流热耦合作用下组合岩体等效导热系数研究

针对存在裂隙和流体的组合岩体,采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法,基于传热学和热动力学的基本原理,综合考虑不同性质岩石的传热和裂隙流体的对流换热,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;采用有限元数值模拟方法,随机模拟岩石的孔隙结构,建立了孔隙分别被空气和水充填时,岩石等效导热系数的统一经验方程;通过对裂隙流体与岩体对流换热系数的实验测试,给出了对流换热系数随与流速和温差的关系;综合分析了裂隙和流体对组合岩体导热性的作用,在低流速和小温差条件下,对流换热阻较小,裂隙宽度和流体导热性对岩体导热系数的影响较大;在高流速和大温差条件下,对流换热阻逐渐超过裂隙流体的热阻,组合岩体导热系数明显增大。     

松散煤体导热系数影响因素分析

导热系数是研究煤自燃中的一个重要基础参数,能够获得比较准确的导热系数,对煤炭自燃火源定位等的研究将有很大的帮助.松散煤体为松散多孔介质,对于松散多孔介质,导热系数的影响因素很多,除了煤体本身的性质以外,还受环境因素和传热方式等的影响,本文在实验的基础上,系统分析了松散煤体导热系数的影响因素.     

基于FLUENT的采空区流场数值模拟

研究使用FLUENT进行采空区数值模拟多孔介质渗透率确定方法时,引入通风阻力定律验证所建三维模型。分别从x、y、z 3个方向总结分析采空区垮落煤岩体碎胀系数,确定采空区孔隙率和渗透率三维连续分布函数。将采场空间作为一个与采空区渗透系数不同的多孔介质区域,建立更加准确的工作面—采空区连续流场数学模型。引入通风阻力特性,对比数值模拟与现场实测压差、风量验证所建阻力系数模型。以沙曲矿14204综采工作面为背景,结合现场实测参数进行数值模拟验证,结果表明该模型是可靠有效的。     

煤岩组合体冲击倾向性的RFPA~(2D)数值模拟

通过对不同岩石组成的煤岩体在不同煤岩高度比例和不同组成倾角条件下的数值模拟,探讨不同因素对煤岩体冲击倾向性的影响。模拟结果表明,煤岩体中岩石强度越高,试样的强度随着岩石高度比例的增加增长得越快,组合试样的弹性模量也越高。煤岩体的冲击能量指数随着煤岩组合体间角度的增大而减小,并且随着倾角的增加,石灰岩煤组合体和粉砂岩煤组合体峰后塑性变形明显。     

采场应力变化模拟分析

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩体介质的非均匀性等特点及煤岩体破裂过程中煤岩体变形和瓦斯压力之间的耦合作用,建立了煤岩破裂过程气固耦合作用的RFPA2D-GasFlow模型,对含瓦斯煤岩体和不含瓦斯煤岩体开采过程中应力场的变化进行了对比研究。结果表明,随着开采的进行,采场煤岩体中的应力场在不断发生变化,应力峰值随开采的进行不断向工作面前方转移,而且其值也在不断变大,峰值增加的幅度及工作面前方的应力梯度随开采的进行逐渐增大。     

不同变质程度煤导热系数试验分析

煤自燃不仅严重威胁着矿井的安全生产,甚至会引发火灾事故造成资源浪费和人员伤亡。煤岩体之间的热传导是引起煤自燃的关键因素之一,因此对煤岩体的传热能力开展研究是很有必要的。煤的导热系数是判定煤岩热传导能力的重要参数。在本研究中,为了分析不同变质程度煤的导热系数,探究温度和含水量对煤样导热系数的影响,在不同环境温度和含水量情况下分别测试了焦煤、长焰煤、褐煤、无烟煤和不黏煤这5种不同变质程度的煤样。采用LFA457型激光导热仪对这几种不同变质程度煤样的导热系数进行了测定。此外,应用Pearson相关系数法分析了不同煤质指标对煤样导热系数的影响规律。试验结果表明:煤样的导热系数与其变质程度呈负相关,即随变质程度的增加而逐渐减小;当温度为-50～10℃时,煤样的导热系数随着温度升高而显著升高;在10～50℃时,煤样的导热系数呈现出先缓慢增大最后趋于平稳的趋势;煤样的变质程度越低,其含水量对导热系数的影响越大; Pearson相关系数法的分析结果表明煤质指标对煤样导热系数影响的重要程度依次为灰分、固定碳、挥发分和水分。该试验研究有助于了解不同变质程度煤导热系数的影响因素及变化规律,并可进一步为煤火灾害的防治工作提供一定的理论基础。     

冒落带非均质模型对采场流动传热计算的影响

在采动影响下,采场冒落带内碎岩和遗煤呈现出初始冒落到不断被压实的非均质状况。为了更准确地模拟采场流动换热状况,本文将孔隙率和渗透率视为在二维空间内不均匀分布的连续变量,并建立相应的计算模型。基于多孔介质流动传热模型对典型U型采场流场与温度场进行数值模拟和实测对比。通过给出不同孔隙率模型下的计算结果,表明采空区冒落带的孔隙率分布模型对采场内流动传热模拟结果有较大影响。采用冒落带孔隙率二维连续非均匀模型后,工作面采空区侧的各点温度模拟与实测值相差<0.5℃,因而其结果更符合实际。     

