采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法技术

本发明专利技术涉及一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点，包括如下步骤：采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布；分布式测温光缆的布置与束管测点一致，形成对温度场的监测，构成了温度和气体的高密度网络化监测；结合现场观测参数，分析瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素，建立煤岩裂隙空间多场交汇和气体在煤岩裂隙中运移的物理模型；基于煤岩裂隙场建立了不同尺度下孔隙－裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型。该判定方法能够实时准确地监测采空区内煤自燃和瓦斯爆炸关键参数，控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

【技术实现步骤摘要】
采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法
：本专利技术涉及煤矿采空区监测
，尤其涉及一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法。
技术介绍
：我国的煤炭资源储量是除美国和俄罗斯之外的第三大国，约占到世界煤炭储量的12.8％，由于我国能源“富煤、贫油、少气”的非均衡分布特点，使得煤炭资源的消耗占到三大化石能源的70％左右。虽然近年来国家大力推广节能减耗及各种清洁、新型能源，但短期内，煤炭仍将是我国的主要消耗能源，且据估计，截止2020年，我国煤炭消耗增加量将占全世界的2/3。煤炭作为我国的第一大生产和消耗能源，在给我们创造巨大利益的同时，由于其复杂的赋存状况及开采技术的局限性，已成为一大高危行业。据国家安全生产监察管理总局统计资料显示，近几年我国煤炭行业安全形势持续好转，但若从百万吨死亡率来评估，煤炭行业的安全问题仍相当严峻。随着矿井开采深度及机械化强度的加大，五大灾害愈加严重地威胁着矿井的正常生产和人、机安全，其中以矿井火灾与瓦斯爆炸尤为突出。煤矿火灾包括外因火灾和内因火灾，其中内因火灾主要指煤炭自燃，是矿井的主要火灾形式，且大约60％的自燃事故以采空区为主要灾害场所；采空区是综采工作面瓦斯的主要涌出源，据有关资料显示，采空区遗煤解析的瓦斯量占到整个采场瓦斯涌出量的50％以上，高者可达80％。近年来，随着煤层赋存深度及开采速度的不断加大，煤矿井下采空区环境愈加复杂，两种事故因素之间相互影响、动态关联，采空区自燃引发瓦斯爆炸的耦合灾害频发，且其发生后果危害性大、治理难度大。采空区是矿井各种灾害的高发区，其内部复杂的环境状况对采空区灾害的防治十分不利。目前，对采空区遗煤自燃或瓦斯爆炸的研究已趋于成熟，但随着煤层赋存深度的不断加大，遗煤自燃引发瓦斯爆炸的燃爆耦合灾害日渐凸显，且其后果严重、危害性大，尤其是高瓦斯易自燃煤矿，而目前针对燃爆耦合灾害的研究分析尚为不足。因此，结合矿井工程实际，判定采空区燃爆耦合灾害危险区域并分析其危险性，对煤矿的灾害防治工作尤为重要。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，能够实时准确地监测采空区内煤自燃和瓦斯爆炸关键参数，避免发生危险。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点，包括如下步骤：采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，即沿工作面倾向布置，由回风侧向采空区埋设束管，分两排布置，共埋设束管监测点16个，采空区内的沿工作面倾向的各测点在布置的时候从支架后穿过并且各束管监测点间距设定为30米；分布式测温光缆的布置与束管测点一致，从支架后溜槽沿倾向每隔60米布置测温光缆，形成对温度场的监测，构成了温度和气体的高密度网络化监测；结合现场观测参数，分析瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素，建立煤岩裂隙空间多场交汇和气体在煤岩裂隙中运移的物理模型；基于煤岩裂隙场建立了不同尺度下孔隙－裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型。为了监测采空区真实气体分布，防止采空区积水堵塞束管，并便于束管埋设，所述采空区及回风顺槽预埋的束管进气口距离底板高度为均在1.15m以上。结合现场观测参数，瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素包括浮煤厚度、氧气浓度、散热强度及瓦斯浓度，煤自燃只有在浮煤厚度、氧气浓度及耗氧速率共同作用才可以发生。首先，采空区浮煤自然氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热量之和时，才能引煤体自然升温，从而导致自燃，即采空区浮煤氧化放热能引起升温必须满足下式式中，ρg,cg分别表示工作面风流密度(g.cm-3)和热容(J.g-1.℃-1)；q0(T)为实验测定煤的放热强度(J.cm-3.s-1)；λe为浮煤导热系数(J.s-1.cm-1)；为采空区内漏风强度(cm/s)。把采空区浮煤看成是无限大平面通过岩体传导散热，漏风强度小，认为是一维漏风，煤体内的温度近似认为均匀，则(1)式化为其中，式中，h为浮煤体厚度；Tm为煤体内最高温度；为煤体平均温度；Ty为岩层温度；Tg为风流温度；λe为松散煤体导热系数；q0(Tm)为温度Tm、氧气浓度C0时的氧化放热强度；x为采空区距工作面的距离，把(3)式代入(2)式，简化得煤体升温的必要条件为即当浮煤厚度h≤hmin时，松散煤体不能引起自然升温，hmin为最小浮煤厚度。其次是氧气浓度，采空区内氧气浓度达到下限氧浓度最小值Cmin，即可导致自燃，氧化放热强度q(Tm)与氧浓度成正比，即式中，q(Tm)表示氧浓度为C时的放热强度；q0(Tm)表示氧浓度为C0时的放热强度；为新鲜风流氧浓度；C为实际氧浓度；把(5)式代入(1)式得：也就是当C≤Cmin时煤体氧化产生的热量小于散发的热量，煤体不可能升温；采空区可简化为无限大平板的一维传热，则(6)式可化为式中，h为采空区浮煤厚度。最后是散热强度，当采空区浮煤厚度大于hmin，又有足够的氧浓度，且风流为一维流动，流速是个常数，则(1)式化为因则即即当散热强度时，煤体就不能引起自然升温，为煤自燃的极限漏风强度。瓦斯爆炸的条件是瓦斯浓度在爆炸极限范围内、氧气浓度达到最小值、且有引火源，发生瓦斯爆炸的必要条件是瓦斯浓度在爆炸极限范围内，即5％＜CCH4≤16％。因此当同时满足上述几个条件时，有可能发生煤自燃与瓦斯爆炸混合灾害：S混合灾害＝(h＞hmin)∩(CO2＞Cmin)∩(Q＜Qmin)∩(5％＜CCH4≤16％)。基于煤岩裂隙场建立了不同尺度下孔隙－裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型，煤岩裂隙场中任意处氧气的浓度为：式中，v0为进入煤岩裂隙场中的外界空气的速度；A0、Aτ分别为空气进入煤岩体的初始表面积和τ时间的渗流表面积；v分别为煤岩裂隙场中τ时间处混合气体的速度；p0、M0分别为进入煤岩体介质中的外界空气的压力和平均摩尔质量；n元组分气体混合后的平均摩尔质量，计算公式为：其中：由各组分质量浓度之和为1，得时间τ内瓦斯浓度为：本专利技术的有益效果是：该采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点，能够实时准确地监测采空区内煤自燃和瓦斯爆炸关键参数，分析瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素，建立煤岩裂隙空间多场交汇和气体在煤岩裂隙中运移的物理模型，控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。附图说明：图1为本专利技术采空区气体及温度测点的布置图；图2为本专利技术采空区埋管测点的布置图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。本专利技术提供一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，为了准确的监测采空区内煤自燃和瓦斯爆炸关键参数，采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点。如图1、图2所示，采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，即沿工作面倾向布置，由回风侧向采空区1埋设束管4，分两排布置，共埋设束管监测点2十六个。采空区1内的沿工作面倾向的各束管监测点2在布置的时候从支架后穿过并且各束管监测点2间距设定为30米，当工作面推进(沿图1中箭头方向)约60米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点，其特征在于，包括如下步骤：采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，即沿工作面倾向布置，由回风侧向采空区埋设束管，分两排布置，共埋设束管监测点16个，采空区内的沿工作面倾向的各测点在布置的时候从支架后穿过并且各束管监测点间距设定为30米；分布式测温光缆的布置与束管测点一致，从支架后溜槽沿倾向每隔60米布置测温光缆，形成对温度场的监测，构成了温度和气体的高密度网络化监测；结合现场观测参数，分析瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素，建立煤岩裂隙空间多场交汇和气体在煤岩裂隙中运移的物理模型；基于煤岩裂隙场建立了不同尺度下孔隙－裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型。

