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二，不锈钢快速接头，板把式快速接头的原理：不锈钢快速接头的原理：主要是采用一公一母配套连接的方式，比如A型为阳端，B型为阴端，阴端内有一个密封圈，当A型阳端插入B型阴端内，把B型的两个板把手锁住，就达到密封连接了。拆装时把板把手拉下来，就可以拆开了。所以快速，方便
三，不锈钢快速接头由于是采用一公一母的形式，所以连接时一般都要配套使用，同规格的公接头可以和任何型号的同规格的母接头配套使用，型号有很多种类，主要型号有以下这些：A型，B型，C型，D型，E型，F型，DC型，DP型，H型，HS型，法兰阳端，法兰阴端，KJA,KJB,方法兰阳端，等等，规格主要有，DN15,DN20,DN25,DN32,DN40,DN50,DN65,DN80,DN100,如果需要大规格尺寸的，可以来电，有的有现货，有的需要定做
四，不锈钢快速接头，板把式快速接头一些主要常用型号的分析：
A型为内螺纹阳端，内丝阳端，
B型为外螺纹阴端，一端为外螺纹一端连接阳接头，
C型为皮管阴端接头，一端接皮管的，一端接公接头阳接头，
D型为内螺纹阴端，一端接头外丝端口，一端接阳接头，
E型为皮管阳接头，皮管公接头，一端接皮管，一端接阴端，
F型为外螺纹阳端，一端为外螺纹连接端口，一端接阴接头的，
DC型为阴端盖帽，起堵头的任用，
DP为阳端盖帽，也可以叫阳端管堵盖，阳端盖帽，
法兰阳端，主要一端是连接法兰的，一端连接阴端接头，
法兰阴端主要是一C型焊接在法兰上形成的法兰阴端接头
H型，HS型主要是法兰阳端，标准一般为GB/T16693船用标准，也叫船用法兰快速接头
同规格的阳端公接头可以和任何同规格的阴端母接头配套使用，前提是同规格一阴一阳
不锈钢快速接头，板把式快速接头的螺纹一般是ZG，G英制螺纹，如果要其它螺纹可来电讲明，材质一般有201，304，316，铜，碳钢等等，不锈钢快速接头由于带有两个板把手，形状好像一个人的吊耳环，所以有的人也叫板把式快速接头，板把式快装接头，板把式快拆接头，吊环式快速接头，耳环式快速接头.不锈钢快速接头具有安装方便,密封性能好,能交互转换,比如A可跟C配,也可跟B配,也可跟D配,配型丰富,
五,不锈钢快速接头,板把式快速接头的优点:
1安装简单,拆装方便,快速快捷,耐压,耐腐蚀,密封性能好
2配型丰富,连接方式有内丝,外丝,皮管接,法兰接,快装接,而且同规格的各种型号的阳端公接头可以跟任何同规格的母接头阴端配对,形成各种各样的组合式连接
3不锈钢快速接头的种类比较多,所以以前的有些型号被新开发的型号代替,新开发的型号有更好的优点
六,不锈钢快速接头,板把式快速接头的安装注意事项:
1不能安装在有金属粉或砂土的管道中,不然会堵塞
2安装时不要碰坏螺纹,弄坏螺纹,不然会损坏接头
3不要人为的打击,上面负重,不然容易损坏接头
4不锈钢快速接头的密封一般采用四氟,橡胶密封,尽量不要记密封变形
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杨涧煤矿90101面煤层自燃特性及三带测试分析
杨涧煤矿90101工作面煤层 自燃特性及三带测试分析
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学二O一二年七月
录1绪论 ............................................................................................................................ 11.1 课题研究背景及意义 ......................................................................................... 11.2 研究内容 ............................................................................................................. 22 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定 ..................................................... 32.1 工业分析 ............................................................................................................. 32.1.1 测试设备....................................................................................................... 32.1.2 水分测定....................................................................................................... 32.1.3 灰分测定....................................................................................................... 32.1.4 挥发分测定................................................................................................... 42.1.5 固定碳计算................................................................................................... 42.1.6 测试结果....................................................................................................... 42.2真相对密度测试 .................................................................................................. 52.2.1 依据标准....................................................................................................... 52.2.2 仪器设备....................................................................................................... 52.2.3 测定步骤....................................................................................................... 52.2.4 结果计算....................................................................................................... 62.2.5 测试结果....................................................................................................... 73 90101工作面煤样自燃倾向性测试 ......................................................................... 93.1 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法 ......................................................................... 93.1.1 依据标准....................................................................................................... 93.1.2 测试仪器及主要性能参数........................................................................... 93.1.3测试过程及吸氧量计算.............................................................................. 103.1.4 煤自燃倾向性分类..................................................................................... 103.1.5 实验数据及结果......................................................................................... 113.2 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法 ........................................................... 113.2.1依据标准...................................................................................................... 113.2.2 测试原理..................................................................................................... 113.2.3 测试仪器..................................................................................................... 113.2.4 测试过程..................................................................................................... 123.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算................................................................. 123.2.6 煤自燃倾向性分类指标............................................................................. 133.2.7 实验数据及结果......................................................................................... 133.3自燃倾向性测试结果 ........................................................................................ 154 90101工作面煤层自然发火指标气体 ................................................................... 154.1 实验设备 ........................................................................................................... 154.2实验过程 ............................................................................................................ 164.2.1 煤样选取..................................................................................................... 164.2.2 实验过程..................................................................................................... 164.3.测试数据 ............................................................................................................ 16
