等渗流参数的确定，建立了近距离煤层采空区自然发火预测模型，用来反映现场实际情况，并用来分析和指导近距离煤层火灾的自然发火原因和治理工作，同时通过近距离煤层火灾反过来验证该模型的有效性。空隙率及渗透系数孔隙率分布由于煤层工作面顶部垮落后，采空区可视为多孔介质，鉴于多孔介质的复杂性，为了便于计算，将孔隙度定义为个连续函数。考虑多孔介质中任意点，围绕该点取个包含足够多孔隙的体元内孔隙的容积为点是空隙空间的形心，定义点处的孔隙度为其中体元为多孔介质的特征体元。根据孔隙度定义，结合现场观测，煤层开采后，煤层顶部砂页岩与煤层上部岩层之间己没有较强的结合力，因此认为开采煤层时，其顶部岩层空隙率在垂直方向是均匀的。近距离煤层采空区空隙率随着与工作面距离加大而减少，其变化规律与矿压相反。根据苏联学者对采空区矿压的观测结果，随着与工作面距离增加，采空区矿压不断增加，但其增幅有减少趋势。到工作面距离达到以上时，矿山压力趋于个稳定值。根据现场观测，工作面顶部垮落时，顶煤垮落形成的松散煤体厚度可达实体煤的倍左右，即其空隙率约为。而经过段时间压实后的老空区，经现场观测其遗煤空隙率可达左右。如果认为近距离煤层采空区空隙率在距离工作面小于时随距离变化符合抛物线规律，大于时其空隙率不再随距离而变化，可拟合出近距离煤层采空可漏风松散体的空隙分布坐标原点为煤层面中部式中，为空隙率，为到工作面的距离，。近距离煤层采空区空隙率与距离的关系如图所示。图采空区空隙率分布曲线渗透系数实验研究根据定律其中，只与多孔介质即采空区本身的结构特性有关，而与流体井下工作面风流特性无关。也就是说，值保持不变，这个就是渗透率，它是反映多孔介质结构特性的个参数。渗透性是采空区传导流体的性能。流体的渗透性能不仅与骨架的性质颗粒成分颗架分布颗粒大小颗粒充填比面弯曲度和空隙率等有关，还与流体的性质流体的密度粘滞性等有关。般采用渗透系数或称为水力传导系数描述多孔介质输送流体的能力式中，是渗透系数,是采空区的渗透率或内在渗透率，它仅与骨架性质有关。根据假定，采空区松散体为各向同性介质，则渗透系数和渗透率是标量。根据渗透率定义，采用如图的实验装置，实验管段的管径为，管长为，风机将风流由大气中经过稳定段流量计煤样后回到大气中。空气流量的大小由调节阀控制，并由浮子流量计测量，煤样装入实验段，调节流量，由压差计测量煤样两端的静压差。图实验装置示意图压差计煤样流量计风机根据实验测定值，在空隙率和范围内，分别按抛物线和指数方程拟合回归得渗透率回归方程则空气在松散煤体中的渗流系数为空隙率与渗透率的关系见表。表和的关系由于采空区实际空隙率般都小于，根据采空区不同深度的空隙率，可得采空区不同深度的渗透系数为近距离煤层工作面及采空区两道处压力分布由于顶板冒落产生的多孔介质是存在大量裂隙和空隙的多重介质，随着上覆岩层压力增大，采空区被压实，裂隙介质的空隙率会减小。流体在空隙率较大的裂隙中的渗流阻力较小，而在空隙率较小的裂隙中的渗流阻力较大，故在空隙率较大的裂隙介质中渗流的压力梯度较小，在空隙率较小的裂隙中渗流的压力梯度较大。随着近距离煤层采空区距离工作面的深度加大，矿压增大，导致岩石空隙率有所降低，其中渗流的气体的静压力也有所改变，般认为气体压力梯度与矿压梯度或孔隙率改变率成正比。根据现场压力测定数据，扣除高差影响，上巷绝对压力为，下巷绝对压力为。采煤工作面基本水平，各处断面面积基本相等，工作面比较光滑，故可认为近距离煤层工作面各点绝对压强基本线性变化。因此，近距离煤层工作面进风侧采空区回风侧采空区压力分布为工作面压力以工作面中部为坐标原点，向进风侧方向为方向，向采空区深部为方向，垂自向上为方向进风侧采空区压力以工作面中部为坐标原点，向进风侧方向为方向，向采空区深部为方向，垂自向上为方向回风侧采空区压力以工作面中部为坐标原点，向进风侧方向为方向，向采空区深部为方向，垂自向上为方向近距离煤层采空区渗流及扩散数学模型近距离煤层采空区渗流控制方程将近距离煤层采空区视为松散体，由于松散煤体空隙的时空分布不均匀，且漏风源和漏风汇难以确定，松散煤体中的漏风流场十分复杂，因此，仅考虑平均意义下的漏风强度，即通过单位面积松散煤体的漏风量。假设计算区域内风流在松散煤体中的密度不变，则有式中分别为坐标轴为漏风强度通过单位面积煤样的漏风量。