煤自燃特性与巷道松散煤体自燃三维多场耦合研究

发布时间：2017-12-19 20:16

  本文关键词：煤自燃特性与巷道松散煤体自燃三维多场耦合研究　出处：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 煤自燃 多场耦合 三维模型 孔隙结构

【摘要】：在综采放顶煤工艺的实施中,巷道沿煤层底部开拓,顶部留有数米厚的煤层。顶煤抗剪性差,在巷道掘进过程中容易产生变形、碎裂,形成松散煤体。巷道风流中的氧气很容易渗流进入松散煤体,二者发生反应并放出热量。当蓄热条件良好时,热量不断积聚发生自燃。巷道顶部松散煤体自然发火位置隐蔽,起火点常常仅有几平方米,给防火工作带来极大困难。研究巷道顶部松散煤体自然发火三维动态过程意义重大。本文以枣泉矿为研究背景,采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道顶部松散煤体的自然发火问题进行了研究。通过对煤样进行热重-差热-傅里叶变换红外光谱(TGA-DTA-FTIR)实验、升温氧化实验、压汞实验、氮吸附实验,得到了煤自燃过程的质量变化、热量变化、气体排放、孔隙结构变化规律,获得了耗氧速率、放热强度、比热、孔隙率、渗透率、渗透系数等随温度的变化规律。构建了包括巷道顶部松散煤体和巷道在内的煤自然发火三维数学物理模型,利用实验所得动态物性参数,进行了流场、温度场、传质场三个物理场的耦合计算,获得了巷道顶部松散煤体自然发火多物理场瞬变过程,并对煤自燃过程中的位移和应力分布进行了求解。实验工作在为数值模拟提供参数的同时获得了关于煤自燃的影响因素、煤孔隙结构特征等有意义的结论,丰富了对煤自燃特性的认识。主要研究内容列举如下:(1)煤自燃的发生和发展包含化学动力学过程、热量传递、质量变化及多种有害气体的排放,是一个极其复杂的物理化学过程。通过对包括枣泉矿煤样在内的几种煤进行TGA-DTA-FTIR试验,得到了煤的质量、热量、气体排放在煤自燃过程中的变化规律,通过分析得到了煤表面活性结构在煤自燃过程中所经历的变化,并为煤自燃数值计算提供了关键参数:活化能与指前因子。研究发现煤在氧化过程各阶段的质量变化与热量变化是相互对应的,生成气体的变化在后期滞后于前两者的变化。各种气体的释放依赖于相关活性结构的反应特性。活性结构的总量是煤氧化放热的决定性因素,而挥发分恰恰反映了活性结构数量的多少,表征了煤氧化放热的难易程度及反应速度。实验数据表明煤的挥发分对氧化过程各阶段的特征温度、生成气体的浓度、吸氧增重阶段的放热量与放热速率、活化能等诸多方面影响显著:挥发分数值越大,各阶段特征温度值越低,生成气体的浓度越高,放热速率越高,低温阶段活化能越低。(2)对枣泉矿2号煤层煤样进行了升温氧化实验,得到了煤自燃特性参数耗氧速率、放热强度,并利用DSC实验测定了不同温度煤的比热数值。耗氧速率、放热强度、比热等均为煤自然发火数值模拟所需关键参数。(3)采用sem能谱分析、压汞实验、氮气吸附实验和分形理论对自燃过程中煤的孔隙结构进行了由浅入深的研究,获得了煤样孔隙周围元素、最可几孔径、孔隙率、比表面积、渗透率、渗透系数、孔隙分形维数等在煤自燃过程中的变化规律。sem能谱分析研究发现,随着分析点离孔隙的距离不断增大,煤中碳元素含量逐渐增加,由此判断煤自燃是从煤中孔隙开始的。通过比较相同温度不同大小孔隙周围碳元素含量数值,发现较小的孔隙边缘氧化反应进行的较快。为了提高孔隙结构数据的精度,将氮气吸附实验和压汞实验测得的孔径分布数据在100nm孔径处进行连接,通过联孔孔径分布图对孔隙结构进行研究。研究发现在煤自燃过程中煤的最可几孔径越来越大、孔隙率逐渐升高、比表面积先升高后降低、密度逐渐降低、渗透率和渗透系数先降低然后急剧升高,最后又降低。进行了煤自燃过程中孔隙分形特征变化研究,发现煤的孔隙结构在一定孔径范围内具有自相似性,随着温度的升高,煤具有分形特征的孔隙半径范围越来越大,分形维数越来越大。即随着温度的升高,煤的孔隙结构渐趋均匀,由此可知煤中小孔隙的扩张速度比大孔隙快。这一结论和通过sem能谱研究所得的结论一致。证明了分形理论所做分析的正确性。(4)构建了包括巷道顶部松散煤体和巷道在内的煤自然发火三维数学物理模型。采用k-?湍流模型模拟巷道流场,将湍流场的计算结果作为松散煤体中渗流的边界条件。实现了巷道通风与松散煤体自燃的直接关联。利用实验所得动态物性参数,实现了流场、温度场、传质场三个物理场的耦合计算,获得了巷道顶部松散煤体自然发火的瞬变过程。数值模拟结果与现场实际情况基本符合,证明所采用的方法切实可行。在巷道顶部松散煤体的自热升温过程中,高温区域不断沿着巷道长度方向由进风口向里延伸,最高温度点不断向进风口移动。在巷道的横截面上,松散煤体中靠近巷道部分温度最低,其次是顶部区域,最高温度出现在中下部位置,而且高温区域不断向进风侧移动。讨论了通风量及孔隙结构参数取值对升温速率和发火期的影响。巷道顶部松散煤体自然发火的过程规律能够为现场的防灭火工作提供依据。首次对煤自燃过程中的位移和应力分布进行了求解。在煤自燃过程中,巷道顶部松散煤体不断向巷道内移动。随着升温速率变大,位移增大越来越快。松散煤体内的主应力以压应力为主,仅在松散煤体最下部很小范围内存在拉应力。主应力的数值随着温度的升高不断变大,第三主应力随着温度的升高增大速度远低于第一主应力。松散煤体最下部为最危险区域,首先发生破坏。在完成上述研究的过程中,本文存在以下几个创新点:(1)通过TGA-DTA-FTIR联用技术研究了煤从自热升温直至燃尽全过程的重量、热量、气体排放规律,得到了自燃过程中煤表面活性结构的反应过程。取得了煤自燃机理研究的新进展。(2)针对目前煤自燃数值模拟中许多孔隙结构参数设为定值或采用经验公式的问题,对煤自燃过程中的孔隙结构变化进行了研究,获得了孔隙结构参数孔隙率、比表面积、渗透率、渗透系数、分形维数等随温度的变化规律。煤自燃过程孔隙分形特征研究表明小孔隙的扩张速度比大孔隙快。这一结论与SEM能谱分析所得到的结论完全相同。证明了对煤中孔隙所做的分形研究的正确性。(3)构建了包括巷道顶部松散煤体和巷道在内的三维模型进行巷道顶部松散煤体自然发火数值模拟研究。巷道向松散煤体的漏风强度由巷道内部流场计算确定,避免了通常人为设定边界漏风风速或风压造成的误差,实现了巷道通风与巷道顶部松散煤体自然发火的直接关联。利用COMSOL软件实现了流场、温度场、传质场的三维耦合计算,获得了巷道顶部松散煤体自然发火多物理场瞬变过程,并首次进行了煤自燃过程中位移和应力分布的求解。(4)煤中孔隙大小不均匀,小到不足几nm,大到100000nm的孔隙皆有分布,目前还没有设备能够对如此大的孔径范围内的孔都进行准确量测。考虑到氮气吸附和压汞法各自的最佳测量范围及实验数据特点,对两个实验所得孔径分布数据在100nm处进行连接,通过联孔孔径分布图对孔隙结构进行研究,提高了数据的准确性。本文的研究工作取得了一些进展和成果,但还是存在许多不足之处,日后需要进行深入研究的工作还有很多:(1)煤的自燃特性参数放热强度是利用耗氧速率,CO和CO2的生成速率通过键能平衡法估算而来,今后应研究如何实现放热强度的直接测定,提高数据可靠性。(2)松散煤体自然发火数学模型中包含很多煤的物性参数,这些物性参数在煤自燃的过程中是不断变化的,但目前的数值模拟中还是有些参数设定为了常数或者采用了经验结论,进一步研究煤的物性参数在自燃过程中的变化规律有助于提高数值模拟的质量。(3)由于煤自燃多物理场耦合非常困难,在进行位移和应力场的求解过程中将煤体视为线弹性材料,今后应修正这一做法,最大程度减少模拟误差。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD752.2