4.3.1.实验原始数据.............................................................................................. 164.3.2
CO、CO2气体产生规律 ......................................................................... 184.3.3烷烯烃气体产生规律.................................................................................. 194.4.煤层自然发火标志气体分析与优选 ................................................................ 194.4.1标志性气体优选原则.................................................................................. 204.4.2 煤层自然发火标志气体分析..................................................................... 204.5结论 .................................................................................................................... 225 90101工作面自燃危险区域测试分析 ................................................................... 235.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测 .................................................................... 235.1.1 测试装备与技术方案................................................................................. 235.1.2 观测数据与分析......................................................................................... 265.2 采空区自燃“三带”的CFD模拟 ...................................................................... 305.2.1 采空区氧气运移分布的理论基础............................................................. 305.2.2 综放面氧气浓度场的CFD模型 ............................................................... 325.2.3 模拟结果与分析......................................................................................... 335.2.4工作面配风量对自燃带分布的影响.......................................................... 346 全文总结 ................................................................................................................. 37
第一章 绪论1绪论1.1 课题研究背景及意义煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，我国国有煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，封在火区内的工作面装置达数千万元。近年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高，但由于综采放顶煤技术一次性开采强度大，端头支架处顶煤放出率低(有的不放)，冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，加之机电设备功率大、散热多引起采空区温度增高等因素，使得自然发火频繁，严重制约了综采放顶煤高产高效技术的发展。一些以往认为不自燃的矿井，也频繁出现煤层自燃火灾，严重威胁着矿井的安全生产，导致大量的煤炭因火区而冻结；同时，因煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘爆炸严重危及井下人员的生命安全。然而，煤炭自燃都经历一个发生、发展的过程。如果能准确得掌握煤炭自燃特性及其规律，在煤炭自燃的初始缓慢聚热阶段对其进行有效控制和处理，势必起到事半功倍的效果，一旦错过这段控制火势的良好时机，火区将会快速发展，火区处理条件和难度迅速恶化与增加。山西中煤杨涧煤业有限公司位于朔州市区东北部，与平鲁区接壤。该矿所开采的矿井储量丰富，煤层厚、赋存浅，地质构造简单，易开采。煤种属气肥煤，是比较理想的动力用煤。煤层距地面垂直深度70-90米，4号、9号、11号煤层为批准可采煤层。90101工作面为杨涧煤矿9号煤层的首采工作面，其工作面走向长度1060m，面长200m，煤层平均厚度约11.2m，煤层平均倾角4°左右。工作面采用综采放顶煤工艺回采，回采过程中采空区遗留浮煤相对较多；同时，90101工作面上部为4号采空区，9煤与4煤层间距约40m，90101采空区来压后势必与4煤采空区沟通使得工作面漏风复杂；加之开采初期作业人员与设备存在一定的磨合期，磨合期间工作面回采速度相当较慢。这些都增加了90101工作面煤层自燃的危险性。临近矿井开采9号煤时已不同程度的出现过自然发火的征兆。90101工作面一旦发生自燃势必影响到整个矿井的安全生产。因此，开展对90101工作面煤层自燃特性及其预防技术的研究，实现工作面的安全回采，指导杨涧煤矿的防灭火工作具有重要的意义。1
第一章 绪论1.2 研究内容本课题的研究内容主要包括以下几个方面：（1）测试90101工作面煤样水分、灰分、挥发份、固定碳及发热量和真相对密度。（2）分析90101工作面煤层自燃倾向性，测试分析90101工作面煤层温升过程中的气体产物及其随温度的变化规律，得出煤层自然发火指标预警指标。（3）测试90101工作面回采过程中采空区的气体成分、浓度并分析其随回采进程推进的变化规律，确定正常回采情况下的采空区自燃危险区域；计算模拟不同配风量下采空区“自燃危险区域”的分布范围与变化规律；得出自燃危险区域随风量的变化规律；
第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2.1 工业分析测试煤样取至杨涧煤矿90101工作面和顺槽处。煤的工业分析主要对煤中的水分、灰分和挥发分进行测定，并根据水分，灰分和挥发分对固定碳，发热量和氢含量进行计算。2.1.1 测试设备本测试利用长沙三德实业有限公司生产的SDTGA5000型工业分析仪进行煤样的工业分析。设备如图2-1所示：2.1.2 水分测定称取一定量的空气干燥煤样，置于105～110℃干燥箱中，在干燥氮气流中干燥到质量恒定。然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量。计算公式如下： Mad?m1?100 m式中：Mad --------空气干燥煤样的水分含量，%；m1--------煤样干燥后失去的质量，g；m-------煤样的质量，g。2.1.3 灰分测定称取一定量的空气干燥煤样，放入马弗炉中（或者相当于马弗炉功能的炉膛中），以一定的速度加热到815±10℃，灰化并灼烧到质量恒定。以残留物的质量占煤样质量的百分数作为灰分产率。计算公式如下：Aad?m1?100 m式中：Aad --------空气干燥煤样的灰分产率，%；3
第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定m1 -------- 残留物的质量，g；m -------- 煤样的质量，g。2.1.4 挥发分测定称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在900±10℃温度下，隔绝空气加热7min。以减少的质量占煤样质量的百分数，减去该煤样的水分含量（Mad）作为挥发产率。计算公式如下：Vad?m1?100?Mad m式中，Vad--------空气干燥煤样的挥发分产率，%；m1--------煤样加热后减少的质量，g ；m-------- 煤样的质量，g；Mad-------- 空气干燥煤样的水分含量，%。2.1.5 固定碳计算固定碳按如下公式计算：FCad?100??Mad?Aad?Vad?式中：FCad --------空气干燥煤样的固定碳含量，%；Mad -------空气干燥煤样的水分含量，%；Aad -------空气干燥煤样的灰分产率，%；Vad -------空气干燥煤样的挥发分产率，%。2.1.6 测试结果根据上述测试方法对所取煤样进行测试，得出测试煤样的工业分析结果如表2-1所示。
第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定
2.2真相对密度测试物质所有的宏观的物理性质在一定程度上都与密度有关。物质密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密度，因而与分子空间结构有关。而分子之间的相互作用是分子间距离的函数，直接影响着物质的物理性质和物理化学性质。因此，密度是性质与结构的重要参数。煤的真相对密度是指煤的密度（不包括煤中空隙的体积）与参考物质的密度在规定条件下之比。本测试方法通过浸润剂使煤样在密度瓶中润湿沉降并排除吸附的气体，根据煤样排出的同体积的水的质量算出煤的真相对密度。2.2.1 依据标准GB/T217-2008
煤的真相对密度测定方法2.2.2 仪器设备1）分析天平：感量0.0001 g。2）水浴。3）恒温器：控温范围10～35℃，控温精度±0.5℃。4）密度瓶：带磨口毛细管塞，容量50ml，如图2-2所示。5）刻度移液管：容量10mL。6）水银温度计：0～50℃，最小分度0.2℃。 2.2.3 测定步骤1）准确称取粒度小于0.2mm空气干燥煤样2g(称准到0.0002g)，通过无颈小漏斗全部移入密度瓶中。2）用移液管向密度瓶中注入浸润剂3ml，并将瓶颈上附着的煤粒冲入瓶中，轻轻转动密度瓶，放置5min使煤样浸透，然后沿瓶壁加入约25ml蒸馏水。3）将密度瓶移到沸水浴中加热20min，以排除吸附的气体。4）取出密度瓶，加入新煮过的蒸馏水至水面低于瓶口约1cm
处并冷至室5
第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定温．然后于20±0.5℃的恒温器中(根据室温情况可适当凋整恒温器温度)保持1h(也可在室温下放置3 h以上，最好过夜)，记下室温温度。5） 用吸管沿瓶颈滴加新煮沸过的并冷却到20℃(或室温)的蒸馏水至瓶口，盖上瓶塞，使过剩的水从瓶塞上的毛细管溢出（这时瓶口和毛细管内不得有气泡存在，否则应重新加水、盖塞）。6）迅速擦干密度瓶，立即称出密度瓶加煤、浸润剂和水的质量m1。7）空白值的测定:按上述方法，但不加煤样，不在沸水浴中加热，测出密度瓶加浸润剂、水的质量m2（在恒温条件下，应该每月测空白值一次；在室温条件下，应同时测定空白值）。同一密度瓶重复测定的差值不得超过0.0015g。2.2.4 结果计算1）恒温下真相对密度按照以下计算式计算：20TRD20?md m2?md?m1式中：
20TRD20――干燥煤的真相对密度； ――干燥煤样质量，g； ――密度瓶加浸润剂和水的质量，g； ――密度瓶加煤样、浸润剂和水的质量，g；干燥煤样质量按照下式计算：100?Madmd?m100式中：m――空气干燥煤样的质量，g；
――空气干燥煤样水分，按GB 212规定测定，％2）室温下真相对密度按下式计算：20TRD20?mdm2?
