本文是一篇工程硕士论文，本论文以防治巷道煤柱高温氧化为目标，开展了水分对长焰煤吸氧量的影响、煤柱相似材料小流量注水湿润特性试验以及煤柱小流量注水渗流特性数值模拟分析三个方面的研究。
1绪论
1.1研究背景及意义
近年来随着厚煤层高产高效技术的推广应用，由煤巷沿空侧松散煤柱引发的煤巷自然发火次数占矿井内因火灾总次数的比例逐年最高，部分煤矿中发生巷道煤柱自燃约占矿内自燃火灾40％～50%左右，如充州东滩矿、阳泉五矿、平庄元宝矿、淮南孔集矿、平煤十矿等[1-2]。
由于煤层巷道高温氧化区自燃发生在煤体深部，火源点难以确定，治理工作难度大。煤巷自燃具有一定的隐蔽性，不易及早发现且由于煤巷风量一般较大，因此煤巷自燃具有更大危险性，尤其在高瓦斯矿井中其危险性更大[1]。如果煤体内部的导热和漏风产生的对流换热作用不能把煤氧化放出的热量带走，造成热量积聚，那么煤体内部温度势必会不断上升最终导致火灾，甚至导致瓦斯爆炸[3]。
近几十年来，防治煤矿自燃发生火灾的技术快速发展，并已形成了较为全面稳定的煤炭自燃火灾防治体系建设，然而随着对煤炭资源需求的提高，煤矿开采强度也随之提高，之后煤矿高产高效新技术的迅猛发展，矿井和通风系统的相对复杂化以及危险区域的隐蔽性，使得巷道煤柱高温氧化引发煤矿自燃的火灾事故有了明显增大的趋势。如近年来，国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿、开滦集团东欢坨矿、中天和创门克庆煤矿等地先后出现了巷道煤柱氧化自燃[4-6]。
对于煤层巷道煤柱高温氧化，目前通常采用钻孔注水、注浆、注三相泡沫、注胶体材料、喷射混凝土等方式进行治理[5-13]。但井下注浆成本高、运输工作量大。大量注水在浪费水资源的同时容易引发水流溢到巷道中，恶化生产环境，影响工作面正常的生产。因此，煤层巷道煤柱高温自燃的治理已经成为煤矿生产安全一个重要方面。在巷道煤柱高温氧化治理中，应根据火灾具体特点，将各种措施结合起来进行综合治理，才能取得较好的防治效果。本论文将进行小流量注水应用于巷道煤柱自燃防治的尝试和研究，可以提升我国煤矿火灾防治的技术水平，对促进煤矿安全生产有着重要的意义。
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1.2研究现状
1.2.1国内外煤炭自燃火灾防治研究现状
（1）煤炭自燃火灾防治技术为防治煤炭自燃火灾的发生，多年来诸多学者进行了煤自燃理论方面的研究，并在此基础上结合开采过程，研发了多种煤炭自燃火灾防治技术。聂礼生等[14]通过分析判断采空区及围岩处疑似高温氧化区域，辨识遗煤氧化蓄热的发展程度，从而针对性地实施防灭火介质，最终使得高温氧化区域得以快速治理。王刚等[15]应用专用防灭火注浆装置对目标区域压注新型高分子凝胶材料，达到对目标区域防灭火的最终目的。徐明亮等[16-17]通过向采空区注液态CO2来进行防灭火工作。彭荣富等[18-19]研究了采空区注浆的防灭火效果。秦伟等[20-21]通过对工作面注氮技术的研究和改进，有效地抑制了矿井火灾。范贺飞等[22-24]对胶体泡沫防灭火技术进行了分析，并进行了现场试验研究。胡鑫印等[25]采用充填技术封堵了漏风裂隙、隔绝了氧气渗入通道，解决了煤矿遗煤自燃问题，保障了矿井通风系统稳定可靠和生产系统正常运行。梁运涛[26]提出了“超前采矿工程控氧化、超前综合预防控自燃、准确多元探测易治理”的自燃火灾超前协同防治理念。沈鑫[27]为了解决瓦斯与火共存条件下火区难治理问题，采取了采空区建立网状监测系统、综合抑爆与高效综合火区治理、降氧惰化使火区失爆、调压控风减少采空区漏风、喷注堵漏封堵漏风通道、向采空区注高固水吸能灭火胶体降低火区温度等综合措施。