综放工作面采空区自然发火三维数值模拟研究
发布时间：2021-03-29 19:19
数值模拟方法以其准确性和实用性,越来越多的应用到了采空区火灾的治理之中,因此开发适用于实际开采条件的数值模拟软件就显得尤为重要。本文首先运用质量守恒定律、傅里叶定律、Fick定律、达西定律和能量守恒定律建立了三维采空区自然发火的数学模型,并确定了其边界条件；通过一系列实验得到了采空区自燃模型的关键参数；结合有限体积法和有限单元法的优点,以三维导热问题为例提出了新的有限体积法,得出了新的控制体选取方法,推导了数学公式,并用三维有限单元法对新的三维有限体积法进行了验证对比分析；用新的三维有限体积法对采空区自燃模型进行离散化得到相应的线性方程组；利用Visual Basic语言编制了三维采空区自然发火模拟软件,使用该软件对同忻矿首采工作面进行了模拟,分别求得采空区的压力分布、流场速度分布、氧浓度分布和温度场分布,并用后处理软件Tecplot10进行图形显示,该结果和同忻矿现场布点观测的结果基本吻合。该软件对采空区自然发火具有重要的应用价值。
【文章来源】：中国矿业大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
详细摘要
Detailed Abstract
1 绪论
1.1 选题依据与研究意义
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 煤自燃实验及实验装置研究现状
1.2.2 煤自燃模型及数值模拟研究现状
1.2.3 目前研究存在的问题
1.3 课题研究目标和内容
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
2 采空区自然发火三维数学模型研究
2.1 采空区流场模型
2.1.1 达西定律
2.1.2 流场控制方程
2.1.3 边界条件
2.2 采空区氧浓度场模型
2.2.1 Fick定律
2.2.2 采空区氧浓度场模型
2.2.3 边界条件
2.3 采空区温度场模型
2.3.1 傅里叶定律
2.3.2 温度场模型
2.3.3 边界条件
2.4 采空区三维自然发火模型
2.4.1 采空区三维自然发火模型
2.4.2 边界条件
2.5 本章小结
3 采空区自然发火模型参数研究
3.1 煤（岩）导热系数测定
3.1.1 实验系统
3.1.2 实验过程
3.1.3 实验结果及分析
3.2 煤的氧化升温实验
3.2.1 CSC-B2煤低温自燃实验系统
3.2.2 实验方法及实验过程
3.2.3 实验结果及分析
3.3 煤的耗氧速率分析
3.3.1 耗氧速率计算
3.3.2 耗氧速率线性回归分析
3.4 煤的放热强度分析
3.4.1 煤的放热强度计算
3.4.2 放热强度线性回归分析
3.5 三维采空区渗流参数分析
3.5.1 空隙率和渗透系数
3.5.2 采空区岩石冒落特征
3.5.3 渗透系数分布经验公式
3.6 本章小结
4 三维问题有限体积法研究
4.1 改进后的有限体积法
4.1.1 导热微分方程
4.1.2 内部节点求解
4.1.3 边界节点求解
4.2 有限单元法求解
4.2.1 内部单元的求解
4.2.2 边界单元的求解
4.3 有限单元法与有限体积法的比较
4.4 本章小结
5 三维自然发火模型有限体积法求解
5.1 采空区气体流场模型离散化
5.1.1 插值函数与控制体的选取
5.1.2 流场方程离散及合成
5.1.3 采空区流场速度方程
5.1.4 采空区流场边界条件
5.2 采空区氧气浓度场模型离散化
5.2.1 插值函数与控制体的选取
5.2.2 氧浓度场方程离散及合成
5.2.3 采空区氧浓度场边界条件
5.3 采空区温度场模型离散化
5.3.1 插值函数与控制体选取
5.3.2 冒落岩石温度场方程离散及合成
5.3.3 固体间气体温度场方程离散及合成
5.3.4 采空区温度场的边界条件
5.4 本章小结
6 三维采空区自然发火模拟软件
6.1 程序设计
6.1.1 解算区域及网格划分
6.1.2 线性方程组求解方法
6.1.3 系数矩阵的存储和调用
6.1.4 程序流程图
6.2 自燃参数确定及软件界面
6.2.1 关键自燃参数确定
6.2.2 软件界面及功能介绍
6.3 同忻矿首采工作面自然发火模拟
6.3.1 同忻矿实例模拟解算结果
6.3.2 推进速度对自燃的影响
6.4 本章小结
7 同忻矿现场观测研究