md?m1 式中：――温度校正系数，Kt=dt/d20, Kt由表2查出；dt――水在t℃时的真相对密度；
6――水在20℃时的真相对密度。第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定表2-2 校正系数Kt
2.2.5 测试结果按照以上实验要求对煤样真相对密度进行测试，结果如表2-3所示：表2-3 煤样真相对密度7第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体3 90101工作面煤样自燃倾向性测试煤炭自燃倾向性是划分煤炭自然发火危险性等级的指标参数。它不仅是煤炭矿井恰当地设计采煤方法，选择采区规模，合理设计矿井通风和风压条件的重要依据之一，也是采取适当措施存贮和长途运输煤炭的重要依据。目前我国煤炭自燃倾向性的测试方法有色谱吸氧法和氧化动力学测试方法两种。3.1 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法3.1.1 依据标准GB/T
煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法3.1.2 测试仪器及主要性能参数ZRJ一1型煤自燃性测定仪（如图3-1所示），性能参数如下：测量方法： 双气路流动色谱吸氧法；测量范围： 吸氧量0.05～4.00ml/g；测量误差：?5％；载
气： 氮气（纯度?99.95）；吸 附 气： 氧气（纯度?99.95）；基线飘移：?0.6mv/h；灵 敏 度：h&10mV/ml(氧气峰高，氮气载气)；供电电源：220V?10%，（50?0.5）Hz，功率?500W。
图3-1 ZRJ-1型流态色谱吸氧仪器9
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体3.1.3测试过程及吸氧量计算实验按照《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》GB/T 规定进行。吸氧量计算公式为：Vd?KRC1(S1?(a1RC1G1?S2(1?)))? a2RC2dTRDVS(1?WQ)G
式中：Vd――吸氧量，cm3；K――仪器常数；RC1――为实管载气流量，cm3／min；――为空罐载气流量，cm3／min；
RC2a1a2――实管时氧气的分压与大气压之比； ――空管时氧气的分压与大气压之比；――实管脱附峰面积，mVs；――空管脱附峰面积，mVs； S1S2G――煤样重量，g；dTRDVS――煤的真比重； ――样品管（标准态），cm3；WQ――煤样全水份，％。3.1.4 煤自燃倾向性分类测定结果以1g干煤在常温(30℃)、常压（101325 Pa）下的吸附氧量作为分类的主要指标，并综合考虑煤种及含硫量等因素来对煤的自燃倾向性进行分类，分类指标见表3-1、表3-2。表3-1 煤样干燥无灰基挥发分Vdaf&18%时自燃倾向性分类自燃倾向性等级I类II类III类 自燃倾向性 容易自燃 自
燃 不易自燃 煤的吸氧量Vd，cm3／g干煤 Vd＞0.70 0.40＜Vd≤0.70 Vd≤0.40表3-2 煤样干燥无灰基挥发分Vdaf≤18%时自燃倾向性分类自燃倾向性等级I类 自燃倾向性 容易自燃10煤的吸氧量Vd，cm3／g干煤 Vd≥1.00 全
硫 ≥2.00第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体II类III类 自
燃 不易自燃 Vd＜1.00 ＜2.003.1.5 实验数据及结果按照上述实验过程得到测试煤样1g干煤在常温(30℃)、常压（101325 Pa）下的吸氧量和含硫量如表3-3所示：
根据实验数据结合煤自燃倾向性等级分类标准可得所测煤样的自燃倾向性如表3-4所示：表3-4煤样自燃倾向性鉴定结果3.2 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法3.2.1依据标准AQT 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法3.2.2 测试原理煤自燃倾向性的氧化动力学测定法是以煤从低温氧化到自燃的动态发展全过程为研究对象，以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础，以多参数综合测试方法为手段的煤自燃倾向性鉴定方法。通过测试相同实验条件下煤样达70℃时煤样罐出气口的氧气浓度来判定该煤样在低温阶段的氧化特性，通过测试交叉点温度的大小可以反映出煤在加速氧化阶段的内在氧化自燃特性，继而得到煤自燃倾向性的判定指数，根据该指数对煤自燃倾向性的分类作出鉴定。3.2.3 测试仪器煤自燃倾向性的氧化动力学测试系统由干空气瓶、气体预热铜管、煤样罐、11
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体控温箱、气体采集及分析系统和数据采集系统等部分组成，其系统图如图3-2所示，实物图如图3-3所示。
1-干空气瓶；2-减压阀；3-稳压阀；4-稳流阀；5-压力表；6-气阻；7-流量传感器；8-隔热层；9-控温箱；10-气体预热铜管；11-进气管；12-出气管；13-煤样罐；14-铂电阻温度传感器；15-风扇；16-加热器；17-控制器及显示键盘；18-数据采集系统；19-气相色谱仪；20-计算机图3-2 煤自燃倾向性氧化动力学测试系统图
图3-3 装置实物图3.2.4 测试过程按《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》AQ/T 规定进行实验。3.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算将测定的CO2和Tcpt按式(1)和(2)求得无量纲量Ic和ITcpt，并代入式(3)得到煤o2自燃倾向性判定指数I：ICO?2CO2?15.515.5Tcpt?14014012
ITcpt??100
（2）第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体I???COICO??TcptITcpt?300
（3） 22??式中：Ico ――煤样温度达到70 ℃时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲； 2CO2 ――煤样温度达到70 ℃时煤样罐出气口的氧气浓度，%；15.5 ――煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%；ITcpt ――煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲；Tcpt ――煤在程序升温条件下的交叉点温度，℃；140 ――交叉点温度的计算因子，℃；I
――煤自燃倾向性判定指数，无量纲；?
