安全技术与工程专业高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃预测研究学士学位论文.doc

论文题目：高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃预测研究
专 业：安全技术及工程
硕 士 生：陈明河 （签名）
指导教师：徐精彩
张辛亥 （签名）
摘 要
我们国家煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界首位，但我国煤炭自燃火灾十分严重，严重制约了矿井的安全生产与发展，造成巨大的资源浪费、环境污染、人员和财产的损失。高瓦斯厚煤层综放开采情况下，煤层自燃更加严重，危害也更大。受抽放影响，采空区漏风更加复杂，自燃预测和防治困难。
首先，利用大型煤自然发火实验台对煤的自燃特性进行了实验研究，测定了煤自燃在不同温度下的耗氧速度，CO和CO2的产生率，氧化放热强度以及自燃极限参数等，为自燃预测预报奠定了基础；其次，对高瓦斯煤层综放工作面进行了现场观测，得到了抽放条件下采空区上、下巷的氧气、甲烷浓度及压力分布规律，分析得到采空区渗透系数随深度变化方程，通过现场实验得到采空区冒落带的高度分布规律，据此建立了高瓦斯煤层抽放条件下采空区渗流场和浓度场的三维模型；然后，利用流体计算软件FLUENT对高瓦斯自燃煤层抽放条件下的综放采空区进行网格划分并对采空区渗流场和浓度场模型进行求解，得到高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况及各组分气体浓度分布，数值模拟结果与现场实际基本吻合；最后，根据模拟结果，结合采空区三带划分理论，对高瓦斯煤层抽放条件下采空区自燃危险区进行判定，对自燃危险期进行预测，并计算出防止采空区自燃的工作面最小推进度。研究结果对高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃防治具有重要意义。

关 键 词：高瓦斯煤层；抽放；采空区；自然发火；预测；模拟
论文类型：应用研究Subject : Research on Prediction of Self-ignition in Goaf of Fully
Mechanized Top-Coal Face in High-Gas Coal Seams under the Condition of Gas Extraction
Specialty : Safety Engineering
Name : Chen Minghe (Signature)
Instructor: Xu Jingcai
Zhang Xinhai (Signature)
ABSTRACT
Coal resource is very abundant and output and consumption of coal in China ranked No one out of all countries in the world. Nevertheless, Coal self-ignition fire is very serious, which threatened safety production and caused enormous resource waste, environment pollution, loses of personnel. Self-ignition becomes more serious and harmful in high-gas and thick coal seams, especially in fully mechanized top-coal face, where air leakage is more complex and makes prediction and prevention of self-fire in the goaf more difficult.
Firstly, the large experiment device of coal self-ignition is used to study the character, evaluate oxygen consuming rate, calculate CO and CO2 generating rate and heat releasing intensity of coal self-ignition. Critic parameters for spontaneous combustistion of oxgen concentration, loose coal thickness and air leakage intensity can also be studied through the experiment;Secondly, on-the-spot observation in the goaf of fully mechanized top-coal face in high-gas coal seam during the course of gas extraction are carried out, distribution of oxygen concentration, methane concentration and pressure in the goaf near the two laneways, and of pemeability in different places in the goaf are obtained. Distribution laws of collapsed height in the goaf are also obtained by on-the-spot observation. A three-dimension model of the flow, osmosis and concentration in the goaf of the high gas coal seam during the course of extracting gas are set up; Thirdly, the numeric model of air leakage and consistency in goaf of fully mechanized top-coal face in high-gas coal seams on condition of extracting gas is solved by using CFD software FLUENT. Distribution regulations of air leakage intensity and species concentration in goaf of fully mechanized top-coal face in high-gas coal seams on condition of gas extraction are obtained which are identical on the whole to what from on-the-spot observation; Finally, the results of numeric modeling together with “three zone” theory are used to divide in goaf, the danger zone of coal self-ignition on condition of extracting gas, to predict the danger time of coal self-ignition and to calculate minimum velocity of mining to prevent coal from self-ignition in goaf are calculated. The result of the study is important for preventing coal self-ignition in goaf of fully mechanized top-coal face in high-gas coal seams during the course of extracting gas.

