文摘

在这篇文章中,惰性的惰化效果和迁移规律N₂和有限公司₂在大型倾斜采空区使用物理模拟模型进行了研究。氧还原和惰性气体迁移的差异进行了分析和比较。结果表明,N₂和有限公司₂注入的增加,氧化带的范围和宽度缩小和松散的结束和氧化区靠近工作面移动。公司迁移的状况₂和N₂就像一个喇叭和一个L型,分别在相同的惰化流量,有限的影响₂惰化对氧气还原更重要比N₂。

1。介绍

急倾斜煤层倾斜角度的35°55°在国际上被认为是挑战我。目前,急倾斜煤层的煤储量约占中国总煤炭储量的20% (1),其年产量约占煤炭总产量的10%。连续采矿、煤层赋存条件好的东部地区正逐渐耗尽。因此,煤矿中心转移到西部地区,和开采急倾斜煤层的比例继续增加(2]。自燃,煤矿生产的重大灾害之一,已成为一个主要阻碍因素的绿色、高效、高产、安全在中国煤炭生产。自燃引起瓦斯爆炸等次生灾害,煤尘爆炸,释放出有毒气体,严重威胁安全的矿工和矿山的利润。据报道,超过半数的中国煤矿自燃的危险,其中60%是由火灾引起采空区(3]。然而,开采大倾角煤层更容易比矿业近水平煤层自燃。大倾角煤层的开采方法主要包括水平切片开采、巷道崩落采矿方法,分割化水平切片或斜切切片采矿、pseudoinclined走向长壁开采屈服,等等(4]。采煤方法的特征可能导致严重的采空区浮煤积累和不对称分布,这就增加了自燃的风险(5]。因此,防止采空区浮煤自燃的陡峭倾斜工作面是煤矿安全生产的关键。

在许多防火技术报道,惰性气体防火技术由于其快速氧具有显著优势,温度,减少漏风采空区(6]。主要采用的惰性气体N₂和有限公司₂。惰性气体防火和灭火技术稍微倾斜煤层的系统研究。陈和王7]研究了采空区自燃规律的全面屈服工作面和注氮技术预防和扑灭火灾、结束的采空区自燃的风险全面屈服工作面在一定的高度,可以消除氮注入。壮族et al。8]研究了采空区自燃的机理的工作面厚煤层分层开采期间,提出了隔离氮气注入技术与最优氮注入参数。郑(9]研究了氮的机理和参数注入预防和扑灭火灾不同开采条件下的采空区。

国内外学者进行了大量的研究工作N的迁移₂和有限公司₂在采空区。曹et al。10]分析了采空区注氮流量的影响氮迁移半径根据现场实测数据,认为增加了注氮流量会增加氮迁移半径近线性对数形式。但随着注氮流量的增加,氧抑制效率的注氮采空区氧化带的逐渐减少,所以简单地增加注氮流量不会有理想的效果。曹et al。11]研究的范围的变化三个自燃区注氮前后通过现场监测和确定最优位置和流量的氮气注入最优惰化效果。邵et al。12,13研究了公司的流动特性₂在采空区进行了数值模拟,得出这样注射有限公司₂在采空区比注射更有效氮。王等人。14)采用数值试验方法研究分布规律的三个采空区自燃区域的综采工作面不同位置和流速的二氧化碳注入。他们的研究结果表明,最优二氧化碳注入位置入口槽从工作面约20米,最大宽度的氧化加热区二氧化碳注射后从入口到工作面。

根据文献综述,学者们进行了相对较少的惰性气体的迁移规律研究采空区的高倾角工作面,尤其是采空区复杂煤岩分布在高倾角切片开采厚煤层。因此,有效地预测采空区的惰性气体流的高倾角切片下厚煤层开采和准确地实现防火技术的首要任务是防治采空区自燃。本文以Dongxia煤矿为研究对象,进行物理相似模拟实验研究O₂分布和惰性气体迁移法在惰性气体注入后的采空区。本研究可以指导矿山防火和对防治有重要现实意义在大型倾斜煤层采空区自燃。