――放大因子，?=40；?C――低温氧化阶段的权数，?C=0.6； O2O2?T――加速氧化阶段的权数，?T=0.4； cptcpt300 ――修正因子。3.2.6 煤自燃倾向性分类指标根据计算得到的煤自燃倾向性判定指数I，按表3-5中的分类指标对煤自燃倾向性进行分类。表3-5
煤自燃倾向性分类指标自燃倾向性分类容易自燃自燃不易自燃 判定指数I I＜600 600≤I≤1200 I＞12003.2.7 实验数据及结果在上述实验过程中对所取煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度和交叉点温度分析如下：（1）70 ℃时煤样罐出气口的氧气浓度13
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体杨涧90101工作面和顺槽处煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度分别为19.99和20.08。（2）交叉点温度煤样程序升温条件下温度变化过程如图3-4所示。
图3-5 煤样交叉点温度图（3）鉴定结果根据实验所得杨涧90101工作面和顺槽处测试煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度和交叉点温度，得到煤自燃倾向性结果如表3-6所示。表3-6
煤炭自燃倾向性的氧化动力学方法鉴定结果煤样 名称 90101工作面 90101面顺槽断层70℃时煤样罐出气口的氧气浓度，%19.57 20.0314程序升温条件下的交叉点温度，℃155.9 159煤自燃倾向性判自燃倾向定指数I 性512 619Ⅰ类容易自燃 Ⅱ类自燃第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体3.3自燃倾向性测试结果结合杨涧煤矿90101工作面和顺槽处测试煤样色谱吸氧法和氧化动力学测试方法测试结果可得：90101工作面煤层为Ⅰ类容易自燃煤层。
4 90101工作面煤层自然发火指标气体在煤在氧化过程时要产生多种气体，且各种气体产生的最低温度，以及气体生成量和煤温之间的关系因煤氧化难易程度不同而异，其中能用来预报煤炭自然发火程度的气体称为煤炭自燃标志性气体。《煤矿安全规程》2010版第二百四十一条规定开采容易自燃和自燃的煤层时必须确定煤层自然发火的标志气体。煤炭开采过程中通过测试优选适合的指标气体可为煤炭自燃火灾早期预报提供必要的前提条件，同时也使得在实际开采过程中的煤炭自燃防治工作更具有针对性。4.1 实验设备煤自然发火气体产物模拟试验装置示意图如图4-1所示其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。图4-2、图4-3为本实验系统的主要实物图。图4-1 指标气体实验系统图
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体
温度控制箱
指标气体分析仪
4.2实验过程4.2.1 煤样选取测试煤样选取杨涧90101工作面和顺槽处，经密封储存邮运至实验室。采样前先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出40～80目的颗粒50g作为实验煤样。4.2.2 实验过程将50g粒度为40～80目的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。当煤温达到30℃时向煤样内通入50ml/min的干空气，并将测试炉调整至0.8℃/min程序升温，在反应初期每10℃分析一次气体成分和浓度，加速氧化阶段每12min分析一次气体成分和浓度。4.3.测试数据在上述实验条件下得到测试煤样气体产物随煤温的变化实验数据见表4-1和表4-2。4.3.1.实验原始数据表4-1
90101工作面煤样指标气体实验数据(单位：10-6)温度/℃ 30 40 50CO 1.52 1.87 1.95CO2 92.26 109.55 140.34CH4 1.99 1.84 2.0816
C2H4 0.00 0.00 0.00C2H6 0.00 0.00 0.00C3H8 0.00 0.00 0.00C2H2 0.00 0.00 0.00第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体60 70 80 90 100 111 124 137 149 159 170 181 1942.00 8.65 20.08 154.04 349.94 620.98 0.09 6.21 03.02 13244.58141.67 369.57 162.57 543.99 802.49 8.41 6.57 7.42 53.752.06 2.24 2.56 3.28 4.16 7.17 12.67 24.96 45.40 70.78 102.81 132.92 158.560.00 0.00 0.00 0.00 0.18 0.44 1.00 2.15 5.46 10.54 20.78 33.57 48.690.00 0.00 0.59 0.69 1.74 3.05 5.53 11.81 21.53 32.64 45.96 51.33 58.770.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.55 4.61 12.67 25.79 40.16 53.17 59.480.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
90101顺槽处煤样指标气体实验数据(单位：10-6)温度/℃ 30 40 50 60 70 80 90 100 110 123 136CO 3.27 3.47 12.77 25.45 43.28 85.82 275.41 377.57 806.10 1.16CO2 595.46 638.96 585.99 714.51 854.25 3.74 7.86 6.00CH4 2.19 2.14 2.40 2.31 2.32 2.60 3.37 4.29 6.22 12.04 23.42C2H4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.37 1.17 2.46C2H6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.05 1.73 2.70 6.26 13.29C3H8 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.66C2H2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0017第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体149 160 173 1898.0902.5040.81 73.20 118.77 170.325.03 13.33 31.06 61.1823.39 42.83 63.56 76.017.89 25.06 49.04 76.200.00 0.00 0.00 0.0093.57 92.714.3.2
CO、CO2气体产生规律CO和CO2是煤氧化过程中出现最早的两个气体产物，并且贯穿于整个氧化过程中。对上煤层煤实验过程中30~200℃之间CO、CO2的产生量进行作图，得到其浓度随温度变化如图4-4和图4-5所示。
图4-4 90101工作面煤样CO、CO2随温度变化趋势
