基于气热场耦合的综放采场隐蔽火源定位原理与方法研究

Coal spontaneous combustion in goaf is affected by the condition of geology, ventilation and mining. Location problem of coal spontaneous combustion in goaf has been a difficult issue for mine fire prevention. In order to confirm the physical and chemical parameters of hidden fire in goaf, high similarity natural caving heterogeneous goaf compared with field is obtained by simulating the process of mining based on flow field simulation device of fully mechanized caving face. Cold state and heat state experiment are done by using heterogeneous goaf. Parameter coupling and spread law of gas and heat in stope are researched. The relation between physical and chemical parameters of hidden fire, ventilation parameters, drainage parameters and parameters of gas and heat in stope is gotten. Spontaneous combustion range and spread law under different conditions in goaf are obtained by inversion. Research is focus on the relation between physical and chemical parameters of hidden fire, ventilation parameters, drainage parameters and parameters of gas and heat in stope approachable boundary. Principles and methods of judging the physical and chemical parameters of hidden fire in goaf by the parameter coupling of gas and heat in stope approachable boundary are built. The stope approachable boundary includes upper corner, behind the face support, crossheading buried pipe etc. Location method of field hidden fire in goaf is built by similarity theory and practice research will be done. Research results of this project is beneficial to recognize accurately the physical and chemical parameters of hidden fire and control hidden fire catastrophe.

采空区煤自燃受地质、通风和采煤条件影响，其定位问题一直是矿井火灾防治的难题。为了确定采空区隐蔽火源理化参数，本项目基于综放面流场特性模拟装置模拟采放煤过程形成与现场高相似度的自然冒落非均质采空区；利用形成的非均质采空区开展冷态和热态实验，研究采场气热参数耦合及分布规律，得到隐蔽火源理化参数、通风参数、抽放参数与采场气热参数之间的关系，反演不同条件下采空区自燃区域的范围及蔓延规律；重点研究采场可触边界气热参数与隐蔽火源理化参数、通风参数、抽放参数之间的关系，建立采场可触边界(上隅角、工作面架后、顺槽埋管等)气热参数耦合定位采空区隐蔽火源理化参数的原理与方法，利用相似理论建立现场采空区隐蔽火源定位方法并开展实践研究。项目研究结果对于准确识别采场隐蔽火源理化参数、防控隐蔽火源灾变具有重要的意义。

通过分析采空区浮煤自燃，得到了自燃极限参数的关系及自燃危险区域的判定条件；对综放采煤过程中上覆岩层应力分布和冒落规律进行了分析，确定了应力三区与压实三区的关系。得到了采空区垂直方向上会形成矸石带、混合带和浮煤带；分析了矿压影响下的采场裂隙通道及其漏风规律；给出了压实三区和两巷处的岩石碎胀系数的理论计算公式。结合矿压、漏风和浮煤分布，分析了采场可能自燃区域。设计加工了升温煤体试验平台，针对不同初始CH4体积分数，开展受限空间煤体升温试验，利用Matlab对试验数据进行计算，分析了气体变化规律。基于可燃性气体爆炸极限理论和爆炸极限计算公式，计算分析了可燃性气体体积分数与混合气的爆炸上下限之间的关系。分析了几何相似、运动相似、动力相似时参数之间的关系，基于相似理论，设计加工了综放面流场特性模拟装置，给出了模拟装置详细的尺寸组装参数；设计加工了测温、测气系统、牵引系统、控温系统和通风系统。设计了综放面流场特性模拟实验方案，包括安装测温、测气、控温、通风系统，铺设相似煤岩层、实验过程及数据搜集方法。对相似材料配比参数进行了研究，得到了相似材料配比的方法。分析了持续释放SF6测漏风的原理，对试验工作面采场开展漏风试验，确定了漏风通道以及漏风量，得到了试验工作面的漏风规律。对试验工作面开展煤自燃“三带”观测试验，获取了采空区氧气和甲烷浓度的变化规律；运用Fluent模拟软件以及采空区氧气运移分布理论开发了综放工作面氧浓度场CFD模型，通过试验工作面现场实测数据对模型的合理性进行了验证；应用该模型，对试验工作面不同供风条件下采空区氧浓度分布进行了模拟，模拟结果表明，随着供风量的增加，采空区自燃危险区域后移、宽度增加。通过对现场实测数据以及运用模拟技术对试验工作面采空区自燃“三带”进行了划分，确定了试验工作面的自燃危险区域。项目研究结果对于准确识别采场隐蔽火源理化参数、防控采空区隐蔽火源灾变具有一定的意义。