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 秦跃平;宋怀涛;刘伟;许士民;辛学鹏;;煤粒分散度对遗煤自燃影响的试验研究[J];煤矿安全;2015年01期

2 周延;孟倩;李骏;林柏泉;徐聪;;采空区自燃带数值模拟方法研究[J];中国矿业大学学报;2014年06期

3 郝朝瑜;王继仁;马念杰;赵庆彪;王鑫阳;;水分润湿煤体对煤自燃影响的热平衡研究[J];中国安全科学学报;2014年10期

4 朱红青;沈静;王海燕;常明然;胡瑞丽;;氧气浓度与煤氧化特征关系的热重实验研究[J];煤矿安全;2014年05期

5 文虎;师吉林;翟小伟;孙维丽;许永刚;李雷;;大断面全煤巷高冒区自燃过程的三维数值模拟[J];西安科技大学学报;2012年05期

6 邓军;邢震;马砺;;多元回归分析在煤自燃预测中的应用[J];西安科技大学学报;2011年06期

7 谭波;左东方;;基于物元模型的煤自燃危险性分析[J];中国安全科学学报;2011年08期

8 李涛;张辛亥;吴康华;王楠;;煤低温氧化的红外光谱研究[J];价值工程;2011年21期

9 邓军;李夏青;张[?妮;王长安;;煤吸氧特性实验研究[J];煤矿安全;2011年06期

10 周沛然;王乃继;周建明;肖翠微;;热重分析法对不同粒度煤自燃过程特征温度的研究[J];洁净煤技术;2010年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 文虎;煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D];西安科技大学;2003年

，

本文编号：1309284