图4-5 90101顺槽煤样CO、CO2随温度变化趋势由图可见两煤样30℃到200℃氧化范围内CO、CO2气体浓度与煤温之间表现为递增的变化关系，其含量随煤温的升高基本呈指数上升趋势；CO2在30℃时即开始出现，初始含量较多；但CO初期生成量较少，煤温达到80~90℃之间其生成量迅速增加。18第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体4.3.3烷烯烃气体产生规律煤氧化过程中烷烯烃气体组份有CH4、C2H6、C3H8和C2H4 ，总体变化趋势如图4-6和图4-7所示。煤氧化过程中烷烯烃气体组份有CH4、C2H6、C2H4和C3H8，总体变化趋势如图12和图13所示。
90101工作面煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8随温度变化趋势
90101顺槽煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8随温度变化趋势从图中我们可以发现测试煤样在30℃~200℃温度范围内随着煤温的升高有规律的出现CH4、C2H6、C3H8和C2H4气体，生成量随煤温的升高变化不同，且各种气体的初始出现温度即临界温度亦不同。CH4在30℃时即开始出现，产生量随温度的升高而逐渐增加；C2H6在80℃~90℃左右出现；C2H4在100℃~110℃左右开始出现；工作面断层处煤样 C3H8在124℃~136℃左右开始出现。C2H6、C3H8和C2H4初始浓度不大但随温度的升高浓度逐渐增加；C2H2在30℃～200℃没有出现。19
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体4.4.煤层自然发火标志气体分析与优选4.4.1标志性气体优选原则煤自然发火的标志气体就是指煤氧化升温过程中释放出来的与矿井大气成分有区别并足以能够用来判断自然发火征兆的气体或其比值等参数。在自然发火预测预报中，根据各标志气体的变化规律及其之间的比值等来推断煤自然发火所处的状态和发展趋势。因此，煤层自燃指标气体的优选必须具备以下条件：1）灵敏性：煤矿井下一旦有煤炭处于自燃或自燃状态，且煤温超过一定值时，则该气体一定出现，其生成量随煤温升高稳定增加；2）规律性：指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系，且重复性好；3）可测性：普通色谱分析仪能检测到指标气体的存在。4.4.2 煤层自然发火标志气体分析煤自燃气体产物是指煤层在井下环境条件下由于其自燃而释放出来的气体 其中包括两部分：一部分由于煤自身氧化产生的气体产物，叫煤自燃氧化气体；另一部分是成煤过程中吸附的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，叫煤自燃吸附气体。根据以上测试结果可知，在30℃~200℃之间测试煤样氧化过程中所分解出来的气体产物有CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4。现有研究表明，烯烃、炔烃以及CO是煤自然发火过程中碳氧化反应的产物，这几种气体组份在煤吸附气体中不存在的（亦有吸附气体中有CO的报导，但极为少见）。因此，这几种气体组份是标志煤自燃氧化进程的特征气体组份。在一般情况下，煤自燃吸附气体主要成份是CH4和CO2，余下的是存量很少的烷烃气体组份即C2H6、C3H8，这些烷烃气体组份依据其碳原子数的序列性（也即其沸点由低到高的序列）随着煤温度的升高而逐一解吸出来；在煤的吸附气体中CH4和CO2不作煤自燃氧化进程的特征气体组份，而C2H6、C3H8则需要根据析出的初始温度和之后的变化规律来确定是否能够作为煤自燃的标志性气体。测试煤样CO在30℃即开始出现其产生量随着煤温的升高而上升，200℃之前这种变化基本符合指数递增关系。CO的出现表明煤样已经开始氧化，CO浓度越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈，煤层自燃发火危险性越高。因此，CO20
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体可以作为预测预报煤自然发火的标志气体之一。同时也提醒我们在实际生产过程中应用CO标志气体应该分两部分考察（1）现场气体检测中是否存在CO？如果存在CO则表明煤样开始氧化（2）出现CO后其浓度变化趋势如何？如果CO浓度持续增长则表明煤氧化程度加剧，如果CO浓度变化比较平稳这说明低温氧化得到一定程度的控制，如果CO浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。但我们也可以发现在煤自然发火过程中，CO检测温度范围极宽，从30℃一直到进入激烈氧化阶段都就能检测到CO，这就使得这一指标的预报范围过大，不利于精确判定其温度参数。通过以上分析可知，CO作为预测预报煤自然发火的标志气体是可行的，但对煤自燃具体氧化温度段的预测还要结合其他气体联合分析在煤的吸附气体中，C2H4不属于吸附气体组份是在煤氧化过程中的产物。测试煤样中C2H4的产生与煤温之间的变化关系比较明确，随着煤温的上升而增加，呈单一递增的关系，其产生的临界温度集中在100℃~110℃之间。C2H4的出现表明煤的氧化已进入加速氧化阶段，它的出现是煤自热氧化进入加速阶段的标志。C2H4与CO气体相比，有一个明显的时间差和温度差，这比单用CO又准确了一步。如果现场检测到C2H4，则表明此时的煤温已经超过其临界温度值。因此，C2H4是测试煤样进入加速氧化阶段的一个标志性气体指标。在矿井自然发火预测预报工作中，应密切注意和观察C2H4的出现及其浓度的变化，对矿井防灭火工作具有十分重大的意义。从煤样分析结果来看，在整个氧化升温过程中都未监测出C2H2气体。但C2H2是煤自然发火的重要标志气体，是煤进入激烈氧化燃烧阶段的标志。30℃~200℃之间没有测试到C2H2，说明一旦C2H2出现煤温已经超过200℃。煤矿在现场应用过程中，应密切注意C2H2气体，一旦出现在采取措施时一定要谨慎，以免高温煤体引发瓦斯、煤尘爆炸事故。C2H6在80℃~90℃左右出现，C3H8产生的临界温度为124℃~136℃之间，两种气体的浓度随温度的升高而增加。在30~200℃之间没有表现出吸附气体产物的生成规律，即开始有较高解吸浓度随着煤温的升高而逐渐降低，到最低点后又随温度的升高而增大，但增大的速率较小。但并不能排除C2H6和C3H8为测试煤层的吸附气体，因为在测试之前先对测试煤样进行了破碎和通气，这可能使得煤样本身少量吸附的C2H6和C3H8气体被提前解析出来，从而使得在实验的初始阶段没有检测到C2H6和C3H8。因此，若使用C2H6和C3H8所为指标气体之前还需要结合煤层开采初期采空区的气体测试情况，如果煤层初始阶段在采空区CO浓21
第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体度不高的情况下就检测到C2H6、C3H8气体，则被检测到的气体不宜作为本煤层的标志性气体；若C2H6、C3H8没有检测到则可以将其作为煤层自燃的预测预报气体。由于现场色谱不能监测C2H6和C3H8，所以要判断能否作为90101工作面煤层自燃标志性气体还需要对C2H6和C3H8进行进一步化验分析。4.5结论通过对测试煤样测试研究，得出以下结论：1）CO是90101工作面煤层自然发火的指标气体之一。CO的出现表明煤样已经开始氧化，CO浓度越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈，煤自燃发火危险性越高。但由于在整个自然发火过程中都有CO产生，因此在实际生产过程中应用CO标志气体应该分两部分考察：（1）现场气体检测中是否存在CO？如果存在CO则表明煤样开始氧化（2）出现CO后其浓度变化趋势如何？如果CO浓度持续增长则表明煤氧化程度加剧，如果CO浓度变化比较平稳这说明低温氧化得到一定程度的控制，如果CO浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。2）C2H4 是煤样局部进入加速氧化阶段的标志性气体。C2H4的出现表明煤样局部温度已经到达100℃~110℃左右。在CO浓度值增高时应特别注意加强观测，在有CO存在的前提下，只要出现C2H4必须采取切实有效的防灭火措施，如果延误时机可能发展为重大火灾事故。3）C2H2的出现标志着煤样局部温度超过200℃。一旦在矿井下检测到C2H2时，应视为煤层局部已经可能出现明火或阴燃，采取措施是需要谨慎。4）C2H6和C3H8能否作为90101工作面煤层自燃的标志性气体还需要对C2H6、C3H8进行进一步化验分析。
