采空区煤自燃进程演化可视化模拟实验研究
发布时间：2021-11-24 10:10
采空区煤炭自然发火是矿井煤炭开采过程中经常发生的灾害之一,不仅严重威胁井下工作人员的生命安全,同时也造成了严重的资源浪费和财产损失。对煤自燃的发生发展过程的研究对于矿井火灾的防范有着关键作用。煤自燃的发展过程是多个物理化学作用同时进行的结果,煤自身的结构和组成成分极为复杂且非均质,不能从化学角度上准确描述其分子构成,也很难从理论上推演出自燃的发生发展过程。目前国内外对采空区温度分布变化的研究大多为数值模拟或建立模拟实验装置进行研究。鉴于此,本文提出一种实验装置和方法,可以实现在实验室条件下,直观、快速地反映出采空区煤自燃进程的演化,采空区内部温度分布变化情况,以及改变通风强度、通风方式下的变化规律,利用红外热像分析仪实现温度场可视化,为探究采空区自燃危险区域提供良好实验条件。本试验主体主要由采空区等效模型、进风管路、超声震荡波水雾发生器、风机、红外监控系统组成。采空区等效主体为一空心立方体,内部填充高纯度、高活性实验室用氧化钙颗粒。实验原理为:煤的自燃本质上就是煤与氧气反应生热并积聚的过程,试验中将氧化钙与水雾反应生热这一特性模拟采空区遗煤的氧化生热过程,氧化钙与水雾的产热速率大于煤氧...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
采空区“自燃”三带划分类型ⅠFigure1-1PartitiontypeⅠofthethreezonesofspontaneouscombustion
1绪论3图1-2采空区“自燃”三带划分类型ⅡFigure1-2PartitiontypeⅡofthethreezonesofspontaneouscombustion如图1-2所示，“散热带”、“氧化升温带”和“窒息带”分别对应于区域Ⅰ/Ⅰ’、Ⅱ、和Ⅲ分别。徐精彩、文虎等[12,13]通过煤自燃实验，测定出松散煤体的自燃参数，结合采空区现场实测的氧浓度以及分布情况，推导出漏风分布规律。绘制出采空区浮煤厚度、漏风分布和氧浓度分布的等值线图，在等值线图上分别标出煤自燃极限参数的极值点并连线，划分出的区域即为采空区“三带”。氧化升温带分布于采空区两侧位置，散热带不仅分布于靠近工作面处，且向内部延伸，窒息带位于采空区深处压实程度高的区域。此外，谭允祯教授认为应参照“O型圈”理论，以上覆岩层采动裂隙分布为依据划分采空区“三带”，并将“三带”的概念拓宽为易自燃区、自燃区、不自燃Ⅰ区、不自燃Ⅱ区[14]；刘星魁等用CFD方法对“U”型通风工作面采空区的氧气和漏风分布进行数值模拟，发现进风侧氧气分布较回风侧集中，氧化升温带主要分布于进风侧供氧充足区域[15]。1.2.2采空区“三带”的研究方法现状早期的采空区“三带”研究方法主要是在采空区现场测定，通过分体采集的气体成分和温度信息，得出“三带”分布结论。由于现场研究的存在一定局限性，一些产煤大国开始在相似模拟实验方面做出尝试，随着科学技术发展，采空区自燃“三带”的研究开始通过计算机的数值模拟进行研究[16-19]。（1）现场监测法目前，采空区煤自燃进程监测方法主要有指标气体分析法、测温法、气味监测法等。指标气体分析法：通过煤自燃过程中的气体生成规律，来预测煤自燃的进程和趋势，现阶段的指标体系以CO、C2H2、C2H4、烷烯比、链烯比为主要指标[20]。分析气体出现的临界温度，或
闲∏颉⑸匙印⑴菽?⒚藁ǖ取Ｍ???拦?⒂?国、法国等国家纷纷开展采空区煤自燃的相似模拟实验，建立相似模拟实验平台，开展了大量的基础研究，通过开展模拟实验分析煤自燃特征规律，判断自燃危险区域的可能位置，对煤自燃“三带”分布划分有指导作用。李仁发、沈洪远教授[48]建立了长2m、内径0.45m的垂直圆筒型模拟装置，装煤量90kg，在由下至上通风的过程中，通过监测出风口CO浓度判断装置内煤自燃进程。80年代后期，徐精彩等人[49]建立了我国第一个大型煤自燃实验台，该实验台为自主设计建立，用于模拟煤自燃发火。图1-3XK-Ⅲ型煤自然发火实验台Figure1-3XK-ⅢCoalSpontaneousCombustionExperimentBench该模型的设计装煤量为1t，之后又建立了装煤0.5t和1.5t等一系列XK型实验台。实验台主要由炉体、温度和风流控制系统、温度和气体成分监测系统，对
