煤堆自燃过程的数值模拟

煤炭自燃火灾严重影响煤炭的安全生产和储藏。本文建立了二维煤堆自燃过程的热流方程和氧气传输方程,对煤堆的自燃过程进行了数值模拟,探明了煤堆温度随时间的变化规律,分析了煤堆的不同堆放方式对煤堆传热与燃烧的影响。为煤堆自燃过程的研究提供了理论基础。     

煤低温氧化自热模拟研究

针对煤低温氧化实验装置系统，在煤样平均粒度为20 mm、装填系数为075～085、空气流速为10 cm/min、相对湿度为80%～85％的条件下进行了3个煤样的实验测试；并根据热力学与传热传质学理论，遵循能量守恒定律和质量守恒定律，建立了描述煤低温氧化自热的数学模型。数值解算结果与实际试验结果得到了较好的验证，表明该模型可以用来模拟煤低温氧化自热过程，对煤自然发火期进行预测。     

基于移动坐标的采空区自然发火模型研究

通过对采空区内遗煤自然发火过程的分析,利用质量守恒定律和达西定律建立了采空区气体流动的流场模型,利用质量守恒和菲克定律建立了采空区内的氧浓度场模型,根据能量守恒建立了采空区内浮煤的温度场模型,以上3个模型联立即为采空区自然发火模型.根据采空区动态移动的特点,通过引入移动坐标系建立了移动坐标下的采空区自然发火模型,简化了自然发火模型求解.利用有限差分法对模型进行了数值求解,编制了解算软件.以山东古城煤矿2108综放工作面为例进行了采空区自然发火模拟,得出了工作面实际生产条件下采空区内温度分布,并与实际观测结果进行了对比分析,模拟结果与实际观测结果基本一致,从而验证了该自燃模型的正确性.     

煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。     

综放工作面采空区煤自燃过程的动态数值模拟

综放工作面采空区浮煤自燃主要取决于浮煤厚度，氧浓度，漏风强度，工作面推进速度和自燃发火期5个参量，工作面正常生产时，采空区自燃三带处于一个动态的稳定状态。根据综放工作面采空区自燃发火特点，将松散煤体自燃发火数学模型简化，建立了综放工作面采空区湿度变化的动态数学模型，用计算机动态模拟采空区浮煤自在升温过程，对时反映采空区温度分布状态及其动态变化规律，对采空区浮煤自然危险性进行超前预测，指导综放工作面的安全生产。     

煤特征放热强度的实验研究

通过煤自燃程序升温实验,测定出煤体的耗氧速度、CO和CO2的产生率,采用键能平衡法推算煤体的最大和最小放热强度,并通过与相关大型煤自然发火实验结果的关联分析,建立了煤体实际放热强度与最大和最小放热强度的函数关系,提出了表征煤体低温氧化放热性且仅与煤体破碎程度和氧气浓度有关的综合指标——特征放热强度.然后根据不同粒度和入口氧气浓度不同条件下程序升温实验的结果分析,得出表征煤体自燃性的强弱——煤体特征放热强度与粒度和入口氧气浓度的实验关系式,从而为定量判定不同条件下煤体自燃性的大小提供理论依据.     

煤粉颗粒团燃烧过程的数值模拟

煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧,颗粒内部传热传质机理复杂。本文根据多孔介质的传热传质学理论,引入对流项,建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型,并对不同孔隙率的煤粉团的燃烧过程进行了对比计算,计算结果合理,揭示了孔隙率对煤粉团着火燃烧的影响,为深入研究煤粉团燃烧特性打下基础。     

CO涌出预测数学模型的应用

对于实验室煤样低温氧化实验条件和现场工作面采空区实际既定通风与工作面几何参数条件,可以利用相似准则,建立基于实验条件下采空区CO涌出预测的计算数学模型,并把模型应用到现场工作面。采空区遗煤自燃与采空区漏风量有关,通过FLUENT软件对北皂矿4402工作面采空区漏风流场进行数值模拟,解算出造成采空区遗煤自燃的那部分漏风量,为应用模型较准确的推出现场采空区CO涌出预测的指标范围提供了条件。     

