【摘要】：我國(guó)現(xiàn)有煤田火區(qū)200多個(gè),其中北方7省火災(zāi)總面積已經(jīng)達(dá)到720km2,煤田火災(zāi)嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,造成珍貴煤炭資源的燒失和凍結(jié)。為保障煤炭安全開(kāi)采,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,開(kāi)展煤田火區(qū)形成機(jī)理與識(shí)別方法研究具有十分重要的意義。煤田火區(qū)形成與演化是在溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用下由淺部向深部發(fā)展的循環(huán)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。本論文以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ),結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法,根據(jù)火區(qū)煤氧化自燃特性及上覆巖層熱力耦合特性,研究了煤田火區(qū)火源中心形成與識(shí)別方法,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:通過(guò)煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn),研究了火區(qū)煤樣在低溫氧化階段的放熱強(qiáng)度、升溫速率、耗氧速率、特征溫度、最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了最高溫度點(diǎn)與時(shí)間、煤樣放熱強(qiáng)度、煤樣耗氧速度、CO、CO2產(chǎn)生率與溫度的函數(shù)關(guān)系,其中放熱強(qiáng)度與溫度服從指數(shù)關(guān)系。通過(guò)TG、DTG和DSC實(shí)驗(yàn)研究了火區(qū)煤樣熱分解和燃燒階段特性及發(fā)生發(fā)展的過(guò)程機(jī)理,得出氧化升溫期間煤樣質(zhì)量隨溫度變化服從Boltzmann曲線。采用MTS815.02電液三軸伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)火區(qū)煤巖試件從常溫升至600℃過(guò)程中的力學(xué)特征曲線進(jìn)行了研究。溫度升高超過(guò)400℃后,峰值應(yīng)力最大值從29.95MPa降到了15.65MPa,峰值應(yīng)變?cè)黾?7%;溫度從250℃升至400℃,彈性模量的下降幅度超過(guò)90%;巖樣隨溫度從室溫升至600℃的過(guò)程中產(chǎn)生裂隙形成供氧通道。通過(guò)CT掃描獲取了不同溫度下煤巖樣的二維斷面圖,分析了煤巖樣在熱應(yīng)力作用下的圖像特點(diǎn),擬合得出煤巖體各物理參數(shù)(應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、泊松比)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。自主研發(fā)了煤田火區(qū)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程多參數(shù)正交試驗(yàn)相似模擬平臺(tái),基于該平臺(tái)模擬研究了火區(qū)在不同供風(fēng)量、上覆巖層厚度、煤層厚度、燃燒深度和加熱速率因素及不同水平下的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,對(duì)結(jié)果進(jìn)行了因素敏感性分析。在A-A測(cè)試層,垂直位移量最大為0.46m,應(yīng)力最大為24MPa;應(yīng)變?cè)谌紵婧笞兓^明顯,最大值為0.15。在B-B測(cè)試層,垂直位移量最大為0.5m,應(yīng)力最大為19MPa,應(yīng)變最大為0.067。在C-C測(cè)試層,應(yīng)力、應(yīng)變、垂直位移量在燃燒深度為0.8m、煤層厚度為0.3m時(shí)變化最大,分別為32MPa、0.095和0.095m。煤層厚度和燃燒深度對(duì)應(yīng)力和垂直位移影響最大。依據(jù)原型尺寸對(duì)火區(qū)溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)態(tài)ODEs方程直接耦合,模擬了二維多場(chǎng)耦合條件下火區(qū)發(fā)展演化規(guī)律,在模擬時(shí)間達(dá)到400小時(shí)后,滲透率最大值從2.3226×10-10m2增加到9.0579×10-10m2,最小值從1.1724×10-10m2增加到4.0959×10-10m2;孔隙率的最大值從0.3667增加到0.4634,最小值從0.3581增加到0.3822。以CT掃描所得的火區(qū)裂隙圖片為基礎(chǔ)建立了抽象化的三維模型,分析了火區(qū)在溫度、化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等多場(chǎng)條件下的動(dòng)態(tài)耦合演化過(guò)程。von Mises等效主應(yīng)力峰值達(dá)到60.392MPa,第一主應(yīng)力的拉應(yīng)力最大為23.5MPa,位移場(chǎng)的最大值為-3.2429×10-7m,負(fù)值表明燒空區(qū)發(fā)生下沉,這是由于火區(qū)煤燃燒前后體積變化較大,形成了燒空區(qū),上覆巖層產(chǎn)生垮落裂隙。通過(guò)火源中心溫度紅外成像測(cè)定實(shí)驗(yàn),研究了火源中心溫度場(chǎng)向地表傳播的規(guī)律�；鹪粗行南虻乇韨鬟f過(guò)程持續(xù)4小時(shí)后,表面最高溫度比1小時(shí)的最高溫度升高近20℃;持續(xù)8小時(shí)后表面最高溫度升高程度開(kāi)始減少,持續(xù)32小時(shí)后,地表最高溫度點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定。當(dāng)火區(qū)火源中心的燃燒狀態(tài)為線性時(shí),表面溫度場(chǎng)以最高溫度為中心呈橢圓形狀分布,火源中心溫度與表面溫度場(chǎng)存在相關(guān)性。提出了火區(qū)燃燒狀態(tài)的“四區(qū)”理論及定量劃分標(biāo)準(zhǔn)�；饏^(qū)燃燒狀態(tài)按照危險(xiǎn)程度由低到高依次劃分為:若0≤Fc1/243,則為安全穩(wěn)定區(qū);若1/243≤Fc1/32,則為火區(qū)警戒區(qū);若1/32≤Fc1,則為火區(qū)危險(xiǎn)區(qū);若Fc≥1,則為燃燒中心區(qū),并給出了判定步驟和顏色標(biāo)識(shí)規(guī)范。對(duì)火區(qū)煤自燃危險(xiǎn)度概率函數(shù)進(jìn)行了廣義推廣,給出了具有任意多個(gè)因素的煤田火區(qū)狀態(tài)判定條件。
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【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD75
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本文編號(hào)：2311065