Key words : High Gas Coal Seams, Extracting Gas, Goaf, Self-ignite, Forecast, Model
Thesis : Application Research

目 录
目 录
1 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1煤的自燃危险性预测的研究进展 2
1.2.2 煤自燃危险区域判定理论 4
1.2.3 煤层自然发火期预测 5
1.2.4 煤自然发火数学模型及数值模拟 6
1.2.5 存在问题 7
1.3 本文研究内容 7
1.4 研究方法及技术路线 8
2 煤层自燃特性参数实验测试 9
2.1 实验原理 9
2.2 实验台结构 9
2.3 实验条件 12
2.4 实验结果及分析 12
2.4.1实验结果 12
2.4.2结果分析 13
2.5 实验结论 21
2.6 本章小结 21
3 高瓦斯煤层抽放条件下现场观测及自然发火预测模型 23
3.1 高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区现场观测 23
3.1.1 高瓦斯煤层抽放条件下工作面现场观测结果分析 23
3.1.2 高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区冒落带特点 26
3.1.3煤层采空区相关假设 29
3.1.4 巷道两侧氧气和瓦斯浓度的数据拟合 30
3.2松散煤体内的传质和采空区渗流参数 30
3.2.1松散煤体内的传质 31
3.2.2空隙率及渗透系数 36
3.2.3采空区两道及工作面压力分布 38
3.3采空区内传值及渗流和扩散数学模型 39
3.3.1采空区渗流控制方程 39
3.3.2采空区氧浓度场和瓦斯浓度场数学模型 40
3.4 采空区自然发火预测模型 40
3.5 本章小结 42
4 高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况数值模拟 43
4.1 高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区三维物理模型建模 43
4.2 FLUENT软件特征及使用 44
4.2.1 FLUENT软件构成 45
4.2.2 FLUENT软件能力及适用对象 46
4.2.3 FLUENT使用的单位制 47
4.2.4 FLUENT使用的文件类型 47
4.2.5 FLUENT求解 48
4.2.6 求解器的选择 49
4.3 计算区域网格划分 50
4.4模拟结果分析及三带划分 50
4.4.1 高瓦斯煤层抽放条件下自然发火数值模拟结果分析 50
4.4.2 采空区浮煤自燃极限参数 56
4.4.3 采空区遗煤自燃危险区域判定条件 58
4.4.4 采空区自燃危险区域划分方法和步骤 59
4.4.5 抽放条件下采空区自燃“三带”划分 60
4.4.6结果分析 62
4.5本章小结 62
5 结论 63
5.1 主要结论 63
5.2 今后工作展望 64
致 谢 65
参考文献 66
附 录 69