松散煤体中流道相互交错的，其空隙通道是极不规则的，使得空气在松散煤体中的流动十分复杂，般情况下，它的风流流态属层流，风流在巷道松散煤体中漏风速度般较小，因此由达西定律得式中，分别为方向上的漏风强度分量，为压力，为绝对渗透率为空气粘性系数为为多孔介质中的渗透系数，近距离煤层采空区渗透率由式,式得定解条件假设采空区温度不发生变化，并且工作面两端压力保持稳定，则为稳态渗流问题，即边界条件壁面上，因此，近距离煤层工作面采空区进风侧采空区回风侧氧浓度及压力分布函数为采空区进风侧以工作面中部为坐标原点，向进风侧方向为方向，向采空区深部为方向，垂自向上为方向氧浓度分布函数体积分数，压力分布函数为采空区回风侧以工作面中部为坐标原点，向进风侧方向为方向，向采空区深部为方向，垂自向上为方向氧浓度分布函数体积分数，压力分布函数为采煤工作面是煤层暴露面，该面上氧浓度为常数，质量百分比为，压力分布为近距离煤层采空区自然发火预测模型近距离煤层采空区可以认为是个有机物和无机物混杂而成的煤岩体，具有多孔性。工作面采过后，顶板岩层相继跨落，上部煤层煤柱被压酥跨落，近距离煤层采空区则是个松散体。风流以定方式向松散煤体内部渗透和扩散，提供供氧条件，在松散煤体中形成大面积吸附面和反应面，产生热量使煤温升高同时松散煤体由于传导散热向周围环境释放热量将使煤体温度下降。仅当煤体氧化产生的热量大于向周围散发的热量时，热量才逐渐积聚，煤温升高，达到自燃点时，松散煤体即发生自燃。由于煤体的破碎程度不，其渗透率导热系数漏风状况等均是空间坐标的函数，因此，近距离煤层采空区自然发火模型是个三维问题。综上所述，可得近距离煤层采空区自然发火预测模型④定解条件本章小结通过近距离煤层工作面现场观测，分析了近距离煤层采空区的特征，对近距离煤层采空区做出了相应假设。根据现场观测数据，在假定近距离煤层采空区为各向同性多孔均匀介质的条件下，得出了近距离煤层采空区两道氧浓度数据拟合方程采空区漏风松散体空隙率分布拟合方程采空区不同深度的渗透系数拟合方程④工作面进风侧采空区回风侧采空区压力分布方程近距离煤层采空区渗流和扩散数学模型。利用上述方程，建立了近距离煤层采空区自然发火预测模型，用来反映现场实际情况，并用来分析和知道近距离煤层火灾的自然发火原因和治理工作，同时通过近距离煤层火灾反过来验证该模型的有效性。第五章柳湾矿近距离煤层采空区自燃火灾综合治理柳湾煤矿位于山西省的中部，孝义市之西，属于孝义市阳泉曲西泉柱朴镇及灵石县管辖，建矿已有四十余年的历史，交通较为方便。井田面积，地理坐标东经，北纬地形西高东低，绝对标高之间。区内沟谷与山脊高差较大，般，最大，第三四系，黄土层覆盖，平均。盖山厚度，平均约。属地形复杂，切割较剧的低山丘陵地带。为低沼气矿井，据井下实测，昼夜产煤吨放出瓦斯，煤尘爆炸指数为，煤层有自燃现象，自燃发火期为个月。矿井主采煤层三层煤，各煤层都稳定，煤层倾角。煤质为焦肥煤类，其煤层具有爆炸性，爆炸指数为，其煤层具有自然发火性，自然发火期为个月，瓦斯等级为低沼气矿井，其相对涌出量为。由于小煤窑对煤层的破坏，目前主采煤层为煤，后期主采煤层为煤，采区开采方式为前进式，工作面为后退式，采煤方法为走向长壁式，自然垮落法管理顶板。柳湾矿前期煤为小窑破坏区，主要小窑有太子里小窑和庄里井小窑，太子里小窑主要集中在前期面至面尾部，破坏范围东西约，南北，庄里井小窑主要集中在前期面中部，垮落范围东西南北,两小窑为前期的主要漏风源。近距离煤层工作面概况井田内主要含煤地层为上石炭统太原组和下二迭统山西组，共含煤层，含煤地层总厚，煤层总厚，含煤系数，其中煤局部可采，煤为柳湾矿全区可采的主采煤层。属近距离煤层，煤直接顶为层泥页岩，厚度，平均厚度。老顶石灰岩，厚，比重，抗压强度，平均。煤井田内发育厚度，平均。煤位于煤之上，平均厚度。煤底板也是煤顶板，为灰黑色深灰色页岩，般厚度，冲刷带周围或中心可达到以上。煤结构复杂，含层夹矸，且不稳定，厚度，平均。顶板多为页岩，局部地区为粗细砂岩砂质页岩。底板为高岭土泥岩，厚约，遇水变软膨胀，抗压强度。工作面设计为上行通风，上下巷道断面均为，测定风量为，采用综合机械化开采，次采全高工作面采空区浮煤厚度般在之间。图煤层工作面及煤层工作面布置位置示意图图煤层工作面平面，剖面位置示意图三盘曲前期进风巷三盘曲前期皮带巷三盘曲前期回风巷煤层皮带巷煤层皮带巷煤层皮带巷煤层材料巷煤层皮带巷煤层皮带巷顺槽顺槽煤层工作面间预留煤柱煤层工作面采空顺槽顺槽煤柱煤层采