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析5 90101工作面自燃危险区域测试分析5.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测5.1.1 测试装备与技术方案1) 测试参数与仪器仪表对于一个特定煤层的自然发火，其煤的氧化放热性能是一定的，即是一个定数，只要浮煤厚度和粒度适中，采空区供氧充分，在发火期内推进距离小于自燃带宽度，就有可能发生采空区后方浮煤自燃。因此，要对综放面采空区浮煤自燃做出预测，必须掌握采空区自燃带范围，O2，CO，CO2和CH4浓度，以及工作面日常实际推进度、工作面风量等参数。综合各个参数，研究分析采空区自燃变化与分布规律，确定东坡矿工作面后方自燃“三带”的分布范围。观测工作主要是通过采空区预埋管路，进行气体抽样和分析等，掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况，以氧气含量5~18%作为“氧化蓄热带”的划分依据。抽气系统：因束管长度较长，有很大的阻力，本次测试采用2X-4型旋片式真空泵（抽气泵），它可解决用手动抽气筒抽取气样效率低、速度慢的缺点。泵实物见图5-1，泵的各项参数见表5-1。
图5-1 采空区取气用的真空泵表5-1 抽气泵及电机（防暴）主要技术参数表型号2X-4 抽气速率 4L/S 极限压力 6×10-2 帕 配用电机 0.55kW 电压 380v/660v 外形尺寸 280×260×390mm 重量 35kg色谱分析系统：抽气泵抽取的气样由取样球胆承载送至地面气相色谱仪进行色谱分析。测试分析的气体成份为：一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、氧气（O2）、氮气（N2）、23
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析二氧化碳（CO2）以及烷、烯烃类气体（CnHm）。2）测试束管的保护为了防止束管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管。套管沿两部支架之间的间隙放入架后的空间，再将预先在地面用胶带包扎好的束管管缆穿入保护套管内，套管之间用快速接头连接牢固。（1）顺槽保护套管：顺槽保护套管设在进、回风顺槽内，利用2寸注浆管作为束管的保护套管。需准备600 m，每根6 m。（2）气体采样器：为了防止取样束管被压实或被粉煤堵塞以致无法抽取气样，应对预设取样管头进行保护。如图5-2所示。该处的三通保护套管可以用坑木或块煤加以保护。采样头处保护套管的分解图如图5-3及图5-4所示。为了避免通过套管抽到采空区外部气体，在靠近取样器及测温探头的套管端头一侧，利用胶泥设置隔离密闭。
保护套管设置图1-2in保护套管；2-预设取样束管；3-快速接头；4-气体采样器；5-气孔（3）2寸保护管套的位置顺槽的保护套管，沿进、回风顺槽分别铺设在煤帮底部。（4）保护套管的设计24
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析
图5-3 两寸“三通”管
图5-4采样头保护套管3）测试步骤①测试线路铺设前先将约600m的2寸保护套管、约650m束管、采样点保护装置、2寸快速接头、2寸三通、抽气泵以及补偿线等所需材料运至工作地点。②通过2寸保护套管穿束管。该项工作从外（回风）向内（后部溜子）依次进行,每当到达预设的采样点位置时，将预先抽出的单芯束管扣出，拽入三通的斜管内，至少露头50cm。该过程中，应避免将束管拧断、折死，保持束管通畅且不漏气；③采样头安装，采样点三通的胶泥密封；④保护套管的连接，采用“铁板凳”对采样点处保护套管保护；⑤在进、回风巷道内束管出口处附近安装真空抽气泵，并试运转抽取气样。
图5-5 测点分布示意图本次测试在进、回风巷分别布置1个测点，获取了符合客观实际的气体数据。测点布置如5-5图所示：1#测点：设置在回风巷，布设在煤帮上；2#测点：设置在进风巷，布置在煤帮上。25
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析5.1.2 观测数据与分析从布置的测点获取的数据基本上能够真实的反应采空区内部气体分布的规律，满足测试的要求，能够得出该工作面危险区域范围。数据的采集工作是在测点安装完毕后随即开始的，通过对气样的分析，得出了现场采空区气体成分数据，如下表，这些数据的成功获取为后续的分析工作提供了有力保障。测试结果如表5-2~表5-3所示。表5-2 进风侧随推进距离气样的变化数据
0.2 0.2 0.2 0.2 0.0 0.2 0.30.8 0.3 0.6 0.0 0.4 0.6 0.220 0.03380.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00000.1 0.2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1 0.00022646 60 63 68 71 75 81 84 85 87 90 93 96 108 113 118 124 128 1380.9 21.6 0.1 20.4 0.6 20.7 0.6 20.6 0.5 20.8 0.7 20.1 0.5 20.2 0.4 20.0 0.3 20.2 0.5 20.6 0.1 20.9 0.0 20.5 0.9 20.6 0.2 20.1 0.5 20.5 0.9 20.3 0.9 19.5 0.8 18.5 0.3 18.80.0 0.1 0.1 0.00330.9 0.0917第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析142 144 146 149 152 159 0.6 0.3 0.4 0.8 0.6 0.3 0.0 0.0 0.0 0.1 0.2 0.9 0.6 19.9 0.7 19.1 0.1 19.9 0.3 19.9 0.3 19.7 0.7 17.5 166 0......................0.00110.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 1.01.0 1.0 0.75820.6 0.4 0.2 0.5 0.2 0.0 0.7 0.3 0.7 0.9 0.00360.9 0.0014270.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00000.7 0.7 0.7 0.4 0.0 0.6 0.6 1.0 0.31.4 1.116.6 16.0 15.5 14.3 13.7 11.1 10.9 10.8 10.9 9.0 5.0 5.9 82.3 83.3 85.9 84.4 85.2 86.8 87.4 87.5 88.089.1 92.413.1452第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析322 324 3260.8 0.00050.9 0.58880.8 0.8 0.40.0 0.00001.8 1.66465.4 4.2 4.8表5-3 回风侧随推进距离气样的变化数据