I
1 绪论
1 绪论
1.1 问题的提出
煤自燃是自然界存在的一种客观现象，这种现象已经存在了数百万年。在煤层开采的过程中，我国大约有二分之一的国有矿井存在自然发火危险，每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元[1]。矿井自燃火灾产生大量有毒有害气体，还可能引发矿井瓦斯爆炸，给矿工生命以及生产设备的安全造成严重威胁。煤层自燃导致大量煤炭资源的浪费，引起严重的环境污染问题，并造成巨大的经济损失和人员伤亡，尤其是近年来，随着高产高效新技术的不断发展，矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，通风系统相对复杂化，使得煤层自燃火灾更是成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一。而对于高瓦斯煤层抽放条件下的综放开采，随着开采深度的增加，原岩应力升高，开采引起支承压力影响区范围增大，煤层受采动的影响日趋严重，采区内部巷道维护困难，变形破坏现象突出，严重影响矿井的正常安全生产[2]。
目前世界上主要针对地面煤堆进行煤自燃性实验、预测技术等方面研究，为地面煤堆自燃的防治提供理论和技术支持；而对井下动态开采条件下煤层自燃过程的研究较少，对井下实际条件下煤层自燃的发展过程、影响因素、发火时间和发火地点等的定量描述、测定和预测问题一直没有得到很好地解决，尤其是对井下高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区煤自然发火预测更少。井下煤层与地面煤堆自燃的显著区别是地面煤堆的自燃条件可人为改变，而井下煤层自燃条件不可控，造成井下煤层自燃火灾难于预测。
高瓦斯煤层抽放条件下的开采，给煤自然发火预测带来了一系列新的问题，主要表现在：
（1）综采放顶煤的开采情况下，煤层的岩体力学性质对岩体破裂带和冒落带高度产生很大的影响。一般来说，强度小的岩体易于垮落和破碎，而混合岩体，其强度相对较小，更容易垮落和破碎。对于高瓦斯煤层抽放条件下综放煤层而言，煤层因采动冒落影响容易串通漏风，漏风规律相对较为紊乱，煤体又相对破碎，自燃危险性增强。
（2）综采放顶煤的开采情况下，由于煤层开采时受采动影响比较大。在煤层开采过程中，老顶初次来压、垮落后，发生周期性来压、垮落，引起顶部岩层产生冒落带、裂隙带和整体移动带[3]，称后两者为破裂带。煤层顶部岩体垮落产生大量裂隙，使得冒落带和裂隙带中的裂隙成为空气渗流的主要通道与抽放孔串通，形成给煤层供氧充分，更容易引起煤层自燃。
（3）综采放顶煤的开采情况下，煤层采过后，受采动影响，矿压显现明显，顶部岩层垮落，巷道两边的保护煤柱被压酥破坏，产生大量裂隙，漏风严重，可引起保护煤柱自燃。而且综放开采的两道及切眼不放顶煤，浮煤较厚，也易引起自燃。
（4）煤层开采的采空区可以认为是一个有机物和无机物混杂而成的煤岩体，具有多孔性。煤层工作面采过后，顶板岩层相继垮落，煤层煤柱被压酥垮落，高瓦斯煤层抽放条件下的综放煤层的采空区则是一个松散体，其空气渗流场、氧气浓度分布场、温度场和煤的物理化学过程相互影响，呈非稳态变化，从而使得高瓦斯煤层抽放条件下综放煤层的采空区自然发火过程十分复杂。
因此，对井下高瓦斯煤层抽放条件下的综放煤层开采的实际条件下，采空区煤自然发火预测模型进行研究，具有重要工程应用价值。
1.2 国内外研究现状
对于煤自燃的影响因素及其自燃危险性预测、煤自燃危险区域判定、煤自然发火期预测、煤自然发火数学模型及数值模拟，国内外学者进行了大量的研究和探索。
1.2.1煤的自燃危险性预测的研究进展
（1）自燃倾向性实验测试法
自燃倾向性实验测试法主要是根据测试煤的自燃倾向性，划分煤层自然发火等级，以此区分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。
国内外对煤自燃倾向性的测试方法分为两类。一类是以煤的氧化性为基础的测试方法，主要有：奥尔宾斯基法(CW，Olpinski)(波)、奥尔莲斯卡娅(Г.Л.Орлеанская)-维谢洛夫斯基(В.С.Веселовский)着火温度降低值法 (苏)、马切雅什法(Z.Maciejas)(即双氧水法)(波)等[4]、静态吸氧法和动态吸氧法（如我国抚顺煤科分院研制开发的双气路色谱动态吸氧化法[5，6]）。
这类煤自燃倾向性测试方法均采用几克煤样进行实验，与煤自燃的实际条件相差甚远，且仅考察煤与氧的作用速度和作用量，而没有考察其作用的效果（如热效应），及其随煤温变化的动态趋势，因而不能全面地反映出煤的内在自燃性。
另一类煤自燃性测试方法以煤的放热性为基础，先后建立了更接近煤自燃实际条件的小型、中型和大型煤自燃性实验测试装置。
① 小型（100~200g煤样）实验装置