7.1 同忻矿概况
7.1.1 交通位置
7.1.2 煤层及煤质情况
7.1.3 瓦斯、煤尘、自燃及地温
7.1.4 开拓开采方式
7.1.5 首采工作面概况
7.2 工作面参数监测
7.2.1 工作面温度监测
4浓度监测"> 7.2.2 工作而CH4浓度监测
7.2.3 工作面CO浓度监测
7.3 自然发火现场观测
7.3.1 测温系统
7.3.2 测温系统布置
7.4 采空区测温结果分析
7.4.1 采空区温度测试
7.4.2 采空区测试温度分析
7.4.3 实测值与模拟结果对比分析
7.5 本章小结
8 结论和展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 下一步工作展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]2008年我国煤矿事故统计分析及防范措施[J]. 邓奇根,刘明举,赵发军. 煤炭技术. 2010(06)
[2]基于模糊渗流理论的采场自然发火[J]. 赵聪,陈长华. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2009(S2)
[3]基于移动坐标的采空区自然发火模型研究[J]. 朱建芳,蔡卫,秦跃平. 煤炭学报. 2009(08)
[4]煤升温氧化过程中气体解析规律研究[J]. 于水军,余明高,潘荣锟,张晓刚,贾海林. 河南理工大学学报(自然科学版). 2008(05)
[5]空气流量对煤升温氧化影响的实验研究[J]. 唐明云,张国枢,戴广龙,骆大勇. 煤矿安全. 2008(05)
[6]煤炭自燃过程中耗氧速率与温度耦合研究[J]. 王从陆,伍爱友,蔡康旭. 煤炭科学技术. 2006(04)
[7]综放面采空区流场模拟及自燃危险区域划分[J]. 张辛亥,刘灿,周金生,张健. 西安科技大学学报. 2006(01)
[8]煤物理吸附氧的研究[J]. 陆伟,王德明,戴广龙,仲晓星. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2005(04)
[9]采空区场流数值模拟程序（G3）实现与应用[J]. 李宗翔,王晓冬,王波. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2005(04)
[10]采空区场流安全理论及其研究的新进展[J]. 李宗翔. 中国安全科学学报. 2005(12)
博士论文
[1]移动坐标下采空区自然发火的有限体积法模拟研究[D]. 王月红.中国矿业大学（北京） 2009
硕士论文
[1]热重分析在研究煤氧复合过程中的应用[D]. 张嬿妮.西安科技大学 2004
本文编号：3108055
【文章来源】：中国矿业大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
详细摘要
Detailed Abstract
1 绪论
1.1 选题依据与研究意义
1.2 国内外研究现状及存在的问题
1.2.1 煤自燃实验及实验装置研究现状
1.2.2 煤自燃模型及数值模拟研究现状
1.2.3 目前研究存在的问题
1.3 课题研究目标和内容
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
2 采空区自然发火三维数学模型研究
2.1 采空区流场模型
2.1.1 达西定律
2.1.2 流场控制方程
2.1.3 边界条件
2.2 采空区氧浓度场模型
2.2.1 Fick定律
2.2.2 采空区氧浓度场模型
2.2.3 边界条件
2.3 采空区温度场模型
2.3.1 傅里叶定律
2.3.2 温度场模型
2.3.3 边界条件
2.4 采空区三维自然发火模型
2.4.1 采空区三维自然发火模型
2.4.2 边界条件
2.5 本章小结
3 采空区自然发火模型参数研究
3.1 煤（岩）导热系数测定
3.1.1 实验系统
3.1.2 实验过程
3.1.3 实验结果及分析
3.2 煤的氧化升温实验
3.2.1 CSC-B2煤低温自燃实验系统
3.2.2 实验方法及实验过程
3.2.3 实验结果及分析
3.3 煤的耗氧速率分析
3.3.1 耗氧速率计算
3.3.2 耗氧速率线性回归分析
3.4 煤的放热强度分析
3.4.1 煤的放热强度计算
3.4.2 放热强度线性回归分析
3.5 三维采空区渗流参数分析
