综采工作面上隅角CO积聚特性分析

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近年来陕北矿区各煤层在实际开采过程中,经常不同程度地出现工作面上隅角CO等灾害气体积聚超限问题,成为制约矿并安全高效开采的重大危险源。本文以冯家塔煤矿1406综采工作而上隅角CO为主要研究对象,通过现场实测调研、理论研究和数值解算相结合的手段,找寻上隅角CO积聚来源,研究工作面上隅角CO气体积聚规律,探究上隅角滞后区域CO气体积聚过程中能量耗散的实质,并寻求有效治理方法。通过现场检测和调研对冯家塔1406工作面上隅州CO来源进行分析,得出工作而附近隔离煤柱裂隙氧化及采空区浮煤氧化是上隅CO积聚的主要来源。并针对隔离煤柱裂隙氧化及采空区遗煤自燃这两大上隅角CO来源,选取采空区温度、日推进速度、回风巷风量、漏风量和周期来压5个主要影响因素为观测因子,应用灰色关联理论建立了上隅角CO积聚及其影响因素的灰色关联模型,得出各影响因素对上隅角CO浓度的关联度排序为:漏风量>回风巷风量>周期来压步距>日推进度>采空区温度。通过实施工作而上隅角CO气体浓度和大气静压差观测方案得出,上隅角CO浓度总体呈现从上隅角向主风流区域逐渐降低的扇形变化趋势。基于热力学熵和信息熵实质统一的关系,对上隅角通风系统实施熵值计算及熵流演化判别,研究结果表明:CO浓度和CO浓度信息熵变化趋势基本吻合,表明信息熵能够表征上隅角CO气体积聚特性,涡流损失、气体涌出等不可逆过程所引起的正熵性质的扰动和能流是上隅角局部系统CO气体积聚的实质:沿工作面流动的空气流作用在上隅角区域的压力和动能,是实现系统趋向于有序度增强,总熵减小的负熵性质的能流,是实现系统从无序向有序变化的熵流减少过程。基于工作面上覆岩层垮落特性分析,建立工作面采空区漏风流场数值模拟的物理模型,并结合1406工作面局部通风系统特点,对工作面采空区漏风流场进行数值模拟解算,研究采空区漏风流场对工作面采空区CO浓度影响得出:在底板到大约工作面宽度的高度范围内,CO浓度总体呈现接近顶底板处浓度高,中部底的“U”型变化趋势。对上隅角局部区域漏风流场进行分析,研究采场空间形态对气体流动和积聚规律的影响,得出上隅角滞后区域空间形态引起的涡流损失等不可逆过程是导致气体积聚的重要原因,提出并设计矿用柔性充气式气囊来改变局部通风方式,并通过数值模拟方式验证矿用充气式气囊泄气引流的方式可以显著地消除滞后区域内涡流现象。
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