1979年有人首次采用绝热自热法测定煤的自热速率指数R70（40~70℃间的平均升温速率，℃/h）测试煤的自燃倾向性；利用绝热炉测定煤炭最小自热温度，评估煤炭自燃倾向性；用静态恒温法测定煤的临界环境温度和交叉点温度并根据Frank-Kamenetskii理论[7]，测算煤的活化能E和指前因子A，用可燃性法测定煤的耗氧速率和放热率；用动态法研究煤体在动态通入干空气的条件下的自燃特性；用非恒温动态法测试煤的自燃临界温度和CO产生率，预测煤的自燃倾向性；用由计算机自动控制的绝热量热法预测煤的自燃倾向性；用恒温DTA(Differentia Thermal Analysis)和程序升温DRIFTS(Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy)测定煤的自燃特性；英国IMCO和ISO目前广泛采用将煤放入边长10cm的方形网状容器中，并在煤体中心布置热电偶，然后悬挂于通有循环空气的140℃的恒温箱中，24h后考察煤体是否自燃，以此确定煤体的自燃倾向性[8]。但这些小规模实验方法，煤的起始温度都在60~70 ℃以上，且主要是采用少量煤样，一般在绝热或等温条件下实验，与实际煤自燃条件相差太远，测试结果主要用于划分煤的自燃等级。
② 中型（40~1000kg煤样）和大型(>1t煤样) 实验装置
1980年Stott,J.B [9]在美国矿业局建立了长5m，直径0.6m的垂直实验台；1991年在Stott,J.B的指导下X.D.Cheng[10，11]等在新西兰设计建造了长2m、直径0.3m、装煤量110kg的一维自燃实验装置；1995年Areif A.等[12]根据X.D.Cheng的实验装置，在澳大利亚昆士兰大学建立了长2m、直径0.2m，装煤量60kg的煤自燃实验台。1991年Smith A.C.，Miron Y.和Lazzara [13，14]在美国矿业局建立了装煤量近13t的实验台； 1998年Cliff D.,R.Bennet 和A.Galvin [15]在澳大利亚昆士兰采矿安全测试与研究中心(SIMTARS)建立了装煤量16t实验台； 1988年~1996年徐精彩、邓军等[16，17]模拟现场实际条件，相继设计和建造了装煤量1.0t和0.5t的大型煤自然发火实验台；湘潭工学院的李仁发等人（2001）[18]构造了可以装90㎏碎煤的实验装置，此装置装煤量少，人为调节温度、湿度变化，不能很好地模拟现场的实际条件；淮南工业学院的张国枢等人（1999）[19]也设计研制了实验室内模拟煤炭自燃的试验装置及其参数测定系统，模拟和研究煤炭在常温条件下自燃的发生、发展过程及其影响因素，研究自燃火源形成及其分布规律等，测试煤的自燃性。
中型和大型实验装置，基本能模拟煤自燃实际条件，但实验条件单一，不能完全适应煤矿井下复杂多变的条件，实验工作量大，周期长，影响和干扰因素多。
（2）综合评判预测法
陈立文（1992）[20]、许波云（1990）[21]和郭嗣琮（1995）[22]等根据影响煤层自燃危险程度的内、外因素，进行主观判断，分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类分析，根据标准模式，计算聚类中心，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。原苏联和波兰等国把实验室测定法与井下自然条件结合起来预测井下自然发火危险程度。尤其是波兰已取得进展，它把复杂的外界因素归纳为地质条件、开采条件、通风条件等七个方面因素Si，再和煤自燃倾向性指标SZb(带灰份指标)相加，即得矿井自然发火危险程度指标：
（1.1）
匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量、工作面参数以及煤的活化性能等指标的关系，分析并确定出回归函数，然后计算出实际条件下总的火灾频率，来预测煤层自然发火危险程度。近年来，王省身、蒋军成（1997）[23]、王德明、王俊（1999）[24]、赵向军、李文平（1998，1999）[25，26]等人采用神经网络的方法预测煤层自燃危险程度，虽然他们采用的神经网络结构各不相同，但均是采用影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素,即煤炭自身的自燃倾向性,开采煤层的地质赋存条件和开拓开采及通风技术条件,作为预测指标，再对预测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程度。施式亮、刘宝琛等（1999）[27]用防火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时间序列煤自然发火预测模型，来判断自然发火程度。田水承、李红霞（1998）[28]应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的固性系数及开采参数运用模糊聚类方法对自然发火危险性进行了分类。这些方法都是利用大量的统计资料，分析煤自燃主要因素的影响程度，粗略预测煤层自然发火危险程度，而对发火期以及可能发火的区域则无法进行预测，所以该方法只能定性不能定量。
（3）统计类比预测法
统计类比预测法[29]是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上，分析预测实际开采条件下煤层的自燃危险性。根据开采煤层自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发生在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近，采空区自燃火灾多发生在两道和两线。随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长，相邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情况和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。