韦健[28]通过分析凝胶泡沫材料和水成膜泡沫材料的各种优点，最终研制出水成膜凝胶泡沫材料，以此来防治煤矿自燃火灾。马砺等[29]针对高地温对供氧、蓄热条件及其氧化放热特性的影响，提出了采用堵漏和注氮减少煤体氧化，阻化泡沫阻化煤体，压注液态二氧化碳和注胶抑制煤温升高结合的防火方法，并在现场取得显著效果。芮国相等[12]根据察哈素煤矿31303工作面辅助回风顺槽的自然发火隐患情况，加强了气体及温度变化监测，对辅助回风顺槽隔离煤柱采取了灭火、降温、惰化、封堵漏风通道等措施，消除了火灾隐患。邓军等[30]采用高温程序升温试验系统模拟了风化煤的高温氧化自燃过程，并确定出风化煤高温氧化的特征温度点。李品[31]为了确定采空区遗煤自燃的危险性和高温热源的位置，利用模拟和现场监测相结合的技术手段对采空区遗煤氧化升温情况进行预测预报。曹凯[32]对高温采空区进行覆盖隔氧、惰化降温的灭火治理。杜斌等[33]提出了一种综合方法，利用氡气水平、红外成像技术和钻井方法对煤田中的高温异常区域进行检测和验证。
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2煤层注水理论研究
2.1煤层特点
2.1.1煤层孔裂隙结构
煤是由有机残骸中各类化学成分转化而产生的。聚合、缩合后，有机残骸会形成水溶胶。受到温度升高和压力增大的影响，水溶胶会因受热而变质、受损，然后脱水形成凝胶。凝胶又经由持续脱水，形成胶粒之间的微小孔洞，这就是细微孔隙[88]。在煤体内部，大多数细微孔隙相互连接，但也有部分孔隙是封闭的。比如，经过实验证明，串草圪旦煤矿6号煤层煤的连通孔隙在总孔隙中占比约达到60%～80%，连通性能较好[89]，见表2-1。
工程硕士论文参考
在成煤过程中，各种煤岩组分的交界面就是煤层层理。因为形成层理的环境不同，导致其形态万千，主要就包括水平层理、波状层理和斜层理三大类。煤层中的层理、节理和孔隙组成煤的裂隙结构。煤的裂隙又分为内生裂隙、外生裂隙和次生裂隙。其中，内生裂隙是由于受到温度、压力和体积缩小等自身作用所产生的；外生裂隙是受到地质构造运动的剪切力等外在影响所产生的；次生裂隙则是人们进行开采而造成的。
煤体内流体分子的运移规律和煤层的力学特性都受到煤层孔隙结构的影响。因此，要想研究煤层注水的渗流规律，首先要研究煤的孔裂隙结构。
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2.2水在煤体中运动的动力
煤层是以较为发育的裂隙、孔隙为主的多孔性介质。在注水过程中，水在注水压力和煤层孔隙、裂隙的毛细作用力的共同推动下，克服煤层阻力进入煤体内部的。其中，外在动力是由注水压力提供的，内在动力是由孔裂隙对水的毛细作用力提供的。毛细作用力的大小取决于孔隙直径、水表面张力、水对煤的湿润边角。
煤层注水湿润过程是压力渗透、毛细和扩散三种运动共同作用的结果。在此过程中，水主要是以非饱和状态存在的。三种运动的作用虽然不同，但全部都有助于水渗透。在毛细和扩散作用下，细微孔隙中的水体现为横向运动，而煤体内水的运动和其湿润煤的过程，注水压力起着至关重要的作用[91]。
煤体内水的渗透是从沿相对偏大的连通孔隙流动开始的，然后在注水压力和毛细作用力的共同作用下，使处于封闭或压紧状态的孔裂隙不断扩展并互相连通，从而这些孔裂隙随着注水时间的延长从非饱和状态到饱和状态，最终还是会扩展煤体的湿润区域。在煤层注水过程中，煤体内孔隙水压迅速减小时，煤体的湿润效果也大幅下降。通常情况下，钻孔周围的煤体水分增值更高，此时被认为接近饱和状态；其他范围是不饱和状态，在该区域，随着与注水孔径向距离的增加，水分的增加值降低。
