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1、采空区气体分析组成及运移规律讨论1前言从流体力学和化学反响动力学动身，把数值模拟和试验讨论有机的结合在一 起，对采空区内瓦斯爆炸特性及影响因素进行讨论。主要有以下几个方面研讨：采空区多组分气体产生及聚积规律依据采空区气体运移规律，分析采 空区有源有汇的气体运移及在不同温度下的释放规律。(2)采空区多组分气体爆炸特征及主要影响因素搞清采空区C&、与多种可 燃性气体共存条件下的多元瓦斯爆炸特征及其主要影响因素。运用FEMLAB软件对采空区多组分气体的爆炸进行模拟。瓦斯爆炸是以CH4爆炸为主，多组分气体是指以CH4为主要成分的各种可燃 性气体总和，除有CFU外还包括CO, C02, H2和N2等气体
2、。但由于时间有限， 本文中仅考虑了 C电气体对瓦斯爆炸的影响，所以文中所指的多组分气体主要就 是CH4气体。2采空区多组分气体产生及聚积规律2.1采空区多组分气体的来源采空区多组分气体主要有三个来源：采空区煤层吸附瓦斯；(2)煤氧化过程中产生的可燃性气体；煤高温热解所产生的气体。采空区瓦斯主要来源于以下几局部，即围岩瓦斯涌出、没有开采煤层瓦斯涌 出、回采煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，如工作面四周有已采的老空区存在，也 会向现采空区涌出瓦斯。这几局部瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落而卸 压，按各自的规律涌入采空区，混合在一起。而采空区遗留煤消失高温或发生自 燃火灾，那么附存在围岩、煤体内的瓦斯
3、会加快释放速度。煤氧气复合过程中，发生物理吸附、化学吸附和各级氧化反响。在此过程中, 会产生CO, C02, C2H4, c2H6, C3H4等可燃性气体。煤在不同温度下热解产物气态煌中以甲烷为主要成分，在400 至500 温度范围内随热解温度的提升，甲烷的体积分数渐渐增大，当热解终温到达550。（：时略有下降。当温度在500。（：-700。（2时,煤中挥发分大量析出，如CnH2n,C。和CO2等。 煤在280以上干t留气体浓度可达5%以上，已经到达爆炸浓度极限。2. 1. 1煤层吸附瓦斯来源综放面的瓦斯来源与煤层赋存和开采条件有关系。与其它采煤方法的工作面 相同，综放面的瓦斯来源概括来说，仍
4、是由开采层、邻近层（包括围岩）瓦斯两部 分组成。综放面开采层瓦斯一般由四局部组成：采落煤炭瓦斯涌出放落煤炭瓦斯涌出工作面煤壁（包括支架上部煤壁）瓦斯涌出（4）采空区遗煤涌出和采空区煤壁涌出如在特厚煤层中，综放面一次开采高度小于层厚，那么应考虑未采放局部煤体 的瓦斯涌出，有上、下邻近层的厚煤层开采时，还应考虑邻近层（包括围岩）的瓦 斯涌出。众所周知，采空区内空气的压力一般在1个大气压左右，而邻近层煤层假设未 进行抽放或未受采动影响，其原始瓦斯压力可能高达十几个大气压甚至几十或近 百个大气压，一旦与采空区有裂隙连通，那么向采空区的瓦斯涌出是势不行挡的， 使采空区的上部空间内布满高浓度瓦斯，成为“瓦
5、斯仓库”一旦周期来压，势必 造成采空区内的瓦斯大量涌入回采工作面。地面大气压的变化，也会引起采空区 的瓦斯涌入综放面，由状态方程可知PV=RT采空区温度T在昼夜之间的变化不大，而大气压的变化可达几百甚至上千个 Pa,那么导致采空区内气体体积的变化，形成采空区所谓的“呼吸”现象，当为“呼” 的过程时，便把采空区内的高浓度瓦斯带入工作面。因此，采空区瓦斯主要由以下几局部产生：回采过程中采空区内部不行避开的要丧失肯定的煤炭，这些煤将释放瓦 斯；采空区顶板岩石裂隙中也释放肯定量瓦斯;采空区底板及下部煤层的瓦斯也会通过裂隙释放到采空区之中；（4）工作面的瓦斯也有局部进入采空区。煤氧复合过程产生的可燃性气
6、体煤自燃的发生和进展是一个极其简单的动态变化过程，其实质就是一个缓慢 地自动放热升温最终引起燃烧的过程。煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用放出 热量而引起的，煤与氧气复合是煤与氧自发产生的氧化放热反响，始于物理吸附, 然后发生化学吸附和化学反响，整个过程中伴随着氧含量的削减，反响气态产物 的增加，且有吸热和放热效应的发生。在煤低温氧化过程中，主要是煤分子中的 非芳香结构侧链与氧发生反响，生成CO, CO和出0。随着煤温的不断提升，煤 分子中的各种结构均会发生不同程度地断裂、裂解和裂化，并与氧发生反响，释 放出CH4, c2H6, c3H5, c2H4, c2H2等各种气体从煤的低温氧化阶段直至着