2。材料和方法

2.1。37121 - 1工作面的概述

的37121 - 1工作面大倾角Dongxia煤矿位于Dongxia煤矿的940 - 875年阶段。的平均厚度煤层在这脸是7.0米,平均的工作面倾角45°。本煤层自燃的风险高的最小的自燃时间37天。工作面罢工的长度是1021米,倾斜长度是126米。采用综合机械化放顶煤开采过程挖掘方法对采矿、矿业2.7米的高度和屈服的高度4.3米。工作面之间设置水平+ 940,+ 875米。设计空气供给的工作面是490米³/分钟,而实际的空气供给是750米³/分钟。

2.2。实验平台

2.2.1。实验平台设计

调查的影响,惰性气体注入设置O₂分布在大型采空区,相对于基于相似模拟实验平台在Dongxia煤矿工作面37121 - 1(类似的比例,1:60)成立。相似模拟实验平台的基本参数如表所示1。

相似模拟实验遵循三个相似性标准:几何相似、运动相似,和动态相似,如下所示(15- - - - - -17]。(我)几何相似:高的相似模拟实验平台采空区倾向工作面临正比于真正的采空区的几何参数。模拟的泡沫用于填充采空区砾石的大小成正比的真正的采空区(2)运动相似:空气流过的时间相似的工作面仿真模型是一样的,在真正的采空区。空气注入惰性气体的体积比例的模型也是一样的真正的采空区(3)动态相似:气流的力量在大型倾斜采空区的相似模拟实验平台是一样的,在真正的采空区,并迫使方向也相同的如果次要因素不考虑18]

2.2.2。平台建设

实验平台模拟O₂分布和惰性气体迁移法在不同流速下后注入N₂和有限公司₂到大倾斜采空区。实验平台包括盒子,通风,数据收集,和惰性气体注入系统。实验平台的原理图如图1。

(1)系统。盒子模拟大型倾斜采空区的主要部分实验平台。它包括盒体和两个漫长的道路。50 mm的盒子是由角钢框架和一个2毫米厚不锈钢底板焊接到框架。主机箱的维数 。采空区和巷道采用透明PMMA亚克力板来模拟支持煤壁。两个旋转支持焊接在底板和框架。通过同步旋转两个坚果,整个平台可以在0°倾斜到左边,55°。

根据煤和岩石分布规律在大型采空区,相对于煤炭屈服和剩下的煤的分布非常不规则。因此,有机泡沫不同的直径是用来填满盒子和近似空间特征的多孔介质大倾斜采空区。一层破碎煤炭块放在盒子的底部来模拟剩余煤炭采空区。

(2)通风系统。通风系统的目的是调整通风参数的相似模拟实验。它包括一个负压真空泵转子流量计。真空泵连接到左回风巷道模拟提取下行通风模式的工作面。转子流量计用于测量和控制工作面风量的,如图2。

(3)数据采集系统。数据采集系统记录实时监控数据。图3显示了氧气测量的详细布局点。总共有60氧气传感器安排在采空区框来衡量O的空间分布₂在采空区和间接反映N的迁移规律₂/公司₂在采空区。

(4)惰性气体注入系统。惰性气体注入系统模拟了惰性气体注入采空区。该系统包括的N次方₂或公司₂气瓶、气减压阀门、气体缓冲罐,空气转子流量计,和透明聚氨酯管道直径14毫米,如图4。N₂或公司₂气缸模拟注入采空区的惰性气体的来源。两个气缸与三方联合,以确保足够的惰性气体源在实验。气体减压阀与气瓶保持绝对压力,惰性气体的流出是连续的和光滑的。气缓冲罐用于缓冲气流和一定量的惰性气体,确保连续性的惰性气体注入实验。