渗流作用下陷落柱温度场分布特征数值模拟

为了揭示渗流作用下煤矿陷落柱内部温度场的分布特征,基于多孔介质岩体渗流与传热学等理论,建立了陷落柱渗流-温度场耦合数学模型。以某煤矿II51陷落柱作为数值模拟原型,深部奥灰水为高温热源,得到了不同渗透率条件下,渗流速度与温度场在陷落柱内部空间分布特征。结果表明:随着渗透率增加,陷落柱内部渗流速度变大,使得高温异常区扩散范围也随之变大;渗流作用对陷落柱垂向上的温度场影响要强于水平方向上,同时陷落柱内部温度梯度值低于正常围岩区地温梯度值;在水平方向上距离陷落柱边界越近,温度递增现象越明显。在距陷落柱50 m范围内,温度差值可达2~8℃,由此认为通过温度来进行陷落柱的预测预报具有可行性。     

渗流作用下陷落柱温度场分布特征数值模拟北大核心

为了揭示渗流作用下煤矿陷落柱内部温度场的分布特征,基于多孔介质岩体渗流与传热学等理论,建立了陷落柱渗流-温度场耦合数学模型。以某煤矿II51陷落柱作为数值模拟原型,深部奥灰水为高温热源,得到了不同渗透率条件下,渗流速度与温度场在陷落柱内部空间分布特征。结果表明:随着渗透率增加,陷落柱内部渗流速度变大,使得高温异常区扩散范围也随之变大;渗流作用对陷落柱垂向上的温度场影响要强于水平方向上,同时陷落柱内部温度梯度值低于正常围岩区地温梯度值;在水平方向上距离陷落柱边界越近,温度递增现象越明显。在距陷落柱50 m范围内,温度差值可达2~8℃,由此认为通过温度来进行陷落柱的预测预报具有可行性。     

不同倾角煤岩组合岩石力学试验及破坏特征

薄煤层开采条件下多为煤层与岩层复合结构,为提供可靠的开采环境与支护稳定,深入研究煤岩体的岩石力学特征具有重要的意义.通过RMT-150C岩石力学试验机分别对煤岩接触面倾角0°,15°,30°,45°,60°进行一次单轴压缩试验,分析倾角不同的煤岩组合体强度和变形破坏特征.研究结果表明:煤岩组合体的破坏强度接近煤单体的抗压强度,破坏主要集中于煤体部位.对于倾角30°以下裂纹主要分布于煤体,岩体完整性较好.倾角45°以上出现拉剪破坏,裂纹贯穿煤岩体,煤体裂纹多而密集,而岩体出现深部裂纹.在煤体部分与岩体部分峰后破坏后发生明显的滑移现象,主要发生滑移破坏并伴随着拉剪破坏.此外煤体的累计环向应变高于岩体的累计环向应变,煤体的环向应变片破坏30 s左右后岩体开始发生破坏,因此岩体的破坏滞后于煤体.两者破坏整体不一致,具有不均匀性的特征.     

不同热效应时的瓦斯爆炸热冲击作用分析

管道内瓦斯爆炸的影响因素很多,热效应是其中之一,为此,本文通过LS-DYNA软件建立了瓦斯爆炸热冲击效应时的管道数值模型,设置了4种不同的导热系数,分析了不同热效应条件下管道受热冲击效应时的温度场分布、热应力分布情况以及管道热应力峰值和径向位移峰值。研究结果发现,瓦斯爆炸产生的热冲击效应在第一时间作用在管道内壁上,随后通过热传导,热辐射和热对流的方式向管道径向传热,管道的导热系数在一定程度上影响管道传热和应力场分布。随着导热系数的增大,管道温度场变化更大,其散热能力越强,管道内热应力峰值和径向位移峰值也随之增大。管道内热应力峰值和径向位移峰值也随之减小。     

[BMIM][BF4]对不同变质程度煤自燃热行为的影响研究

离子液体作为新型阻化剂可溶解破坏煤中活性基团,抑制煤氧化反应进程,从根本上达到阻化煤自燃的目的。但不同变质程度煤样微观结构不同,而且离子液体成本较高,因此,难以在煤自燃领域现场实施应用。基于此,考察了离子液体对不同变质程度煤自燃热行为特征的影响,且从经济性和实用性方面考虑,选用低浓度(质量分数为5%)1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])对褐煤、长焰煤、气煤以及1/3焦煤进行热重-差热联用(TG-DSC)实验和热物性参数测试实验,得出离子液体处理不同变质程度煤的特征温度、热效应及热物性参数变化规律。结果表明:离子液体延后了煤失重过程中的特征温度,提高了煤自燃过程中的初始放热温度和最大热释放速率温度,对最大放热速率以及放热量都有着明显的抑制效应,且抑制作用随着煤变质程度的升高而减弱,说明离子液体对于低阶煤效果较好;与原煤样相比,离子液体处理煤样的热扩散系数和导热系数较低,比热容则较高,说明离子液体降低了煤体之间热量传递的速度,增加了煤体温度上升所需的热量,弱化了煤体因温差传递热量的能力,对煤样的传热性能起到了抑制作用,并且煤的变质程度越低,抑制效果越明显。结果可为离子液体抑制煤自燃领域的推广及现场应用提供借鉴。     