1.2.2 煤自燃危险区域判定理论
虽然煤自燃危险性的预测方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但只能定性预测煤自然发火的危险程度，而无法定量确定可能发火的区域。
为了在潜在危险地区进一步确定出可能的发火区域，乌克兰的全苏矿山救护研究所在1991年确定出了临界厚度计算方法[30]：
（1.2）
式中，为煤自燃的临界温度，K；为围岩温度，K；为在空气干燥的状态下煤的湿度，%；为原煤样氧吸附速度常数，；为煤的平均密度，。
Sujanti, Wiwik Zhang等（1999） [31]采用静态恒温法，实验测出煤体在多种类型的网状反应器中的临界环境温度Ta,c，根据F—K模型推算出煤体的活化能E和指前因子A，从而得到地面煤堆自燃的临界厚度，如式（1.3），当煤炭堆集的实际厚度大于或等于临界厚度时，煤炭就有可能发生自燃。
（1.3）
式中，k为煤体导热系数；Q为氧化热；Ta为环境温度，Ta,c为临界环境温度；为F-K无量纲参数；R为气体常数；为煤的块密度。
英国诺丁汉大学Ren T.X.等[32]开发了与井下数据监测系统相连的实时数据获取和控制系统,称为煤矿火灾实时智能专家监测系统,由智能专家系统监督和监视数据获取并对数据进行处理,专家系统能根据获取的数据更全面的进行危险性预测,并可对特定区域的危险性进行评价,有效的指导现场的防灭火工作。
对煤层自燃区域的判定问题，国内学者也做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯轩[33]、章楚涛[34]等通过研究采空区空气流动规律和火灾气体浓度（主要是CO）分布规律，根据Fick定律和质量守恒定律，建立了采空区火源点位置判断数学模型。根据模型，对实际火源位置用计算机进行模拟，能达到与实际较接近的结果。徐精彩，邓军等[35]根据采空区漏风规律及蓄散热条件，推导出现场实际条件下采空区遗煤自燃的定量判定指标(下限氧浓度、最小浮煤厚度、极限漏风强度等和上限当量粒径等)，并提出了采空区自燃危险区域判定条件和判定方法。
近几年，根据火区产生的能量或放射性气体异常[36]，对煤层自燃危险区域进行判定的方法也得到了快速发展，如测氡判定法、红外探测技术[37]等。这些方法对已形成高温或大火的区域进行大范围的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要求。且由于受各种其它地质因素的干扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的自燃危险区域无法判定。另外，利用红外遥感[38]和地质雷达[39]探测煤田和井下煤体自燃区域的方法也正在发展之中。
1.2.3 煤层自然发火期预测
综合衡量煤体自燃性大小的指标主要有：煤最小自热温度、临界环境温度[4，5]、交叉点温度[4，5，40]、煤自热率指数R70[40,41]、Olpinski指数[40，42]和自然发火期，其中前5个参数，国内外研究较多，主要针对地面煤堆，基本上形成了公认的实验测试方法和标准实验条件，但由于地面煤堆的储存条件可人为改变，影响发火期的因素不确定，即发火期不能用于衡量地面煤堆自燃性的大小；而在井下煤层动态开采过程中，煤层自燃的储热环境条件一般不变，只有漏风条件可人为控制，因此，煤自然发火期成为衡量井下煤层自燃性大小的最直接、现场应用最广泛的重要参数之一。
自然发火期预测最早采用现场统计法，其结果与实际的误差在1～3个月，不能有效地指导现场的工作[43]；近20年，世界各主要产煤国主要朝着准确预测实际条件下松散煤体自然发火期的方向努力，先后建立了模拟煤层自燃过程的大型自然发火实验台，并根据实验台实验模拟结果，测试和预测实际开采条件下煤的自燃发火期，有效地指导了煤层自燃火灾的防治。但由于大型实验条件单一、用煤量多，实验时间长，工作量大，不能满足井下复杂的实际条件下自燃火灾防治需要，因此，许多学者通过建立数学模型的方法对自然发火期进行预测。
宋志等人[44]以采场自然发火为充要条件，依据时空一致的观点，分析自然发火因素空间，提出用人工神经网络来预测煤自然发火期，自燃地点和自燃时期的模型，把采场自燃预测模式识别问题看成是N个影响采场自燃因素所形成的N维空间到M维空间的映射。模型有159个输入，11个输出。文献只提供了预测模型，但并未对具体采场自然发火作预测，由于神经网络预测首先需要大量学习样本对网络进行训练，加之网络有159个输入，因此，需对大量采场自燃进行调研，才可以应用此模型进行自然发火预测，工作量非常大，故文献[40]中的模型还只是理论模型阶段并未应用于现场实际。
中国科技大学的余明高、王清安、范维澄、廖光煊等人（2001）[45]，煤科总院重庆分院的黄之聪和岳超平等人（2001）[46]根据煤氧化放热、升温吸热平衡关系，在原苏联学者и.в.卡连金（1984）提出的计算煤层最短发火期模型的基础上进一步修正和完善，在绝热条件下，建立了煤氧化反应放热、吸氧放热和煤体升温、水分、瓦斯解吸吸热平衡的最短自然发火期解算模型[46]（式1.4）及相应的实验方法。模型将煤从常温到着火点温度这一过程，分成不同的温度段，各温度段所需时间总和即为煤的最短自然发火期。