2.3。实验方法

这个实验的目的是定性分析大倾角的惰性气体迁移法采空区不同流动条件下的变化规律三个采空区自燃区。由于实验间接分析N的迁移过程₂或公司₂通过监测的空间分布₂和N的中心区域₂或公司₂惰化氧化带,假设在采空区气体成分都是空气在实验的开始。实验包括两个部分:(1)与类似的N迁移法仿真实验₂在采空区(2)与类似的迁移规律,仿真实验有限公司₂在采空区

实际的工作面通风率Dongxia煤矿37121 - 1是880米³/分钟。根据相似准则,工作面通风率的实验设置为5.0升/分钟,和N的流量₂或公司₂设置为1.1升/分钟,2.3 L / min,和3.4 L / min,对应于实际的N₂或公司₂注射流率200³/分钟,400米³/分钟,600米³/分钟。N的深度₂或公司₂注入管道在实验中是0.67米,对应于实际的40米的深度。以来的最大倾角37121 - 1工作面45°,平台的旋转角度设置为45°的实验。表2显示了实验方案。的通风模式模拟工作面临下行通风,和N的位置₂或公司₂注入位于高层进气侧。

在实验之前,实验平台的倾角设置为45°,负压真空泵是连接到空气返回。同时,注气管道连接的N次方₂/公司₂灌注系统。真空泵是打开密封的相似性模型至少3 h来填补它与空气和调整60氧气传感器的读数为20.95%。之后,通风系统被打开,负压排气气流进行调整。空气转子流量计阅读5.0升/分钟,表明连续和稳定的通风。因此,典型工作面通风环境的模拟。N₂/公司₂汽缸阀被打开,N的流量₂/公司₂通过转子流量计,不断调整和稳定通过N吗₂/公司₂到相似模型中。实时数据采集系统记录数据。当浓度稳定,读数的O₂传感器被保存,实验得出的结论。

3所示。结果和讨论

3.1。0°倾角

验证的可行性研究采空区危险区域和惰性气体迁移规律相似模型,我们进行了N₂和有限公司₂注射实验在0°倾角3.4升/分钟的流量。氧气浓度分布在六个部分 , , , , ,和 和阿云的分布₂集中在 , , , ,和 下图所示。

如数据所示5和6N₂注入产生惰化影响采空区的上盘,但没有明显的惰化效果较低的一侧。N的惰化效果₂改善与地板的距离的增加。N₂注入可以降低氧浓度低于10% ,0.3米,0.4米,保持煤炭完全窒息区范围内。如数据所示7和8、有限公司₂注入产生明显的惰化影响下的采空区,但可怜的惰化效果上。有限公司₂只有保持煤炭窒息区域的范围内 ,而在其他高氧浓度高,表明有限公司₂移民是比这更糟的N₂。

3.2。45°倾角

3.2.1之上。N₂注射

当N₂注射速率为1.1,2.3和3.4 L / min,氧浓度分布 ,0.5、0.8和1.4米 和1.5所示的数据9- - - - - -11,分别。

更深层次的蓝色显示低氧浓度高的区域。随着喷射率的增加,N₂扩散到更大的区域。当N₂流量是1.1升/分钟,区域上的采空区低N₂惰化效果,但大多数地区没有惰化效果和高氧浓度。当N₂注射速率增加到2.3 L / min, N₂惰化更大范围与降低采空区氧浓度低的一侧。当N₂注射速率增加到3.4 L / min, N₂惰化影响下的采空区是更重要的,和其他领域的颜色是深蓝色,表明降低氧浓度的增加N₂注射速率。因此,高N₂注射速率有更好的对大型倾斜采空区惰化效果。

如数据所示12- - - - - -14,采空区氧浓度分布在不同高度的基本上是一样的在不同的N₂注入率,和N₂主要分布在进气口一侧的采空区。当N₂注射速率为1.1 L / min,采空区地面附近的氧浓度在10%以上( 和 ),和采空区氧化带的大( )。在0.3米和0.4米的地板,窒息区出现。当N₂注入率是2.3升/分钟,氧化带随底板的距离而减小。随着N₂注射速率增加到3.4 L / min,整个采空区的范围内基本上是窒息区,和剩余煤炭采空区自燃并不容易。