15 21 21 24 28 33 50 59 62 64 78 80 83 87 92 99 1070.4 0.7 0.4 0.2 0.5 0.0 0.8 0.5 0.00040.4 0.9 0.1 0.0 0.1 0.8 0.2 0.5 0.28040.2 0.9 14.7 0.5 0.8 14.8 0.5 0.0 15.4 0.6 0.9 14.0 0.6 0.4 15.5 0.3 0.4 13.7 0.0 0.6 12.6 0.6 0.4 10.9 0.9 0.8 10.1 0.1 0.3 0.9 0.2 0.6 0.4 0.5 0.9 0.7 0.4 0.7 0.1 0.6 0.1 0.5 0.77.4 8.9 6.9 5.5 5.8 5.4 5.4 4.5数据分析采用将实测数据进行Excel处理，并利用Matlab强大的作图功能进行综合分析。1）采空区氧浓度数据分析氧气浓度是采空区自燃“三带”划分的主要依据。采空区氧气浓度的变化，直观的反映了采空区的漏风状态，以及遗煤的氧化环境。一般认为以氧浓度划分三带的标准是：不燃带的氧气浓度＞18%；自燃带的氧气浓度在8%（或5%）~18%28
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析之间；窒息带的氧气浓度＜8%（或5%）。本次三带的划分以18%和5%作为划分的指标，具体为：不燃带：
O2 ＞18%自燃带：
18%＞O2 ＞5%窒息带：
O2 ＜5%通过束管抽检，得到采空区内氧浓度随工作面推进距离的变化曲线，如图5-6、图5-7。
图5-6 采空区内氧浓度随工作面推进距离的变化曲线(Excel作图）氧浓度平面分布图工作面倾向距离/m
采空区深度/m250300
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析氧浓度等高线图工作面倾向距离/m
采空区深度/m
图5-7 采空区内氧浓度随工作面推进距离的变化曲线（Matlab作图）由采空区氧浓度变化曲线可以看出（1）回风侧及中部氧浓度随工作面推进的过程中下降很快，采空区10m左右，氧浓度就已经下降到了15%，当采空区回风侧达到83m的时候氧浓度降到5%以下，进入了窒息带。（2）进风侧漏风强度比较大，氧浓度在工作面推进100多米时，氧浓度才开始有降低，且下降趋势缓慢。当采空区深度达到152m左右的时候，氧浓度才下降到18%以下。当采空区深度达到322m左右的时候，氧浓度才下降到5%以下，进入了窒息带。5.2 采空区自燃“三带”的CFD模拟通过现场布置的四个测点，课题组对采空区氧气及其他气体的分布特征有了初步的认识，但对于整个采空区来说，仅依靠这四个测点的认识显然是不够全面的。因此，课题组在实测数据的校准和验证下，采用CFD技术进一步研究氧气浓度在整个采空区的分布特征，最后结合现场观测和模拟数据进行了采空区自燃“三带”的划分。5.2.1 采空区氧气运移分布的理论基础应用CFD 理论进行数值模拟的实质是对Navier-stokes方程的求解，N-S方程由一系列描述流体流动的偏微分方程组成。描述采空区气体流动须遵守质量守恒、能量守恒及动量守恒定律，且包含不同组分的混合、传质，其还必须遵守组分守恒定律。控制方程结合具体的边界条件、初始条件则构成了采空区气体流动30
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析的数学模型。采空区气体流动主要遵循以下几类控制方程：1）连续性方程?????ui???sm
（5-1） ?t?xi式中，?为混合气体密度，i标记为（x，y，z），xi表示三维空间中的i方向，t为时间，u表示速度，ui为i（x，y，z）方向上的速度分量，Sm采空区内气体质量增减量。???p??ij??gi?si
（5-2） ??ui??(?uiuj)????t?xj?xi?xj???p??ij??gi?si
（5-3） ??ui??(?uiuj)????t?xj?xi?xjxj表示三维空间2）动量守恒方程：
其中，p是气流微元上的压力，其中i，j标记为(x，y，z),中的j方向，ij为分子粘性作用而产并作用在气体微元上的粘性应力张量， ?gi为i方向上的重力体积力，Si为i方向上气体在采空区多孔介质运移过程中附加的动量损失源项，由括粘性损失和惯性损失两部分构成，可表示为：Si??Dij?vj??Cijj?1j?1331?vjvj
（5-4） 2式中，?为采空区气体的粘度；Dij，Cij分别为粘性损失系数、惯性损失系数矩阵。vj为速度在x，y，z三个坐标方向上的分量，由此可见当流动速度足够小时，式中惯性损失部分相对于粘性损失可看作无穷小项，附加动量损失源可简化为Dacy公式表示。3） 组分质量守恒方程：?(?cs)?div(??cs)?div(Dsgrad(?cs))?Ss
（5-5） ?t式中，cs为组分s的体积浓度，?是该组分的密度，Ds为该组分的扩散系数，Ss为采空区内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，31
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析div(*)=?ax/?x??ay/?y??az/?z为引入的矢量符号。4）煤对氧的消耗是一个放热过程，考虑产热与耗氧速率的耦合作用，才能准确描述采空区氧浓度场的分布，求解的数学模型中必须包含能量守恒控制方程，FLUENT标准能量守恒控制方程的形式如下：?(?T)k?div(??T)?div(gradT)?ST?tcp（5-6）cs式中，p是比热容，T是热力学温度，k采空区气体的导热系数；T是能量源项。在特定边界条件下，运用数值方法对上述控制方程进行求解，即得到采空区氧气浓度的分布规律。5.2.2 综放面氧气浓度场的CFD模型基于上述基本理论，采用商业化计算流体力学软件FLUENT来模拟采空区气体的移动规律。FLUENT是通过有限体积的流体力学计算，来求解Navier-stokes方程，求解的步骤一般为：通过前处理器GAMBIT建立采空区的三维几何模型，并对几何模型进行网格划分，而后将模型导入FLUENT主程序进行求解。求解过程中，需要通过应用UDF（用户自定义函数）来将采空区渗透率、氧气扩散速率以及耗氧速率等参数与几何模型相结合。UDF一般采用文本编辑器编写，以.c文件保存，被FLUENT编译或解释后可通过交互菜单与FLUENT求解器相连接。压力梯度造成粘性流动和浓度梯度驱使下的扩散是氧气在采空区运移分布的主控因素，因此采空区的渗透率，氧气消耗及其扩散系数是氧气分布规律模拟中的关键参数。采空区的渗透率主要受采动后应力分布的影响，Greed 和Clark曾对采空区的渗透性进行了研究，认为采空区的渗透率取值在10-2~10-7m-2之间，同时指出采空区边缘的渗透率要比中部大的多。通过对现场地应力的观测以及先前模拟资料的分析，本次模拟渗透率的选择为10-2~10-9m-2之间，将渗透率写入UDF。根据FICK定律，采空区各种气体的扩散流量用下式表示，即：?XiDiT?T Ji??Dim??xiT?xi
（5-7）式中，Ji为第i种气体的扩散流量，主要由浓度梯度、热力梯度引起；Dim为混32
