煤自燃热效应对采空区瓦斯分布的影响机理.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月矿业工程研究 :煤自燃热效应对采空区瓦斯分布的影响机理凌紫城,施式亮,鲁义,李贺,张巨峰(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 ;湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 )摘要:利用自主设计搭建的三维采空区流场模拟试验装置,开展煤自燃升温模拟试验 结果表明:()随热源温度升高,高温范围沿 轴,轴向外延伸;某点温度与距热源距离呈负相关;同一位置温度随时间呈指数增大;()自燃后发生瓦斯积聚现象,第层出现在热源处,层在热源沿倾向偏 处;热源附近瓦斯低体积分数区域随升温扩大;采空区深部瓦斯体积分数在竖直方向上从低平面到高平面分别呈下降、持平、升高趋
2、势 分析得到:瓦斯积聚是热源产生的升浮力与抽吸力共同作用的结果;积聚点偏移是向上的升浮力受到了水平漏风风流的影响;升浮强度与抽吸强度均随温度升高而增大,但在不同高度平面存在不同关系关键词:煤自燃;热效应;模拟试验;瓦斯分布;影响机理中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):(),(),:;近年来,由于许多浅部矿井逐渐开采完毕,深部矿井的数量不断增加 ,随着采煤深度的增加,煤层瓦斯含量、瓦斯压力、地温等也不断增大,煤炭更易出现自燃 ,从而影响瓦斯空间分布,增大瓦斯爆炸灾害风险 因此,研究煤自燃对瓦斯分布的影响机理对有效防治矿井灾害有着重要意义收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目
3、(;)通信作者,:第 期凌紫城,等:煤自燃热效应对采空区瓦斯分布的影响机理丁广友等 通过现场实验发现煤自燃产生大量可燃气体,且自燃发火会诱发瓦斯爆炸;秦波涛等 认为煤自燃产生的标志性气体会改变瓦斯爆炸上下限,提高瓦斯爆炸风险;有学者借助气相色谱仪在程序升温实验中开展各气体成分的分析,得到空间气体变化规律 ;也有学者借助 计算得到升温实验中可燃性气体体积分数与瓦斯爆炸极限的关系 近年来,部分学者在研究自燃点位置、自燃温度对瓦斯分布影响方面也取得一定成果 宋钰 认为采空区出现高温源后,使瓦斯向采空区顶部积聚;高昂 实验发现采空区进风侧存在高温点时,瓦斯体积分数等高线会在高温点附近产生向进风巷方向弯
4、曲的现象;李林 认为采空区煤自燃点会引起局部瓦斯积聚,瓦斯体积分数呈倒“”形分布 虽然上述研究从不同角度分析煤自燃对瓦斯分布的影响,但只对比有无自燃的情况,未能细化升温过程中的具体温度 鉴于此,笔者将设计并搭建三维采空区流场模拟实验台,开展煤自燃升温模拟试验,研究升温过程中温度场、瓦斯体积分数场随热源温度变化的分布规律,并宏观分析热效应对瓦斯分布的影响机理 试验系统 装置结构根据已授权专利设计并搭建三维采空区流场模拟试验装置,装置箱体的设计尺寸为 ,表 为各部分具体尺寸 图 为试验装置,其主要部分为箱体结构、通风系统、加热系统、温度采集系统、气体注入系统和气体采集检测系统,该装置可模拟采空区煤
5、炭自燃,并得到自燃条件下采空区流场分布表 试验装置各部分尺寸单位:名称长度宽度高度工作面 进、回风巷 采空区 气体释放间 箱体模型为长方体,其骨架由厚 的角钢通过螺栓连接制成,箱体 面均为厚 的亚克力板,箱体两侧的亚克力板各预留 个直径为 的采气孔和 个直径为 的穿线孔 装置采用 型通风,通风系统由风机、风速计、控制阀和风巷模型组成,以进风巷口风速为通风系统的唯一控制量 加热系统由可编程温控仪、热源、型热电偶组成,热源由镍铬电阻丝通电发热的原理设计,功率 ,温控仪按提前编好的程序控制电热丝功率,实现程序升温进程 温度采集系统实时监测温度并上传至电脑,由 多路温度记录仪和 型铠装热电偶组成,热电
6、偶的测温范围为 ,精度为()图 三维采空区流场模拟试验装置安全起见,选用密度相近、无害、不燃的惰性气体氦气()替换瓦斯()进行试验(以下分析中仍称作瓦斯)气体注入系统由氦气气瓶、减压阀、转子流量计、输气管路及特制的气体释放间组成,氦气经过矿业工程研究 年第 卷 次分流由 条输气管路进入气体释放间,充分扩散后从下至上涌入采空区 气体采集检测系统由采气软管、负压采样泵、针筒和氦气检测仪 组成,其中氦气检测仪响应时间小于 ,检测误差在 内 试验采用人工采气方式,为保证样本的一致性,由 人持 台采样泵从采气软管采集气样,储存至 针筒并密封好,逐个输入氦气检测仪中进行体积分数检测 预试验分析为准确设置试
7、验参数,设计 个预试验,以确定热源的温度传递范围和提前注气速率、时间的优选方案 结果显示:()热源升至 时,其温度传递范围:,(采空区走向为轴,倾向为 轴)()在无通风条件下,转子流量计均调至 并注气 ,可认为氦气已充分扩散至整个采空区;当进风巷风速为 时,转子流量计均调至 并注气 ,可认为采空区流场趋于稳定 测点布置以箱体底面进风巷与工作面交点为原点建立空间坐标系,定义采空区走向为 轴,倾向为 轴,高度为 轴 按高度铺设 层测点网络,命名为第层()、第层()、第层()图 为测点平面布置图,每层均布置 行 列共 个测点,测点沿 轴间距为 ,沿 轴间距为 ,编号依次为 根据预试验结果,在第层布置
8、 个温度测点,具体布置如图 虚线框所示;第和第层仅在 处布置 个温度测点,以研究不同高度、同一位置的温度随时间变化规律 图 中圆形区域与图 中圆盘均表示装置的热源,其几何中心距工作面 ,距进风侧 ,高 ;虚线“”为倾向监测线,虚线“”“”为走向监测线图 测点平面布置与实物对照 试验过程确认装置的密封性和连接情况无误后,根据预试验结果,采空区流场趋于稳定后开始试验 试验共设计 组常温对照试验、组自燃升温试验 不加热情况下,对 个测点进行采气,加热开始后,每升高 进行 次采气处理,并分别密封储存至对应针筒,试验结束后将所有气样逐一输入到氦气检测仪中进行体积分数检测,每组采气同时记录该时刻各测点温度
9、,整理至 软件进行数据分析 结果与讨论 煤自燃升温过程中温度场分布规律图 为热源升至不同温度时,第层的温度分布情况 由图 可以看出:高温点(即图中温度最高的部分)形状基本与热源一致,其面积随温度的升高而扩大;走向上,高温范围从 增大到 ;倾向上,高温范围从 增大至 总的来看,随着温度上升,高温范围沿 轴和 轴向外延伸约 第 期凌紫城,等:煤自燃热效应对采空区瓦斯分布的影响机理图 不同热源温度下第层的温度分布选择不同时刻下第层 位置的温度,绘制温度 随时间 变化曲线图(图 )需要说明的是,热源与第层测点同高,第层中 位置的温度即为热源自身温度,故第层为均匀增长的直线段 从图 可知:竖直上与热源距
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