（1.4）
式中，为计算时所取温度段的段数，为煤温从升到所需的时间。
此模型可以反映煤自然发火的可能性，比自燃倾向鉴定结果更准确、直观。但他们经过对近20个局（矿）自然发火情况及其影响因素的调查分析，发现同一个局（矿）最长与最短自然发火期相差达1.9～10倍[46]。一个矿同一层煤的自然发火期变化如此大，与自然发火的影响因素及所采取的防灭火措施的有效程度有关，在总结采区地质、采掘、通风等外部影响因素的基础上，不考虑采取的防灭火措施的影响，确定了煤自然发火期修正系数，并结合实验数据对煤的实际自然发火期进行了预测，预测准确率达到75%～86%，对现场安全生产具有一定指导作用。
1.2.4 煤自然发火数学模型及数值模拟
自Semonov(1928)基于热爆炸理论首次建立煤自燃理论模型（1938年，在简化条件下Frank-Kamenetskii得到了理论解）[7]以来，美国、日本、澳大利亚、新西兰、英国、法国和中国等国学者针对地下煤层或地面煤堆的自燃条件，根据传热、传质学建立了多种煤自然发火数学模型，数值模拟煤的自然发火过程，研究煤的自燃规律及影响因素。其中典型的有：（1）煤堆自燃二维非稳态模型，该模型主要考虑了煤堆高度、倾角、煤的粒度及湿度等参数对自燃过程的影响；（2）倾角模型（Dip Angle Model），该模型应用半无限大线性热流方程预测煤田自燃火灾的深度和温度分布；（3）辐射热流模型（The Radial Heat Flow Model），该模型只用于确定煤层火区位置；（4）地下自燃火灾气体温度场模型,该模型依据多孔介质自然对流理论，而建立的二维模型，研究认为浅部自燃是由于地表空气对流，而深部主要是煤挥发份燃烧而增强气体对流；（5）根据多孔介质有源有汇的质量、动量和能量平衡原理，建立模拟采空区隐蔽自燃火灾发生过程的二维数学模型。
但上述这些数学模型都是在均质、各向同性等一定简化条件下而建立的，主要研究煤自燃规律及影响因素，模型中的反应速度和放热强度均采用Elovich 或Arrhenius理论公式进行计算[47]，并假定的表面反应热为常数，而煤的实际反应速度随煤的粒度、空气流速、氧气浓度和温度等参数动态变化，且表面放热也与温度有关。因此，不能用于预测实际条件下煤的自然发火期。
1.2.5 存在问题
综上所述，世界各国的学者对煤自燃主要影响因素、自燃危险性判定、发火期预测、实验和数值等方面进行了大量的研究，得到的研究成果对煤炭自燃火灾的预测和防治起到很大作用，但是对于高瓦斯煤层抽放条件下自然发火预测方面，相关的研究基本上处于空白，主要表现在以下几个方面：
（1）高瓦斯煤层抽放条件下的开采，采空区垮落后，形成大片松散体，而对采空区松散体中空气渗流及漏风状况的研究甚少。
（2）高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型，由于高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区的复杂性，有关参数（如放热强度、耗氧速度、漏风强度、煤的破碎程度和其它等效物性参数等）大多采用经验公式定性确定，存在着一定的误差。
（3）利用数值模拟软件（比如FLUENT等）模拟高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火规律的文献也甚少。
（4）把确定采空区冒落带的高度和最佳瓦斯抽放口的位置，最佳抽放效果和煤自燃防治联合起来放到一块研究甚少。
1.3 本文研究内容
（1）利用装煤量为2.0吨的煤自然发火实验台（XK-III型），实验模拟煤自燃的全过程，跟踪测定煤自然发火全过程中相关参数及其变化规律，对煤层自然发火早期特性参数进行研究。
（2）进行高瓦斯煤层抽放条件下工作面现场观测，并对采空区冒落带高度进行测定，用相关数据，进行数据拟合，得到相应的数据拟合曲线方程，建立高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型。
（3）利用CFD计算软件FLUENT数值模拟高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况规律，并用来指导高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自燃火灾的防治。
1.4 研究方法及技术路线
论文主要思路是在目前的煤炭自然发火机理、自然发火预测及数值模拟的基础上，通过实验测定煤层自然发火相关特性参数，根据高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区的特点，进行现场观测，取得相关数据进行数据拟合，得到相应的曲线方程，建立高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型，利用数值模拟软件模拟高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况，进而对煤层采空区自燃危险区域进行判定。确定本论文采用的技术路线如图1.1所示。