采煤工作面顺槽煤炭自燃危险性评估

根据采煤工作面顺槽煤炭自燃的特点 ,结合矿井火灾评价指标 ,建立了工作面顺槽煤炭自燃危险性的多级多层次评估因素集。运用模糊数学的理论和方法 ,建立了煤炭自燃评估指标特征值、隶属函数及权重的确定方法。根据模糊综合评价原理提出了煤炭自燃危险性的模糊评估模型 ,并应用此模型对某矿采煤工作面顺槽煤炭自燃危险性进行了评估     

基于SEM的矿井煤自燃危险性综合评价研究

为确定多因素耦合对煤自燃危险性的影响程度，结合系统工程原理构建煤自燃危险性影响因素的结构方程模型，并基于该模型对煤自燃危险性进行综合评价。通过文献研究，综合煤自燃事故的特点，基于系统工程理论，确定影响煤自燃的危险性因素，建立评价煤自燃危险性的指标体系，构建结构方程模型，确定了各指标的权重，并根据指标体系对宁夏某矿井煤自燃危险性进行综合评价。评价结果和煤矿实际煤自燃危险性程度相一致，说明该模型可以用于矿井煤自燃危险性的综合评价。     

采空区流场及氧浓度场模型分析及数值模拟研究

采空区自然发火是多场耦合作用的复杂过程，研究流场及氧浓度场模型是进行采空区高温预测预报的前提。首先建立了动坐标下流场及氧浓度场的数学模型，然后研究了模型的无因次形式，并定义了无因次压力、无因次速度、无因次氧扩散系数、无因次耗氧速度系数等无因次准则。通过分析可得，遗煤厚度是采空区氧浓度场的重要影响因素。最后通过数值模拟得到不同遗煤厚度下氧浓度场的分布图，进而得出随着遗煤厚度减小氧气在采空区的分布更广的结论。     

顶板巷瓦斯抽采诱导煤自燃机制及安全抽采量研究

在统计分析顶板巷瓦斯抽采在国内使用情况的基础上,为了协调顶板巷瓦斯抽采与煤自燃的关系,立足解决顶板巷瓦斯抽采诱导煤自燃问题,以耿村矿为例,通过顶板巷气体成分及采空区温度的实测分析,证实了顶板巷瓦斯抽采诱导采空区漏风及自燃的发生。通过数值计算及理论分析,识别了顶板巷瓦斯抽采下的漏风通道存在形式以及漏风动力构成,揭示了顶板巷瓦斯抽采诱导遗煤自燃的作用机制。提出了安全抽采量的概念,基于质量守恒,以风排瓦斯及采空区氧化带宽度为约束指标,建立了安全抽采量数学模型。通过对模型的检验,验证了安全抽采量模型的正确性和有效性。     

Numerical simulation of nitrogen injection of goaf in fire prevention based on Finite Volume Method

The numerical simulation is used to research the influence of nitrogen injection on spontaneous combustion in goaf. The spontaneous combustion mathematical model on the coupling of air flow field, oxygen concentration field, and residual coal temperature field was established with nitrogen injection in goaf. Then the software of numerical computation was programmed by Finite Volume Method. Combined with the example, the distributions of air flow field, oxygen concentration field and residual coal temperature field at different nitrogen injection volume were obtained by the software. The results show that the nitrogen injection could effectively prevent the spontaneous combustion fire in goaf and the highest temperature in goaf decreased with the nitrogen injection volume increasing. Finally, the accuracy of the numerical simulation was verified by the temperature observation in field. The achievement of this research is of theoretical and practical significance for the prevention of coal spontaneous combustion in goaf.     