3.2.2。有限公司₂注射

如数据所示15- - - - - -17的惰化区有限公司₂完全不同于N₂。惰化区域主要反映在公司₂注入。的有限公司₂达到最初低级回风侧的一边,逐渐从低级的空气扩散返回到高层进气的增加有限公司₂注射速率。当有限公司₂喷射流1.1 L / min,惰化区域主要位于较低的一侧的采空区。蓝色区域的范围非常有限,这表明注入流保持采空区惰性是不够的。的有限公司₂注射速率增加到2.3 L / min,有限公司₂惰化面积变大,采空区氧浓度低的一侧的显著减少。当有限公司₂注射速率增加到3.4 L / min,采空区氧浓度低的一侧的进一步减少,但在采空区不能降低到一个较低的水平。

如数据所示18- - - - - -20.,氧浓度分布规律基本上是相同的在不同高度下的采空区不同的公司₂注入率。有限公司₂主要分布在返回的采空区。当有限公司₂注入率是1.1升/分钟,在每个高度从采空区氧浓度地板是在10%以上。氧气浓度随采空区地面的距离,和18%的氧气浓度 ,0.2和0.3提供了一个年代分布。即使公司₂注射速率增加到2.3和3.4升/分钟,在采空区氧浓度仍高10%以上。大部分的采空区氧化带,和残煤容易自燃。

3.3。N₂和有限公司₂注射移植机制和法律

3.3.1。N₂和有限公司₂注射移植机制

当注入采空区倾向大,N₂积累在进气侧的上层空间重力然后向下和向空气传播返回。N₂喷射流是至关重要的在采空区自燃区分布。增加N₂注入,氧化带的范围和宽度减少,松散的结束区和氧化带工作面推进,在氧化带的末端移动进一步的宽松的区域。

当注入采空区倾向大,有限公司₂扩散沿采空区下的低层空气返回重力,然后慢慢向上扩散。有限公司的惰化效果₂在采空区的面积大倾向显著低于水平的采空区是因为有限公司₂比空气密度。与大的倾向,有限公司₂沿着进气流动到低层空气返回的采空区。公司的一部分₂消散随气流的工作面,从而降低有限公司₂空气中积累回报方面,导致可怜的惰化效果。

3.3.2。N₂和有限公司₂注入移民法律

N₂和有限公司₂惰化效果和迁移法在采空区面积大倾向数据所示21和22,分别。当N₂注入采空区面积大的倾向,N₂积累的上部区域下方的入口端自N₂比空气轻,逐渐扩散到低级高氧区。迁移的N₂接近一个L型。当注入,公司₂积累到低层空气返回,逐步向高氧扩散区域深高级进气侧自公司的一部分₂比空气密度。还有一个高氧工作面附近地区由于通风。公司迁移的状况₂就像一个喇叭的形状,贝尔苦相位于有限公司₂填充进气侧的港口。

4所示。结论

在这篇文章中,N的惰化效果和迁移规律₂和有限公司₂注入与大型采空区倾向相似仿真模型进行了研究。结果表明,随着N的增加₂和有限公司₂注入,氧化带的范围和宽度减少,松散的结束区和氧化带工作面推进。在同一流量注入时,有限公司₂飞到空中的回报和消散的气流工作面由于其密度比空气高,和惰化效果更显著的N₂。迁移的N₂在采空区近似L形状,和有限公司₂近似一个喇叭的形状。因此,N的惰化效果₂是优越的大型倾斜采空区防火和灭火。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

附加分

煤矿的术语。工作面:第一煤炭生产站点,狭窄工作空间,机械设备、视觉环境差,高温特性。地下采空区:空腔或腔左后煤和煤矸石开采煤矿的过程中。进气:新鲜的空气流的工作面。返回:空气浑浊的风后新鲜空气通过工作面和采空区。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号52074277)和江苏省自然科学基金(批准号BK20211585)。