气氛中的瓦斯对煤自燃具有抑制作用;相应地,煤自燃过程中的官能团、自由基及煤微晶结构等微观特征参数均会随瓦斯体积分数呈现规律性演变。进一步,考虑到遗煤内部残余瓦斯与风流瓦斯的赋存状态差异,探究了瓦斯对煤自燃过程的影响机理,包括CH4对O_(2)的驱替稀释作用、CH_(4)与O_(2)的竞争吸附解吸引起的置换效应,以及高温环境下的O_(2)分子化学吸附和煤氧复合效应作用。基于此,提出了采空区遗煤在吸附态瓦斯影响下的自燃过程特性、含瓦斯煤自燃流–固–热–化多场耦合特征、含瓦斯煤自燃监测预警理论应用等亟待突破的瓶颈问题。