高温矿井巷道风流对流换热相似实验研究

运用模型实验相似理论,推导出高温矿井巷道风流对流换热原型和模型之间的相似判据,建立了高温矿井巷道风流对流换热的实验系统。测量并分析了不同巷道壁温、不同入口风速以及入口温度对对流换热系数的影响;利用相关分析的方法,分析了巷道壁温、入口风速和巷道平均风流温度对对流换热系数的影响程度,得到各因素对对流换热系数影响程度,按从大到小的顺序为巷道平均风流温度、入口风速及巷道壁温;其中,巷道平均风流温度和入口风速均与对流换热系数呈正相关,而巷道壁温与对流换热系数呈负相关。基于对各影响因素的分析,得到了高温矿井巷道风流对流换热实验关联式,该关联式可以在实验范围内计算实际矿井风流的对流换热系数。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

Numerical simulation of excess-enthalpy combustion flame propagation of coal mine methane in ceramic foam

Based on the assumption of a local non-equilibrium of heat transfer between a solid matrix and gas,a mathematic model of coal mine methane combustion in a porous medium was established,as well the solid-gas boundary conditions.We simulated numerically the flame propagation characteristics.The results show that the flame velocity in ceramic foam is higher than that of free laminar flows;the maximum flame velocity depends on the combined effects of a radiation extinction coefficient and convection heat transf...     

新型矿井热害防治措施初探

提出一种新的矿井热害防治措施,并简要分析了其经济性和可行性。先在巷道围岩上覆盖一层隔热材料,再在这层隔热材料上安装换热袋,袋内有蛇形管道,管内以空气作为空气压缩制冷装置的工作介质,管外充适量水以增强降温效果。隔热材料的覆盖一方面增加了围岩导热热阻,减少围岩散热量,另一方面避免了换热袋直接贴在围岩上影响制冷效果。换热袋的设置进一步阻碍围岩散热的同时,降低对流换热系数,减少了对流换热量,冷却井下风流,并将高温围岩的热辐射转变成低温换热袋的热辐射。另外,同其它制冷剂相比,空气不仅质量轻、无毒害,不会产生新的问题,而且完全免费,大大降低了成本。     

采煤机摇臂齿轮固热耦合分析与齿廓修形

基于赫兹接触理论建立齿轮啮合力学模型,依据渐开线形成原理推导出滚动距离和滚动角变化规律,以牛顿冷却定律和傅里叶定律为理论基础,结合采煤机摇臂工作特性,对齿轮系统对流换热和摩擦热流量进行计算,在对流换热系数确定中综合考虑齿轮与润滑油,润滑油与箱体内壁,箱体外壁与外界空气的热传递特性,以Blok理论为基础,本体温度为初始温度,分析了齿轮表面闪温和接触温度随滚动距离及滚动角变化规律。采用Romax Design建立了采煤机摇臂齿轮传动系统模型,对惰轮轴齿轮副进行固热耦合分析,基于Romax微观几何修形理论对渐开线齿廓进行修形,分析了齿廓修形对温度场影响。结果表明:齿廓修形消除了赫兹接触应力瞬增现象,最大接触应力减少72 MPa,修形后高温区由齿顶和齿根向齿廓中部移动,改善了轮齿温度分布,最高温度降低31.4℃。为研究采煤机摇臂齿轮传动系统修形及优化提供了理论基础。     

大体积混凝土结构表面保温计算方法研究

从热量平衡原理出发,推导了直接以导热系数、表面散热系数和热量为热传导方程基本参数的温度场计算方程,据此修改了以导温系数为基本参数的温度场有限元计算程序RCTS,使之能够更合理地反映由多种热学性能的材料组成的复合结构的温度场,能模拟计算大体积混凝土结构任意部位在任意时段的表面保温效果。通过算例对比分析了等效表面散热系数法、等效厚度法、导热系数法、导温系数法在计算保温板保温效果方面的异同。计算结果表明,导热系数法与等效表面散热系数法的计算结果比较接近,而等效厚度法由于是等效表面散热系数法的近似处理,计算结果有一定的差异,但相差不大,而导温系数法往往得不到合理的结果。     

一种井下新型空气压缩人工制冷系统

以工程热力学与传热学的理论为基础，结合井下实际情况提出一种新型人工制冷系统。该制冷系统由一套空气压缩制冷装置及换热水袋组成，袋内有蛇形布置的空气管，工质空气在管内流动，并借助其他制冷装置完成工作循环。巷道围岩上覆盖一层保温隔热材料，换热水袋安装在这层保温材料之上。该系统不仅能通过井下风流与换热水袋的对流换热降低风流温度，而且有效阻隔了围岩散热，并将高温围岩与人体间的辐射换热转变成低温的换热水袋与人体间的辐射换热，因此制冷效果更好。制冷工质空气本身廉价且无毒害。