煤田露头火区自然通风参数及其对煤层燃烧速度影响的研究

The coal seam roof subsidence which is induced by the combustion of coalfield outcrop fire generates the caving void and surface fractures of subsidence areas. The coalfield fire and caving void as well as surface fractures of subsidence areas are took as the object of study. Based on similarity theory to design and make the similar simulation experiment device of coalfield outcrop fire, the comprehensive study methods of theoretical analysis, field investigation and laboratory simulation experiments are adopted. According to hydrodynamics and ventilation theory and porous media theory, on the basis of researching air intake and upcast airway as well as the reasonable definition of natural ventilation parameters in coalfield outcrop fire, the reasonable calculation methods of natural ventilation parameters such as natural ventilation power, resistance and air seepage velocity, etc. is studied. The natural ventilation parameters effects on coal seam burning velocity in coalfield outcrop fire is researched. For a typical coalfield outcrop fire, the relation equation between coal seam burning velocity and true air seepage velocity is obtained and the true critical air seepage velocity of coal seam combustion tending to quenching is determined by experiment.According to the natural ventilation supply oxygen and oxygen control coal seam burning state principle, the prediction methods for the maximum burning depth and scope is proposed in a typical coalfield outcrop fire area. The study on coalfield outcrop fire has hugely theoretical and practical significance for preventing and controlling coalfield outcrop fire, saving coal resources and protecting the ecological environment.

以煤田露头火区以及火区燃烧诱发煤层顶板冒落产生的冒落带孔隙和地表塌陷区裂缝为研究对象，借助按相似理论设计和制作的煤田露头火区相似模拟实验装置，采用以理论分析、现场调查和实验室模拟实验相结合的综合研究方法，依据流体力学原理、通风理论和多孔介质渗流理论，在研究煤田露头火区进风通道和出风通道构成以及合理定义煤田露头火区自然通风参数的基础上，研究煤田露头火区自然通风动力、阻力和空气渗流速度等各自然通风参数的合理计算方法，研究煤田露头火区各自然通风参数对其煤层燃烧速度的影响，并通过实验得出典型煤田露头火区空气真实渗流速度与煤层燃烧速度的关系方程和煤层燃烧趋向熄灭时的空气临界真实渗流速度；按照自然通风供氧和氧控制煤层燃烧状态原理，得出典型煤田露头火区最大燃烧深度和范围的预测方法。该项研究对于防治煤田露头火区、节约煤炭资源和保护生态环境均具有重要的理论与现实意义。

煤田露头火区主要分布在内蒙古、宁夏和新疆地区，其不仅直接烧掉了煤炭资源，而且会引发有毒有害气体增加和地表塌陷等一系列生态环境恶效应。煤田火区是一个在开放系统中持续燃烧、不断发展变化的系统，其自身能够形成良好的通风条件并为煤火燃烧通风供氧。. 本项目以煤田露头火区以及火区燃烧诱发煤层顶板冒落产生的冒落带孔隙和地表塌陷区裂缝为研究对象，在研究煤田露头火区自然通风系统形成过程及其特征基础上，研究了该自然通风系统的通风动力，研究了煤田露头火区孔隙率测定原理及其与渗透率的关系，进而研究了煤田露头火区破碎岩块渗透系数的相似测定原理及其实验测定；研究了煤田露头火区内部空气运动与自然通风规律及其影响因素，研究了煤田露头火区煤层燃烧状态的判定原理与方法，得出了煤田露头火区燃烧范围的确定方法。. 研究表明，煤田火区由塌陷填充区进风、覆岩层裂隙回风；火区的通风动力为自然风压与外界风流在进风路线方向上所产生的动压之和，并据此得到了通风动力的计算公式；火区进风路线的塌陷破碎岩块符合多孔介质特点，且风流速度较小，多为层流，进风路线的气体流动符合多孔介质达西定律；依据回风路线的裂隙宽度，回风路线空气流动一般符合布西涅斯基运动定律；塌陷区破碎岩块渗透系数的大小取决于塌陷区破碎岩块的粒度分布参数D和最大破碎岩块的粒径r，通过实验建立了渗透系数K与粒度分布参数D和最大颗粒直径r之间的关系方程；通过相似模拟实验，得知随着燃烧距离的增加，煤火蔓延速度越来越小，并得到了煤火蔓延速度和燃烧距离之间的关系方程；提出了依据岩层移动、依据通风系统、依据火区热源三个方面来确定火区燃烧范围的原理和方法。. 该项研究，对于深入研究煤田露头火区的形成原理、燃烧特征、蔓延规律和燃烧范围，具有巨大的理论价值；对于防治煤田露头火区、节约煤炭资源和保护生态环境，更具有重要的现实指导意义。