【参考文献】：
期刊论文
[1]2005—2016年我国较大及以上煤矿事故特征分析[J]. 张慧,王冬雪,王启飞. 安全与环境学报. 2019(05)
[2]采空区氧化带位置与注氮效果的数值模拟[J]. 刘星魁,杨书召. 河南工程学院学报(自然科学版). 2014(03)
[3]采空区自燃“三带”分布数值模拟研究[J]. 轩建军. 煤炭工程. 2013(11)
[4]基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟[J]. 秦跃平,刘伟,杨小彬,罗维,郝永江. 煤炭学报. 2012(07)
[5]基于试验与数值模拟的采空区氧化带漏风量的反演计算[J]. 郝朝瑜,王继仁,王雪峰,司蕊. 中国安全科学学报. 2012(07)
[6]采空区孔隙率的空间立体分析研究[J]. 张春,题正义,李宗翔. 长江科学院院报. 2012(06)
[7]不同划分指标采空区遗煤自燃“三带”的分布研究[J]. 闫玉岗,尹彬,贾宝山,许福平. 山西焦煤科技. 2012(03)
[8]易自燃煤层综放工作面采空区自然发火防治数值模拟[J]. 周西华,郭梁辉,孟乐. 中国地质灾害与防治学报. 2012(01)
[9]U型通风采场的温度场相似实验模型[J]. 王树刚,迟子豪,张腾飞,梁运涛. 中国矿业大学学报. 2012(01)
[10]采空区自燃“三带”变化规律研究[J]. 刘松,蒋曙光,王东江,张卫清,李亚东. 煤炭科学技术. 2011(04)
博士论文
[1]采空区遗煤氧化升温时空演化机制研究[D]. 周佩玲.北京科技大学 2017
[2]瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理研究[D]. 夏同强.中国矿业大学 2015
[3]采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理与技术研究[D]. 余陶.中国科学技术大学 2014
[4]煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D]. 文虎.西安科技大学 2003
硕士论文
[1]动态采空区煤自燃氧化升温机制的模拟研究[D]. 李品.河南理工大学 2018
[2]采空区气体渗流相似模拟实验平台研发及应用[D]. 姜华.西安科技大学 2013
[3]采空区发火位置数值模拟及相似材料模拟研究[D]. 王真.辽宁工程技术大学 2009
[4]煤矿火灾预测预报气味识别技术的研究[D]. 杨宏民.辽宁工程技术大学 2005
本文编号：3515768
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
采空区“自燃”三带划分类型ⅠFigure1-1PartitiontypeⅠofthethreezonesofspontaneouscombustion
1绪论3图1-2采空区“自燃”三带划分类型ⅡFigure1-2PartitiontypeⅡofthethreezonesofspontaneouscombustion如图1-2所示，“散热带”、“氧化升温带”和“窒息带”分别对应于区域Ⅰ/Ⅰ’、Ⅱ、和Ⅲ分别。徐精彩、文虎等[12,13]通过煤自燃实验，测定出松散煤体的自燃参数，结合采空区现场实测的氧浓度以及分布情况，推导出漏风分布规律。绘制出采空区浮煤厚度、漏风分布和氧浓度分布的等值线图，在等值线图上分别标出煤自燃极限参数的极值点并连线，划分出的区域即为采空区“三带”。氧化升温带分布于采空区两侧位置，散热带不仅分布于靠近工作面处，且向内部延伸，窒息带位于采空区深处压实程度高的区域。此外，谭允祯教授认为应参照“O型圈”理论，以上覆岩层采动裂隙分布为依据划分采空区“三带”，并将“三带”的概念拓宽为易自燃区、自燃区、不自燃Ⅰ区、不自燃Ⅱ区[14]；刘星魁等用CFD方法对“U”型通风工作面采空区的氧气和漏风分布进行数值模拟，发现进风侧氧气分布较回风侧集中，氧化升温带主要分布于进风侧供氧充足区域[15]。1.2.2采空区“三带”的研究方法现状早期的采空区“三带”研究方法主要是在采空区现场测定，通过分体采集的气体成分和温度信息，得出“三带”分布结论。由于现场研究的存在一定局限性，一些产煤大国开始在相似模拟实验方面做出尝试，随着科学技术发展，采空区自燃“三带”的研究开始通过计算机的数值模拟进行研究[16-19]。（1）现场监测法目前，采空区煤自燃进程监测方法主要有指标气体分析法、测温法、气味监测法等。指标气体分析法：通过煤自燃过程中的气体生成规律，来预测煤自燃的进程和趋势，现阶段的指标体系以CO、C2H2、C2H4、烷烯比、链烯比为主要指标[20]。分析气体出现的临界温度，或
