瓦斯與煤自燃多場耦合致災(zāi)機(jī)理研究.pdf

1、煤的自燃性和煤對瓦斯的吸附特性是煤的兩大基本屬性，也是導(dǎo)致煤礦瓦斯與煤自燃災(zāi)害事故的根本原因。近年來，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增高，地溫梯度急劇增大，瓦斯與煤自燃災(zāi)害交織共生現(xiàn)象愈加普遍，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，煤礦安全生產(chǎn)形勢愈加嚴(yán)峻。井下煤礦瓦斯與煤自然發(fā)火復(fù)合共生致災(zāi)已成為礦井重特大事故發(fā)生的普遍規(guī)律。復(fù)合共生災(zāi)害的治理不僅需要考慮治理的高效性，還必須兼顧治理過程中的安全性，如瓦斯抽采作為煤礦瓦斯災(zāi)害治理的根本性措

2、施，瓦斯抽采中不僅需要考慮高效性，還必須保證不會(huì)引發(fā)煤自燃或瓦斯燃爆等次生災(zāi)害事故。
　　然而，由于瓦斯與煤自燃復(fù)合共生災(zāi)害是多尺度、多時(shí)度和多物理過程耦合作用的結(jié)果，目前仍十分缺乏關(guān)于煤巖裂隙場、多組分氣體擴(kuò)散-滲流場、煤-氧反應(yīng)化學(xué)場以及能量傳輸場之間的耦合作用關(guān)系的系統(tǒng)理論研宄，致使我們對井下煤巖裂隙場中瓦斯與煤自燃災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及演化機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，災(zāi)害防治理論明顯落后于災(zāi)害防治實(shí)踐。為此，本文開展了井下煤層和采空區(qū)松散體

3、等裂隙場中瓦斯與煤自燃共生環(huán)境下多場耦合致災(zāi)理論的研宄，獲得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括：
　　(1)煤層瓦斯-空氣混流流-固耦合作用機(jī)制
　　考慮瓦斯抽采中，煤層基質(zhì)瓦斯解吸-擴(kuò)散-滲流、裂隙瓦斯-空氣混流以及煤體解吸/吸附氣體引起的煤體基質(zhì)收縮/膨脹變形過程，建立了煤層瓦斯抽采質(zhì)量評價(jià)的流-固耦合雙重孔隙介質(zhì)模型，揭示了瓦斯抽采的低品質(zhì)問題的流-固耦合機(jī)制及其控制參數(shù)，為井下煤層瓦斯的高效安全抽采提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)，并提出了固相

4、顆粒封堵改變煤層裂隙尺度場提高煤層瓦斯抽采濃度的新方法。
　　(2)煤層自然發(fā)火的流-固-熱-化耦合作用機(jī)制
　　有機(jī)統(tǒng)一了井下煤層自燃所涉及的煤體地質(zhì)力學(xué)變形、多組分氣體滲流-傳輸和能量傳遞等多物理耦合過程，建立了煤層自燃的流-固-熱-化全耦合模型，揭示了井下煤層自燃升溫演化中存在氣體熱加速效應(yīng)，定量化確定了煤層自燃的時(shí)間和地點(diǎn)。此外，對煤孔隙度、煤滲透率、壓差、煤氧化耗氧速度以及氧化反應(yīng)熱進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，結(jié)果表明：

5、煤自燃升溫溫度和氣體滲流速度與以上因素呈正相關(guān)，表現(xiàn)為“S”型上升趨勢，而氧氣濃度呈現(xiàn)“S”型衰減趨勢。
　　(3)煤層瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合作用機(jī)制
　　進(jìn)一步耦合了煤變形（氣體解吸引起的煤收縮和煤自燃升溫引起的煤膨脹）、基質(zhì)瓦斯解吸-擴(kuò)散、裂隙中多組分氣體擴(kuò)散-對流、煤氧化動(dòng)力學(xué)以及能量傳輸?shù)榷辔锢磉^程。建立了含瓦斯煤自燃升溫演化模型，定量評價(jià)了瓦斯解吸擴(kuò)散時(shí)間、煤初始滲透率、漏風(fēng)壓差、煤-氧反應(yīng)熱以及煤-氧反

6、應(yīng)速度對煤自燃的影響，分析結(jié)果表明：裂隙中多組分氣體的流動(dòng)不僅與煤的滲透率相關(guān)，還與瓦斯解吸速度以及氣體熱膨脹引起的氣體自加速效應(yīng)相關(guān)；基質(zhì)瓦斯解吸擴(kuò)散到煤裂隙中不僅會(huì)稀釋氧氣濃度、惰化自燃煤體，還會(huì)阻隔外界空氣的滲入多孔介質(zhì)煤中；漏風(fēng)壓差、煤初始滲透率和煤氧化反應(yīng)熱越大，煤介質(zhì)滲透速度越高、煤氧反應(yīng)越劇烈和自燃升溫越高。然而，煤的自燃反應(yīng)速度不是完全由煤的氧化速度決定的，它與煤的活化能和指前因子相關(guān)，活化能越小、指前因子越大，煤的氧化

7、反應(yīng)越強(qiáng)烈。
　　(4)釆空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合作用機(jī)制
　　考慮工作面連續(xù)推進(jìn)引起的采空區(qū)滲透率的時(shí)空響應(yīng)，煤自燃與瓦斯涌出流動(dòng)也隨著推進(jìn)時(shí)間的延續(xù)表現(xiàn)為很強(qiáng)的“歷史效應(yīng)”，建立了動(dòng)態(tài)推進(jìn)下高瓦斯易自燃煤層綜采工作面采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合模型，探討了工作面長度、風(fēng)量、風(fēng)阻、工作面推進(jìn)度、氧化反應(yīng)熱和煤氧化速度對采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合作用的影響，揭示了采空區(qū)瓦斯與煤自燃災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及演化機(jī)制

8、，提升了我們對協(xié)同防治采空區(qū)瓦斯與煤自燃共生災(zāi)害的理論認(rèn)識(shí)水平。
　　(5)瓦斯與煤自燃多場耦合模擬軟件開發(fā)與應(yīng)用
　　提出了瓦斯與煤自燃復(fù)合共生區(qū)域安全度的概念，并根據(jù)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生致災(zāi)判定準(zhǔn)則給出了安全度的數(shù)學(xué)定義表達(dá)式，集成了瓦斯與煤自燃耦合作用模型，開發(fā)了煤礦瓦斯與煤自燃復(fù)合共生多場耦合模擬軟件，成功應(yīng)用于煤層和采空區(qū)瓦斯抽采案例，獲得了瓦斯抽采中煤層和采空區(qū)區(qū)域安全度的動(dòng)態(tài)演化，對瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治措施