采空区注氮参数设计及三维流场分析

为了合理设计采空区注氮防火方案,以南山矿18-5采空区为研究背景,利用FLUENT软件,结合含变渗透系数的Forchheimer运动方程,对具有抽放巷和注氮管的复杂采空区模型三维流场进行了数值分析。结果表明,大流量注氮在采空区浅部即可取得很好的氧气惰化效果,随着注氮管的深入,惰化效果逐渐降低;小流量注氮取得的惰化效果具有相反的变化趋势,即二者存在不同的最佳注氮位置;受抽放巷影响,模型回风侧存在氧气富集区,仅靠注氮无法对其有效稀释,应配合工作面长距离封堵,减弱高抽巷引起的漏风。依据研究结论和现场施工条件,设计了合理的防火方案,在注氮工作之前,应首先对采空区规模、通风条件和制氮设备能力进行预先评估。     

露天煤堆自燃过程中“三带”分布的动态特征

为了准确划分煤堆自燃过程中的重点监测区域,利用数值模拟方法分析了煤堆自燃带分布的动态变化特征,结果表明:煤堆自迎风面向背风面会形成散热带、自燃带和窒息带,自燃带温度代表了煤堆的自燃危险性.自燃带的位置会随着时间逆风向迎风面移动,以温度和氧气指标划分的自燃带宽度具有不同的变化趋势.依据研究结论,自燃初期宜采用氧气指标,后期采用温度指标划定自燃带区域.     

沿空侧煤柱耗氧-升温的三维数值模拟

为研究综放工作面沿空侧破碎煤柱耗氧和释热对自燃发展过程的影响,构建反映煤柱内部氧化升温关系的三维数值模型,利用FLUENT软件对其流场分布进行数值解算.研究结果表明:巷道内空气向顶煤和煤柱渗流—扩散效应明显,渗流影响范围从进风口向出口递减,破碎煤体具有比煤层更好的氧化条件.高温区在空间上位于进风处附近,煤体内部升温速率不但随着时间的增加呈现加速,整体温度分布也有上移的趋势.在煤质一定的情况下,巷道风速会使自燃更加恶化.该研究结论可以在现场防火工作中,事先对煤体破碎程度、释热能力、巷道风量和氧化时间进行综合评估,缩小火源探测范围,提高防火工程效率.     

煤巷高冒区自燃升温特征的数值模拟

为了了解煤巷中高冒区由自燃引起的温度变化规律,利用数值方法分析了高冒区内漏风趋势,以及100 m长度煤巷温度受高冒区自燃的影响,并与热成像采集数据进行了比对.结果表明:迂回进出高冒区的漏风引起温度上升,高温区位置与以漏风风速标准划分的易自燃区吻合;高冒区自燃会沿风向引起下游碎煤同时升温,并连成一片;充分供氧前,风速提高会加快高冒区升温速率,充分供氧后,则反之,而孔隙率对升温速率影响仅体现出单调增减关系.依据研究结论,控制煤巷自燃首先应对高冒区及时密闭,完全密闭情况下可显著降低高冒区内温度,并防止由自燃衍生出的二次高温区,条件允许时应尽量延长密闭墙长度.     

采空区非间隔性注氮防火效果及施工参数

为了考察采空区非间隔性注氮的防火效果及确定合理施工参数,根据质量、动量和组分守恒方程建立反映采空区气体体积分数变化的数学模型,利用FLUENT软件通过对该模型求解,对塔山矿自燃"三带"进行预测,并确定了最佳注氮位置和注氮量。研究结果表明:注氮位置应和氧化带保持一段距离,这样可以给氮气一定的预留空间充分破坏采空区内流场。在一定条件下,单纯靠提高注氮量的防火效果提升有限,需要配合其他措施实现综合防治。最后利用动网格技术比较了非间隔性注氮和传统循环注氮的注氮效果,结果显示采用传统注氮工艺由于注氮口位置在工作面推进过程中逐渐偏离设计位置导致注氮效果降低,研究结论从采空区防火的角度对非间隔性注氮的必要性进行论证。     

尾巷瓦斯抽采下采空区煤自燃升温的数值模拟

针对尾巷抽采瓦斯抽放对长壁工作面采空区煤自燃升温影响的问题,利用化学反应动力学理论和换热关联式建立了包含热源和空气与固体换热关系的煤自燃升温模型,借助FLUENT软件计算了不同条件下采空区氧气稳态分布情况和温度动态变化过程。结果表明:同未抽放相比,深部大流量的瓦斯抽采会显著改变采空区流态,造成氧气向采空区纵深发展,煤自燃引起的升温速率会明显加快,高温区域范围扩大并向后移动。注氮可以将一定范围内的氧气浓度控制在较低的水平,并对控制范围内高温区域的升温速率随着时间推移起到不同程度的抑制作用,但对抽放口附近区域的温度抑制帮助不大。     

干燥煤堆自燃升温特征的数值模拟

为了了解露天煤堆自燃升温过程中温度变化特征,在考虑风压、热压和质量扩散等驱动力的情况下建立了二维干燥煤堆传热传质数学模型,利用FLUENT软件对煤堆内部漏风、氧气与温度各类场信息进行分析.结果表明,煤堆自燃环境的特点是迎风面漏风强度和氧气浓度最高,背风面最低,中间递减,高温区位于迎风坡附近漏风强度适中,氧气充足的蓄热区.风速与孔隙度对煤堆自燃升温速率影响最显著,迎风倾角其次,环境温度对升温速率的影响很小.模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,现场可根据计算结果事先大致判定火源位置,缩小侦测范围,以便及时采取措施,提高防火工作效率.