【技术特征摘要】
1.一种采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，采用束管及光纤测温的方式，在采空区内进行高密度网格化布点，其特征在于，包括如下步骤：采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，即沿工作面倾向布置，由回风侧向采空区埋设束管，分两排布置，共埋设束管监测点16个，采空区内的沿工作面倾向的各测点在布置的时候从支架后穿过并且各束管监测点间距设定为30米；分布式测温光缆的布置与束管测点一致，从支架后溜槽沿倾向每隔60米布置测温光缆，形成对温度场的监测，构成了温度和气体的高密度网络化监测；结合现场观测参数，分析瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素，建立煤岩裂隙空间多场交汇和气体在煤岩裂隙中运移的物理模型；基于煤岩裂隙场建立了不同尺度下孔隙－裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型。2.根据权利要求1所述的采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，其特征在于：所述采空区及回风顺槽预埋的束管进气口距离底板高度为均在1.15m以上。3.根据权利要求1所述的采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，其特征在于：瓦斯异常涌出原因、特征和影响因素包括浮煤厚度、氧气浓度、散热强度及瓦斯浓度。4.根据权利要求3所述的采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，其特征在于：采空区浮煤自然氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热量之和时，才能引煤体自然升温，从而导致自燃，即采空区浮煤氧化放热能引起升温必须满足下式式中，ρg,cg分别表示工作面风流密度(g.cm-3)和热容(J.g-1.℃-1)；q0(T)为实验测定煤的放热强度(J.cm-3.s-1)；λe为浮煤导热系数(J.s-1.cm-1)；为采空区内漏风强度(cm/s)。5.根据权利要求4所述的采空区瓦斯与煤自燃多场耦合危险区域的判定方法，其特征在于：把采空区浮煤看成是无限大平面通过岩体传导散热，漏风强度小，认为是一维漏风，煤体内的温度近似认为均匀，则(1)式化为其中，式中，h为浮煤体厚度；Tm为煤体内最高温度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢震，武福生，李亚哲，屈世甲，何敏，王启峰，徐士敏，郝叶军，张兴华，朱晓洁，
申请(专利权)人：天地常州自动化股份有限公司，中煤科工集团常州研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32