煤层自然发火潜伏期的实验研究

以煤氧复合作用的化学吸附热和化学反应热作为煤自燃升温的主要热源,建立了煤层自然发火潜伏期解算的实验方法和数学模型,并进行了实际解算。解算结果能较好地解释煤自然发火过程中的一些现象,有较高的可信度。     

高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应

基于高瓦斯易自燃煤层高位巷道瓦斯抽采技术条件下,以研究煤自燃形成机理为切入点,依据义马煤业集团耿村矿13190工作面自然发火实际情况,通过理论分析,数学建模及现场辅助测试,对煤岩裂隙发育漏风通道模式、采空区浮煤碎胀特性、漏风动力源展开研究,发现巷道瓦斯抽采,增加了高瓦斯易自燃煤层的自燃风险,主要体现在:1)造成工作面、采空区及抽放巷道端口间存在漏风通道及动力;2)采动应力及抽采巷道松动圈造成采空区煤岩裂隙充分发育,采空区浮煤压实程度降低,浮煤碎胀性增加,有利于煤自燃蓄热;3)采空区浮煤一旦氧化,造成采空区高温点与漏风通道间存在温度梯度,从而形成的内生火风压,加剧采空区破裂浮煤的自燃进程,诱导采空区浮煤自燃发生。     

基于神经网络的自然发火危险性评价与预测

对采空区煤炭自然发火进行了危险性评价,从自然发火条件入手,建立采空区自然发火事故模型,确定采空区发火现状危险等级为C级,较危险;利用采空区已有的自然发火预测指标建立BP神经网络的时间序列预测模型,对未来该采空区有无发火危险进行了预测,确定未来采空区发火可能性大小.结果表明:运用BP神经网络的时间序列预测模型对煤炭自然发火进行预测,采空区自然发火处于"有发火危险"程度,发火危险性较大,因此应做好采空区火灾预防工作.     

Experimental simulation and numerical analysis of coal spontaneous combustion process at low temperature

The characteristic of coal spontaneous, combustion includes oxidative property and exothermic capacity. It can really simulate the process of coal spontaneous combustion to use the large-scale experimental unit loading coal ! 000 kg. According to the field change of gas concentration and coal temperature determined through experiment of coal self-ignite at low temperature stage, and on the basis of hydromechanics and heat-transfer theory, some parameters can be calculated at different low temperature stage, such as, oxygen consumption rate, heat liberation intensity. It offers a theoretic criterion for quantitatively analyzing characteristic of coal self-ignite and forecasting coal spontaneous combustion. According to coal exothermic capability and its thermal storage surroundings, thermal equilibrium is applied to deduce the computational method of limit parameter of coal self-ignite. It offers a quantitative theoretic criterion for coal self-ignite forecasting and preventing. According to the measurement and test of spontaneous combustion of Haibei coal, some token parameter of Haibei coal,spontaneous combustion is quantitatively analyzed, such as, spontaneous combustion period of coal, critical temperature, oxygen consumption rate, heat liberation intensity, and limit parameter of coal self-ignite.     

凸包形仿生非光滑表面的脱附性能研究

分析了臭蜣螂体表的凸包形非光滑结构,建立了单一凸包的数学模型并将其进行了简化,建立了凸包形非光滑表面的三维模型。采用正交多项式回归分析的方法进行黏煤量的试验,根据煤炭试样的情况及加工的方便,确定了试验的取值范围,得到了球冠高度、球冠体投影直径和中心距与黏煤量之间的回归方程;通过分析,得到黏煤量与3个试验因素之间的关系,最后对回归方程进行了优化分析,得出了三因素在试验范围内的最优值。     

浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域判定

根据安家岭一号井工矿4106工作面的实际情况,采用现场实测与数值模拟相结合的方法对该浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域进行了研究,以采空区松散煤体气流微循环非线性渗流模型、采空区松散煤体温度分布数学模型和采空区松散煤体内氧气迁移模型为基础,建立了基于FLUENT的采空区氧浓度分布三维数学模型,模拟结果与现场实测数据基本吻合,为准确划定浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域提供了新的技术手段。最后,根据采空区自燃危险区域范围确定了上隅角预埋管灌注三相泡沫与下隅角预埋管注氮气交替实施的防灭火工艺,实施效果良好。     

煤矿火区管治中采场调压数学模式的作用分析

基于工作实践,分析了煤矿火区管治中采场自然发火的充分必要条件,并着重介绍了调压数学模式在煤矿火区管治中的作用,描述具体的发火预防措施以及具体的发火治理措施。调压数学模式能够确定采场自然发火的可能性,预测采场自然发火的位置。