闲∏颉⑸匙印⑴菽?⒚藁ǖ取Ｍ???拦?⒂?国、法国等国家纷纷开展采空区煤自燃的相似模拟实验，建立相似模拟实验平台，开展了大量的基础研究，通过开展模拟实验分析煤自燃特征规律，判断自燃危险区域的可能位置，对煤自燃“三带”分布划分有指导作用。李仁发、沈洪远教授[48]建立了长2m、内径0.45m的垂直圆筒型模拟装置，装煤量90kg，在由下至上通风的过程中，通过监测出风口CO浓度判断装置内煤自燃进程。80年代后期，徐精彩等人[49]建立了我国第一个大型煤自燃实验台，该实验台为自主设计建立，用于模拟煤自燃发火。图1-3XK-Ⅲ型煤自然发火实验台Figure1-3XK-ⅢCoalSpontaneousCombustionExperimentBench该模型的设计装煤量为1t，之后又建立了装煤0.5t和1.5t等一系列XK型实验台。实验台主要由炉体、温度和风流控制系统、温度和气体成分监测系统，对
【参考文献】：
期刊论文
[1]2005—2016年我国较大及以上煤矿事故特征分析[J]. 张慧,王冬雪,王启飞. 安全与环境学报. 2019(05)
[2]采空区氧化带位置与注氮效果的数值模拟[J]. 刘星魁,杨书召. 河南工程学院学报(自然科学版). 2014(03)
[3]采空区自燃“三带”分布数值模拟研究[J]. 轩建军. 煤炭工程. 2013(11)
[4]基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟[J]. 秦跃平,刘伟,杨小彬,罗维,郝永江. 煤炭学报. 2012(07)
[5]基于试验与数值模拟的采空区氧化带漏风量的反演计算[J]. 郝朝瑜,王继仁,王雪峰,司蕊. 中国安全科学学报. 2012(07)
[6]采空区孔隙率的空间立体分析研究[J]. 张春,题正义,李宗翔. 长江科学院院报. 2012(06)
[7]不同划分指标采空区遗煤自燃“三带”的分布研究[J]. 闫玉岗,尹彬,贾宝山,许福平. 山西焦煤科技. 2012(03)
[8]易自燃煤层综放工作面采空区自然发火防治数值模拟[J]. 周西华,郭梁辉,孟乐. 中国地质灾害与防治学报. 2012(01)
[9]U型通风采场的温度场相似实验模型[J]. 王树刚,迟子豪,张腾飞,梁运涛. 中国矿业大学学报. 2012(01)
[10]采空区自燃“三带”变化规律研究[J]. 刘松,蒋曙光,王东江,张卫清,李亚东. 煤炭科学技术. 2011(04)
博士论文
[1]采空区遗煤氧化升温时空演化机制研究[D]. 周佩玲.北京科技大学 2017
[2]瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理研究[D]. 夏同强.中国矿业大学 2015
[3]采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理与技术研究[D]. 余陶.中国科学技术大学 2014
[4]煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D]. 文虎.西安科技大学 2003
硕士论文
[1]动态采空区煤自燃氧化升温机制的模拟研究[D]. 李品.河南理工大学 2018
[2]采空区气体渗流相似模拟实验平台研发及应用[D]. 姜华.西安科技大学 2013
[3]采空区发火位置数值模拟及相似材料模拟研究[D]. 王真.辽宁工程技术大学 2009
[4]煤矿火灾预测预报气味识别技术的研究[D]. 杨宏民.辽宁工程技术大学 2005
本文编号：3515768
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