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析合气体的扩散系数，Xi为气体i的质量分数；DTi为热扩散系数；T为温度。对于非稀薄气体，式x可以采用多组分扩散公式代替，即：MiJi??Mmi
Xj?MmixDiT?T Dij(?)???xiMmix?xiT?xi
（5-8）nj,j?i?Xj其中，Mi是气体i的分子量；Mmix是混合气体的分子量；Dij是气体组分i的多组分扩散系数。氧气与浮煤发生物理吸附、化学吸附以及煤氧复合等物理化学变化，是采空区氧浓度不断下降的主要原因。低温氧化阶段（低于70°C）氧气的消耗速率可以采用下述公式来表示：nRat?e[A]oex?p(E/R
（5-9） 2式中，E为反应活化能，根据煤种的不同取12~95值64，本次数值试验取；A 是指前因子，依赖于煤级和测试方法；n为常数，取值多在0.5~1之间；R 为气体常；T为热力学温度；[O2]是氧气的体积浓度。5.2.3 模拟结果与分析图5-8为配风量1395m3/min时，采空区氧气浓度场分布及自燃带分布云图。从图中可以看出，采空区进风侧，高氧含量区域分布范围较广，在采空区深部322m左右，氧气含量仍可达到5%以上。而在采空区回风侧，氧气浓度下降迅速，在采空区深部78m即可下降到5%以下，采空区高氧区域呈典型的“U”型分布，这与现场实测数据是基本吻合的，说明建立的CFD模型能够反映采空区氧气分布的真实情况。
图5-8 配风量为1395m/min时的采空区底板氧气浓度分布云图333第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析这里以现场实测为基础，以数值模拟技术为辅助，划分了采空区氧化自燃“三带”的范围，确定了90101工作面采空区的易自燃区域分布特征。表5-4 按氧浓度划分采空区“三带”范围
进风侧回风侧 &152 & 7 152-322 7-83 &322
图5-9 90101工作面采空区自燃带的分布经过分析可知，90101综放工作面采空区自燃带在进风侧的分布范围较广，沿走向长达170 m左右；而在采空区中部自燃带的分布区域较为狭窄。最终确定采空区自燃危险区域范围为：进风侧152-322m，回风侧7-83m。这就表明，在
正常回采期间，自然发火的真正威胁来自于两道处浮煤，若采用防灭火技术尽可能将两道处的浮煤做到无缝隙覆盖，则可大幅降低回采期间煤自然发火的危险性，是阻止采空区自燃的关键。5.2.4工作面配风量对自燃带分布的影响应用验证了的CFD模型对不同配风量条件下的自燃带分布（0.05&氧气浓度&0.18）进行CFD模拟，研究配风量变化对采空区自燃带宽度的影响。图5-10~图5-11分别为配风量、1600m3/min配风量下的自燃带分布云图。
图5-10 配风量为1395 m3/min时的自燃带分布云图34
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析
图5-11 配风量为 m3/min时的自燃带分布云图根据模拟结果对进风、回风侧自燃带前端、后端及自燃带宽度与配风量的关系进行分析，结果如下（纵坐标为采空区深度，横坐标轴为配风量）：
图5-12 采空区进风侧自燃带分布与配风量的关系
图5-13 采空区回风侧自燃带分布与配风量的关系图5-12和图5-13给出了90101综放面采空区自燃带分布与配风量的关系。图中曲线的斜率可视为配风量对自燃带分布的影响因子，则斜率的增减与配风量对自燃带的影响程度相一致。通过分析可知，随着工作面风量的增大，自燃带的宽度会增加，且工作面风量对回风巷侧自燃带宽度的影响大于进风巷侧。因此在保证工作面需风量的情况下应尽量保证小的配风量，这样就可以减小自燃带的宽度，减小工作面采空区防灭火工作的难度。5.3本章小结本章主要是通过现场测试结合数值模拟手段对90101工作面采空区自燃危35
第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析险区域进行了研究。（1）采用采空区敷设束管和采样头的方式对采空区气体进行了实测。实测表明，90101综放面采空区高氧浓度分布范围较广。比如，在进风侧采空区深部大于152m时，氧气浓度才降至18%以下。（2）结合现场实测和CFD模拟技术的综合应用，对90101工作面采空区自燃三带进行了划分，确定了自燃危险区域，得出以下结论：90101综放工作面采空区自燃带的在两道侧的分布范围较广，沿走向长达170 m左右；而在采空区中部，自燃带的分布区域较为狭窄。最终确定采空区危险区域范围为：进风侧152 m-322m，回风侧7m-83m。在正常回采期间，两道的自然发火的威胁较大。（3）采用CFD技术研究了配风量对采空区“自燃带”分布特征的影响，研究表明，随着工作面风量的增大，自燃带的宽度会增加，且工作面风量对回风巷侧自燃带宽度的影响大于进风巷侧。因此在保证工作面需风量的情况下应尽量保证小的配风量，这样就可以减小自燃带的宽度，减小工作面采空区防灭火工作的难度。36
第六章 全文总结6 全文总结本课题以山西中煤杨涧煤业有限公司90101工作面为研究背景，针对90101埋藏浅、采高大、自然发火危险性强的特征，对煤层自然发火特征、采空区自燃危险区域及其影响因素进行了分析研究。本项目取得了以下研究成果：（1）对90101工作面煤层进行工业分析、相对真密度测定和自燃倾向性测试，得出煤中水分、灰分、挥发份及固定碳的含量、发热量、氢含量和真相对密度的值，经测试杨涧煤矿90101工作面开采煤层属Ⅰ类容易自燃煤层。（2）采用程序升温法研究了90101煤层气体产物随温度的变化规律，得出90101工作面自然发火预测预报指标：以CO作为主，并辅以C2H6、C3H8、C2H4、C2H2来掌握煤炭自燃情况。1）CO是90101工作面煤层自然发火的指标气体之一。CO的出现表明煤样已经开始氧化，CO浓度越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈，煤自燃发火危险性越高。但由于在整个自然发火过程中都有CO产生，因此在实际生产过程中应用CO标志气体应该分两部分考察：（1）现场气体检测中是否存在CO？如果存在CO则表明煤样开始氧化（2）出现CO后其浓度变化趋势如何？如果CO浓度持续增长则表明煤氧化程度加剧，如果CO浓度变化比较平稳这说明低温氧化得到一定程度的控制，如果CO浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。2）C2H4 是煤样局部进入加速氧化阶段的标志性气体。C2H4的出现表明煤样局部温度已经到达100℃~110℃左右。在CO浓度值增高时应特别注意加强观测，在有CO存在的前提下，只要出现C2H4必须采取切实有效的防灭火措施，如果延误时机可能发展为重大火灾事故。3）C2H2的出现标志着煤样局部温度超过200℃。一旦在矿井下检测到C2H2时，应视为煤层局部已经可能出现明火或阴燃，采取措施是需要谨慎。（3）采用现场测试和CFD计算模拟的相结合的方法，研究了90101工作面自燃三带的分布规律，结果表明：90101采空区氧化带进风侧分布在152m-322m，回风侧分布在7m-83m范围内。氧化带在采空区中部分布狭窄，在正常回采期间，自然发火的主要威胁来自于两道处浮煤。（4）采用CFD技术研究了配风量对采空区“自燃带”分布特征的影响，研究表明，随着工作面风量的增大，自燃带的宽度会增加，且工作面风量对回风巷侧自燃带宽度的影响大于进风巷侧。因此在保证工作面需风量的情况下应尽量保37
第六章 全文总结证小的配风量，这样就可以减小自燃带的宽度，减小工作面采空区防灭火工作的难度。
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