西北地区侏罗纪煤层采空区自然发火规律的数值模拟研究 ——以大柳塔矿为例

作     者：冯山 

作者单位：华北科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：程根银;徐会军

授予年度：2016年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：数值模拟 自然发火 侏罗纪煤 西北地区 “三带” 

摘      要：我国西北地区侏罗纪煤资源储量丰富,但自燃倾向性大,煤层自燃现象严重,因此开展西北地区侏罗纪煤自燃理论和技术研究对减少资源损失、保障安全开采、保护环境具有重要意义。本文通过查阅文献和现场考察,分析了西北地区侏罗纪煤的自燃影响因素,认为丝炭的聚集、干旱少雨的气候条件、较大的昼夜温差和较浅的煤层埋深都是西北侏罗纪煤自燃的有利条件。依据质量守恒、动量守恒和达西定律推导了漏风场质量方程与动量方程,依据组分守恒和菲克定律推导了氧气对流传输方程,依据能量守恒和傅里叶定律推导了采空区能量方程;耦合风流场、氧浓度和温度场模型,构建了西北地区侏罗纪煤层采空区自然发火三维数学模型。利用煤样自然发火实验数据,采用指数回归分析得到了大柳塔矿5-2煤耗氧速率和放热强度随温度的表达式;采用理论分析、现场观测和经验类比探讨了氧气扩散系数和渗透系数的影响因素,认为扩散系数主要受煤样粒径控制,空隙率在载荷影响区呈抛物线分布,最终确定了自然发火模型中两个参数的表达式。选取大柳塔矿52304工作面为试验对象,采用FLUENT模拟计算了其采空区的自燃情况,划定自燃带范围:进风侧为45m26m,回风侧为25m70m。同时,根据现场实测数据,确定自燃带范围:进风侧为48m14m,回风侧为18m62m。模拟结果与实测结果基本一致,验证了西北侏罗纪煤层采空区自然发火数学模型的可靠性和适用性。最后,根据工作面现场观测,结合大采高综采工艺和全部垮落法管理顶板工艺特点,总结了大柳塔矿52304工作面采空区自然发火规律。