煤田火区非稳态温度场的数值模拟研究

发布时间：2019-05-11 21:29

【摘要】：我国是世界上煤火灾害最为严重的国家,煤田火灾不仅烧毁大量煤炭资源,影响煤田开发,还产生大量有毒有害物质,污染环境、破坏生态。煤田火区的发生和发展是一个动态变化过程,构建描述煤田火区演化特征的数学模型,分析煤田火区非稳态温度场的演化规律,有助于深化对煤火发展规律的认识,为有针对性地制定防灭火措施提供理论支撑。采用TG-DSC同步热分析仪对某火区煤样不同氧浓度下从低温氧化、高温燃烧直到燃尽的全过程进行了测试,利用q/m法和C-R法对煤样不同反应阶段的活化能和指前因子随温度和氧气浓度的变化进行了分析,得到了煤的反应速率、燃尽时间与温度、氧气之间的关系,建立了体现煤田火区贫氧特性的煤的氧化-燃烧反应模型。从煤田火区多场耦合关系和非稳态特征两方面分析了煤火演化特征,结合实验得到的煤氧化-燃烧反应模型,对已有的煤火数学模型进行了完善,建立了包括热-流-固-化各场控制方程和主要参数耦合关系的煤田火区多场耦合数学模型。基于以上建立的数学模型,以新疆某缓倾斜煤层火区为例,数值模拟了该火区的发生、发展过程,并对火区各阶段温度场的时空演化规律进行了分析,结果表明：遗煤在经过初期较长时间的低温氧化升温后,局部区域聚热形成高温区,该区域煤的耗氧速率大幅增大,发展到一定程度后,该高温区煤的反应受供氧量的控制；此后,高温区将维持在某一相对稳定的状态下逐渐向迎风侧移动,当靠近进风口时,温度快速升高,达1000℃以上；在高温区燃尽后,燃烧煤层逐步向深部发展,最高温度维持在1000℃上下；火区发展过程中围岩温度异常区呈椭圆形分布,以燃尽区为主,高温燃烧中心位于椭圆的右焦点附近,燃烧前方温度异常相对较弱,顶板岩层温度异常相对燃烧中心的位置存在相对滞后的趋势。探讨了不同地表裂隙宽度对火区地表裂隙覆盖降温效果的影响。在不考虑覆盖后热力作用导致火区产生新的进、出风通道的情况下,当火区进风裂隙宽度较小时,通过覆盖火区地表出风裂隙就能够很好的控制火区的发展；当进风裂隙宽度较大时,仅覆盖地表出风裂隙,进风裂隙中会形成循环流,循环流提供的氧气使火区继续扩展,此时需进风与出风口同时覆盖才能达到控制火区发展的目的。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD752.2

【参考文献】

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本文编号：2474868