图1.1 本文采取的技术路线

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2 煤层自燃特性参数实验测试
2 煤层自燃特性参数实验测试
利用煤自然发火实验台（XK-III型）对煤层自燃特性参数进行测试，测出煤的特征温度、耗氧速度、CO产生率和CO2产生率等参数，确定煤自燃氧化特性、放热强度和煤最短自然发火期，为准确预测实际条件下松散煤体自燃危险区域奠定基础。同时，分析煤层自燃指标气体的产生规律，是自燃早期预报和预防的基础。
采集煤矿煤样（约2.5t），对煤自然发火过程进行实验模拟，为高瓦斯煤层抽放条件下开采实际条件下煤层自然发火提供实验基础。同时，通过煤自然特性参数的实验测定，为高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区自然发火预测模型的建立提供了基础数据，并对后面的高瓦斯煤层抽放条件下综放采空区漏风状况的数值模拟具有重要的参考意义和指导意义。
2.1 实验原理
煤自然发火是由于煤与氧接触时发生煤氧复合，即物理吸附、化学吸附和化学反应而放出热量，当放出热量大于散发的热量时，煤温上升而导致发火。煤低温自然发火实验就是该过程的模拟,即在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察其煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量以及其它气体产生的变化规律。
该装置模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度，以井下温度(15～30℃)作为实验起始温度，利用煤氧化放热引起自然升温，连续检测实验炉内各点煤样的温度、气体变化情况，以研究煤的低温氧化放热特性，预测煤的自燃倾向性及自然发火期。
2.2 实验台结构
“XK-III型”煤低温自然发火实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成，如图2.1所示，其实验原理如图2.2所示。

图2.1 煤自燃发火实验炉体图

图2.2 煤低温自然发火实验原理图
炉体呈圆形，最大装煤高度195cm，内直径120cm，总装煤量约1950kg；顶、底部分别留有10～20cm自由空间，以保证进、出气均匀，顶盖上留有排气口；炉壁由绝热层和可控温夹水层组成，该水层中装电热管及进气预热紫铜管，在炉中心轴处同时设有取气管。炉内布置了若干热敏电阻探头，各测点布置如表2.1和表2.2。
气体由WM-6型无油空气压缩机提供，通过三通流量控制阀、浮子流量计进入湿度控制箱，使风流湿度与箱内水层的湿度相同，同时气流中含有与湿度调节箱温度相同的水蒸气，湿度调节箱出口的风流流经水层中紫铜管预热，使风流温度与煤体环境温度相同，这样，进入煤体的风流湿度及温度均能得以控制。之后气流由炉体底部通过碎煤，从顶盖出口排出。在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。实验炉内温度巡检、环境温度控制和湿度控制均由工业控制机自动完成。供风系统流程如图2.3。

图2.3 供风系统流程框图

表2.1 南北方向测点分布
Y/X
60 cm
40 cm
20 cm
中心
20 cm
30 cm
60 cm
185 cm
South（185）
South（185）
South（185）
Center（185）
North（185）
North（185）
North（185）
165 cm
South（165）
South（165）
South（165）
Center（165）
North（165）
North（165）
North（165）
145 cm
South（145）
South（145）
South（145）
Center（145）
North（145）
North（145）
North（145）
125 cm

South（125）
South（125）
Center（125）
North（125）
North（125）

105 cm
South（105）
South（105）
South（105）
Center（105）
North（105）
North（105）

85 cm

South（85）
South（85）
Center（85）
North（85）
North（85）

65 cm

South（65）
South（65）
Center（65）
North（65）
North（65）

45 cm

South（45）
South（45）
Center（45）
North（45）
North（45）

25 cm
South（25）
South（25）
South（25）
Cen