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3温度和水分对长焰煤吸氧量影响的实验研究.................................19
3.1实验设备与煤样制备..................................19
3.2实验过程.....................................20
4煤柱小流量注水湿润特性相似模拟试验研究............................27
4.1相似模拟试验理论概述..................................27
4.2试验模型制作......................................28
5煤柱小流量注水渗流特性数值模拟分析................................39
5.1物理模型..............................39
5.2定解条件...........................40
5煤柱小流量注水渗流特性数值模拟分析
5.1物理模型
一般情况下，巷道自燃高温区域中心点距离巷道煤壁0.5m～1.5 m，不超过8 m[100]。所以，从巷道煤柱注水的实际情况出发，根据注水湿润的几何对称性，建立长宽高为5m×5m×3m的理想化三维计算模型，见图5-1（a）。假设煤柱中不存在大裂隙，煤柱各向为同性介质，煤柱在注水过程中没有发生破碎且不存在变形。采用网格生成器，自动划分三角形网格单元，见图5-1（b）。注水孔为水平设置，单孔注水时采用中间的注水管进行注水，注水孔长2m，其中注水段长度1.5m，封孔长度0.5m，注水孔直径为50mm。因两侧注水小孔的建模较复杂，故而在模拟过程中将注水管设置为两侧等压式渗流。
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6结论与展望
6.1主要结论
本论文以防治巷道煤柱高温氧化为目标，开展了水分对长焰煤吸氧量的影响、煤柱相似材料小流量注水湿润特性试验以及煤柱小流量注水渗流特性数值模拟分析三个方面的研究，主要取得了以下研究结论：
（1）不同内在水分长焰煤的物理吸氧量随着温度的升高而逐步减小。同时，当内在水分增大时，长焰煤物理吸氧量的减缓程度逐渐减小。当内在水分达到3.705%左右时，长焰煤的物理吸氧量达到最低；总水分含量达到19%左右时，长焰煤的总吸氧量达到最低。
（2）对于不同的注水压力而言，注水压力越大，煤柱内部平均水分越高，而注水压力越小，煤柱内部平均水分越低。从整体上看，注水孔附近的煤柱水分较高，并且随着与模型前端纵向距离或与注水孔竖向距离的增加，煤柱水分逐步减小。在水平或竖直方向上，单孔注水时，煤柱水分分布近似抛物线状；三孔注水时，煤柱水分分布以横向距离0cm为对称轴近似呈对称式分布。
（3）注水孔附近流速较大，单孔注水时水平流速由注水孔向四周扩散，流速越来越小，水平水流速度大于竖向流动速度，注水孔终孔处水流速度最大。三孔注水时，随着与中心注水孔横向距离的增加，水平流速先减小后增加，竖向流速逐渐减小。在注水孔附近，水平孔隙水压以注水孔为中心不断向外递减，注水孔周围的水平压力分布近似成椭圆状向四周扩展；竖向孔隙水压随着与模型前端纵向距离的增加而逐渐减小，随着与注水孔竖向距离的增加而先减小后增大，且与注水孔的横向距离越近，与模型前端的距离越小，孔隙水压越大。随着注水压力的增大，最大流速和平均流速均增大，孔隙水压也增大。
参考文献（略