半封闭式采空区瓦斯与煤自燃多场叠加灾变演化机制研究

Deep coal rock mass is interconnected by various geologic environment under the disturbance of high-strength mining and low detection accuracy of deep geological structure in mine. In particular, the compound disasters of gas and coal spontaneous combustion are more destructive. It is very urgent to carry out research on the multi-field coupling disaster mechanism under the fracture zone gas and coal spontaneous combustion composite zone in the deep underground semi-enclosed goaf. The research of many scholars focuses on the compound disasters of gas and coal spontaneous combustion in closed goaf. The research on the superposition characteristics and mechanism of gas and coal spontaneous combustion combined disaster field is yet to be proposed in semi-enclosed goaf. The experiments related to gas and coal spontaneous combustion are carried out in semi-enclosed goaf. The characteristic parameters variation law of the composite disaster field are got in the fracture field is obtained. The superposition model for gas and coal spontaneous combustion combined disaster field is established in semi-enclosed goaf. The catastrophic critical conditions and judgment criteria of the composite field superposition are proposed. The safety hazard evolution indicators of gas and coal spontaneous combustion symbiosis are quantified in semi-enclosed goaf. The risk value of the symbiotic area is determined in the semi-enclosed goaf. The research results provide a theoretical basis for the prevention and control of the coordinated prevention and control of gas and coal spontaneous combustion combined disasters in semi-enclosed goaf in coal mines.

深部煤岩体以其特殊的地质力学环境，在矿井高强度开采的扰动下和深部地质构造低探测精度的背景下，多种灾害相互联系，尤其是瓦斯与煤自燃复合灾害的破坏性更大，开展深部井下半封闭式采空区松散煤体等裂隙场瓦斯与煤自燃复合区域下多场耦合致灾机制的研究变得十分迫切。众多学者的研究集中于封闭采空区瓦斯与煤自燃的复合灾害方面，针对半封闭式采空区瓦斯与煤自燃复合灾害场的叠加特征与机制研究尚还有待提出。本研究拟通过开展半封闭式采空区瓦斯与煤自燃相关实验，获得裂隙场中复合灾害场的特征参数变化规律，建立适用于半封闭式采空区瓦斯与煤自燃复合灾害场叠加模型，找出复合场叠加的灾变临界条件，提出复合场灾变判断准则，通过量化半封闭式采空区瓦斯与煤自燃共生区域安全危险性演化指标，判定半封闭式采空区共生区域的风险值。研究成果将为煤矿井下半封闭式采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的协同性防治提供理论依据。

深部煤岩体以其特殊的地质力学环境，在矿井高强度开采的扰动下和深部地质构造低探测精度的背景下，多种灾害相互联系，尤其是瓦斯与煤自燃复合灾害的破坏性更大。因此，本课题开展了深部井下半封闭式采空区松散体等裂隙场瓦斯与煤自燃复合区域下多场耦合致灾机制的研宄。通过开展半封闭式采空区瓦斯与煤自燃相关实验，获得裂隙场中复合灾害场的特征参数变化规律。建立适用于半封闭式采空区瓦斯与煤自燃复合灾害场叠加模型，找出复合场叠加的灾变临界条件，提出复合场灾变判断准则。主要结论有：基于非稳态模拟方法，对某综采工作面在不同推进速度下的自燃过程进行了数值模拟。阐明了不同推进速度与采空区自然发火氧化带分布面积的关系，确定了推进速度。工作面的推进改变了采空区内的自然高温区，推进速度的提高增加了剩余煤炭的自燃时间。自燃面积与综采工作面推进度呈指数关系。以氧气浓度作为计算指标时，进出口氧化区宽度不对称，当前进距离大于90m 时，自燃氧化带分布的宽度保持不变。（2）根据数独网格原理设计了采空区漏风通道，利用自行搭建的实验平台，通过改变风量，分析了耗氧率和放热强度随煤温的变化规律。结果表明，在48℃、75℃ 和105℃ 时，耗氧率分别有三个明显的峰值。在80℃ 以上，实验煤样开始自燃。随着温度的升高，放热强度呈指数增加。此外，工作面的空气供应与采空区内碎煤的自燃呈指数关系。另外，综采工作面送风量的增加也增加了氧化带的宽度。（3）在 PyroSim接口上可视化模拟了封闭采空区中遗煤的自燃。在确定了温度场、CO浓度场和O2浓度场的分布规律后，进行了灾害风险分析，发现 CO浓度随时间呈现两种不同的变化趋势。这两种趋势几乎是线性的。在采空区50-60米深处(距地面约3米)发现了一个潜在的高温火源。在采空区关闭完成之前，可能在距工作面30、50和80米深处发现了瓦斯爆炸点。研究成果为防治与控制实际煤矿井下半封闭式采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的协同性防治提供理论依据。