7、火 燃烧阶段都能产生CO;烧类气体是在煤温到达某一温度后的裂解和裂化产物。 在试验条件下，当煤温到达70%-80。（2时消失乙烷，到达一 130化时消失 乙烯,到达130。（:一 150。（2时消失丙烷、丙烯，煤温到达150。（2 170%时消失 丁烯。乙烯是煤氧化分解及热裂解的产物，乙烯的消失是煤进入加速氧化阶段的一 个重要标志，乙烯浓度约在150%一 160%左右开头猛增。烯烧气体那么是煤体猛 烈氧化时的产物，且煤温提升时烯妙的浓度随着增大，并且呈指数曲线状提升。2. 1.3煤的热解过程一般来讲，煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛中持续加热升温且无催化 作用的条件下发生的一系列化学和物理变
8、化。煤的热解过程是煤气化等其他化学 过程的第一步，它与煤的组成和结构有亲密关系。煤的热解的机理、产物的性质 及分布状况要受到煤的性质、加热速率、传热和热解气氛等特定条件的显著影响。 煤在隔绝空气条件下加热时，煤的有机质随温度提升发生一系列变化，形成气态 （煤气）、液态（焦油）、固态（半焦或焦炭）产物。煤的热解过程大致可分为三个阶段:第一阶段350%以前:在这一阶段，煤料被干燥、预热，并开头产生热分解, 但煤料变化不大。煤化度低的煤，在200C左右开头发生脱碳酸反响而产生CO? 及比0,超过300%就开头生成焦油，但是在350%以前焦油生成量很少，而且 焦油生成量与煤的煤化程度有关，煤化程度越高
9、，焦油生成量越少。在此阶段煤 结构几乎没有变化，然而孔结构明显变小，煤料大多仍保持无定形、过冷液结构, 但原有孔隙减小或被堵塞。其次阶段350 一 650%:这是干储过程中最重要阶段。当温度升到350 以上时，这时煤中有机质进一步分解生成气态、液态和固态产物。由于气态产物 不能马上析出，因而气、液、固三相形成胶质体。由于胶质体的形成，使煤料开 头显示出流淌性。在350 以上时，由于官能团及烷基侧链的断裂，而形成烧 类、一氧化碳及氢，并生成焦油。当温度在450%一 500。（：时，烧类及初次焦油 的生成量到达最大值，当温度在500%一 5500c时，一氧化碳生成量达最大值。 从红外线汲取光谱及核
10、磁共振试验说明，由于侧链断裂及初次焦油生成，使残炭 的芳香族结构增加，轻基及脂肪族结构削减。与此同时，软化熔融的煤开头固化。第三阶段650 以上:当温度升到600 以上时，芳香族平面大分子开头缩 合大。此时从而使芳香族平面大分子的大小分布变宽，平均直径增气体连续析出, 开头以甲烷、氢为主。最终主要是氢，并在700%左右达最大值。2. 2采空区多组分气体运移规律非线性渗流方程采空区邻近工作面和邻近局部漏风源处，风流为紊流或过渡流渗流听从非线 性渗流规律。多孔介质内风流流态也可用雷诺数来推断。综放开采时瓦斯涌出特点打算了其在覆岩采动裂隙带内具有升浮和集中两 种运移方式。不均衡性瓦斯涌出带，与四周环
11、境气体存在密度差而升浮，在浮力 作用下沿破断裂隙提升过程中不断渗入四周气体，使涌出源瓦斯与环境气体的密 度差渐减至零，瓦斯那么会漂移在离层裂隙发育区，瓦斯升浮高度与本煤层及邻近 层瓦含量及涌出强度成正比;混入矿井空气中的瓦斯（CH/在其浓度梯度作用下会 引起气体分子的一般集中和压强集中，瓦斯集中流方向与重力压强梯度反向，即 瓦斯具有向上集中的趋势。从而解释了裂隙带是瓦斯运移及聚集带。2. 3小结采空区可燃性气体主要来自于:采空区瓦斯、煤氧复合过程产生的可燃性 气体和煤在高温条件下的热解气体。而采空区瓦斯来源可分为四局部:围岩瓦斯 涌出；未采分层瓦斯涌出；回采丢煤瓦斯涌出；邻近层瓦斯涌出。如工作
12、面四周 有已采的老空区存在，也会向现采空区涌出瓦斯。这几局部瓦斯随着采场内煤层、 岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区，混合在一起。采空区遗煤 消失高温或发生自燃火灾，那么附存在围岩、煤体内的瓦斯会加快释放速度。采空区瓦斯运移规律是综放开采时瓦斯涌出特点打算了其在覆岩采动裂 隙带内具有两种运移方式:升浮;集中。(3)不均衡性瓦斯涌出带，与四周环境气体存在密度差而升浮，在浮力作用 下沿破断裂隙提升过程中不断渗入四周气体，使涌出源瓦斯与环境气体的密度差 渐减至零，瓦斯那么会漂移在离层裂隙发育区，瓦斯升浮高度与本煤层及邻近层瓦 斯含量及涌出强度成正比;混入矿井空气中的瓦斯(CH。在其浓度梯度作用下会引 起气体分子的一般集中和压强集中，瓦斯集中流方向与重力压强梯度反向，即瓦 斯具有向上集中的趋势。