本文選題：煤田火區(qū) + 耦合力學(xué)�。� 參考：《西安科技大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：煤田火災(zāi)已成為全球性的災(zāi)難，我國煤田火區(qū)分布范圍廣、火災(zāi)程度嚴重，據(jù)初步調(diào)查，新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古等七個產(chǎn)煤大�。ㄗ灾螀^(qū)）現(xiàn)共有200多個煤田火區(qū)，火區(qū)總面積達720km2。露頭煤體經(jīng)自燃而發(fā)展為充分燃燒的火源，繼續(xù)往深部擴展，形成大面積煤田火區(qū)，這是一個復(fù)雜的多場耦合力學(xué)作用過程。本文圍繞煤田火區(qū)煤巖體裂隙場的形成及分布、氣體滲流的熱-流-固耦合力學(xué)角度開展研究，揭示煤田火區(qū)進一步往深部擴展的過程，主要研究內(nèi)容和成果如下： 煤田火區(qū)發(fā)展和演化過程：煤田火區(qū)煤體由于煤氧復(fù)合作用產(chǎn)生熱效應(yīng)，并具備蓄熱環(huán)境，當溫度達到著火點后，煤體開始燃燒，燃燒中心在持續(xù)供氧的條件下，，沿著煤層走向往深部擴展，同時，高溫致使煤巖體形成熱破壞裂隙，燒過后的煤層形成燒空區(qū)，引起上覆巖層垮落形成大范圍的裂隙場，在熱力風(fēng)壓的作用下，裂隙場為地表新鮮空氣向火區(qū)供氧提供了輸運通道，維持煤體的燃燒，同時又為燃燒中心釋放的氣體和熱量向大氣環(huán)境排放提供了暢通路徑，如此形成一個循環(huán)的過程，解釋了煤田火區(qū)煤體燃燒中心進一步往深部發(fā)展的規(guī)律。 采用μCT225FCB型高精度顯微CT掃描系統(tǒng)，實驗研究了煤巖體的熱破壞裂隙擴展及分布規(guī)律。在無煙煤試樣從常溫至600℃的升溫過程中，實驗結(jié)果表明：隨著溫度升高，煤樣從200℃時開始形成裂隙，并逐漸增多、加寬、擴展，并得出無煙煤試樣的熱破裂閾值為300℃；而泥巖試樣從常溫至600℃熱處理后基本上沒有形成明顯的裂隙，其外觀表現(xiàn)為顏色變淺，形狀變得不規(guī)則。 建立了煤田火區(qū)煤巖體破壞的熱-固耦合數(shù)學(xué)模型，基于泛函分析理論，將現(xiàn)有的有限元模型從二維擴展至三維，得到了三維環(huán)境下的控制方程。采用數(shù)值方法，研究了煤田火區(qū)煤巖體熱破裂隨溫度的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著溫度升高，煤體、巖體、煤巖組合體的熱破裂率增大，在同樣的溫度值范圍內(nèi)，煤體的熱破裂率大于巖體，煤巖組合體的熱破裂率表現(xiàn)出階段性變化，其主要出現(xiàn)在煤巖的交界面處。煤樣過300℃后發(fā)生熱解反應(yīng)，在325℃時其熱破裂率達23.302%，而巖樣在320℃時為12.992%，煤巖組合體在300℃時就達到12.6258%，并在交界面處發(fā)生熱破壞。 采用MTS815.02測試了煤樣、巖樣在單軸、三軸、溫度作用下的三軸全應(yīng)力應(yīng)變過程，得到了相應(yīng)的峰值應(yīng)力值、峰值軸向應(yīng)變值和峰值側(cè)向應(yīng)變值。分析顯示在圍壓的作用下，煤樣、巖樣的峰值應(yīng)力值有所增加，但在溫度作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響下又有所降低。另外，還進行了煤樣的全應(yīng)力應(yīng)變過程滲透特性測定，得出了Darcy流滲透率、非Darcy流滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù)。結(jié)果表明實際流動與Darcy流差異大，非Darcy流的滲透率比Darcy流的滲透率低，壓力梯度較大，容易出現(xiàn)滲流失穩(wěn)。在煤田火區(qū)煤巖體中，燃燒中心往前推移，其附近煤巖體受到高溫?zé)釕?yīng)力和圍巖應(yīng)力的共同作用下，大多處于峰后應(yīng)力狀態(tài)，而在煤巖體和燒空區(qū)之間形成較大的壓力梯度，由于煤體燒過后引起圍巖壓力加大，加之燃燒中心引起的較大的高溫?zé)釕?yīng)力，使其發(fā)生滲流失穩(wěn)的可能性增大。 建立了煤田火區(qū)煤巖體裂隙場滲流的熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合烏達煤田火區(qū)實際，采用有限元方法數(shù)值模擬和分析了煤田火區(qū)熱-流-固的耦合過程，得出了煤田火區(qū)煤體燃燒中心發(fā)展推進至不同位置時的剪應(yīng)力場、主應(yīng)力應(yīng)變場、位移場、溫度場分布規(guī)律，當煤體燃燒中心往深部發(fā)展到72～78m之間時發(fā)生斷裂破壞，形成上覆巖層大面積垮落裂隙場，此時的垂直方向最大位移為0.157m；同時分析了煤田火區(qū)煤巖體流場分布，主要包括：氧氣濃度場、滲流速度場和壓力場。
[Abstract]:The fire area of coalfield has become a global disaster , the fire area of coalfield in China is wide and the fire degree is serious . According to the preliminary investigation , there are more than 200 coalfield fire areas in Xinjiang , Gansu , Qinghai , Ningxia , Shaanxi , Shanxi and Inner Mongolia .

The development and evolution of coalfield fire area : The coal body of coalfield fire area generates heat effect due to coal oxygen recombination , and has the heat storage environment . When the temperature reaches the ignition point , the coal body starts to burn .

The thermal damage crack growth and distribution law of coal rock mass were studied by using 渭CT225 FC type high precision microCT scanning system . The experimental results show that as temperature increases , the coal sample begins to form fracture at 200 鈩

本文編號：2072761