3.5.1 空隙率和渗透系数
3.5.2 采空区岩石冒落特征
3.5.3 渗透系数分布经验公式
3.6 本章小结
4 三维问题有限体积法研究
4.1 改进后的有限体积法
4.1.1 导热微分方程
4.1.2 内部节点求解
4.1.3 边界节点求解
4.2 有限单元法求解
4.2.1 内部单元的求解
4.2.2 边界单元的求解
4.3 有限单元法与有限体积法的比较
4.4 本章小结
5 三维自然发火模型有限体积法求解
5.1 采空区气体流场模型离散化
5.1.1 插值函数与控制体的选取
5.1.2 流场方程离散及合成
5.1.3 采空区流场速度方程
5.1.4 采空区流场边界条件
5.2 采空区氧气浓度场模型离散化
5.2.1 插值函数与控制体的选取
5.2.2 氧浓度场方程离散及合成
5.2.3 采空区氧浓度场边界条件
5.3 采空区温度场模型离散化
5.3.1 插值函数与控制体选取
5.3.2 冒落岩石温度场方程离散及合成
5.3.3 固体间气体温度场方程离散及合成
5.3.4 采空区温度场的边界条件
5.4 本章小结
6 三维采空区自然发火模拟软件
6.1 程序设计
6.1.1 解算区域及网格划分
6.1.2 线性方程组求解方法
6.1.3 系数矩阵的存储和调用
6.1.4 程序流程图
6.2 自燃参数确定及软件界面
6.2.1 关键自燃参数确定
6.2.2 软件界面及功能介绍
6.3 同忻矿首采工作面自然发火模拟
6.3.1 同忻矿实例模拟解算结果
6.3.2 推进速度对自燃的影响
6.4 本章小结
7 同忻矿现场观测研究
7.1 同忻矿概况
7.1.1 交通位置
7.1.2 煤层及煤质情况
7.1.3 瓦斯、煤尘、自燃及地温
7.1.4 开拓开采方式
7.1.5 首采工作面概况
7.2 工作面参数监测
7.2.1 工作面温度监测
4浓度监测"> 7.2.2 工作而CH4浓度监测
7.2.3 工作面CO浓度监测
7.3 自然发火现场观测
7.3.1 测温系统
7.3.2 测温系统布置
7.4 采空区测温结果分析
7.4.1 采空区温度测试
7.4.2 采空区测试温度分析
7.4.3 实测值与模拟结果对比分析
7.5 本章小结
8 结论和展望
8.1 主要结论
8.2 创新点
8.3 下一步工作展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]2008年我国煤矿事故统计分析及防范措施[J]. 邓奇根,刘明举,赵发军. 煤炭技术. 2010(06)
[2]基于模糊渗流理论的采场自然发火[J]. 赵聪,陈长华. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2009(S2)
[3]基于移动坐标的采空区自然发火模型研究[J]. 朱建芳,蔡卫,秦跃平. 煤炭学报. 2009(08)
[4]煤升温氧化过程中气体解析规律研究[J]. 于水军,余明高,潘荣锟,张晓刚,贾海林. 河南理工大学学报(自然科学版). 2008(05)
[5]空气流量对煤升温氧化影响的实验研究[J]. 唐明云,张国枢,戴广龙,骆大勇. 煤矿安全. 2008(05)
[6]煤炭自燃过程中耗氧速率与温度耦合研究[J]. 王从陆,伍爱友,蔡康旭. 煤炭科学技术. 2006(04)
[7]综放面采空区流场模拟及自燃危险区域划分[J]. 张辛亥,刘灿,周金生,张健. 西安科技大学学报. 2006(01)
[8]煤物理吸附氧的研究[J]. 陆伟,王德明,戴广龙,仲晓星. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2005(04)
[9]采空区场流数值模拟程序（G3）实现与应用[J]. 李宗翔,王晓冬,王波. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2005(04)
[10]采空区场流安全理论及其研究的新进展[J]. 李宗翔. 中国安全科学学报. 2005(12)
博士论文
[1]移动坐标下采空区自然发火的有限体积法模拟研究[D]. 王月红.中国矿业大学（北京） 2009
硕士论文
[1]热重分析在研究煤氧复合过程中的应用[D]. 张嬿妮.西安科技大学 2004
本文编号：3108055
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