隨著煤炭開采范圍的不斷延伸,許多人口密集的城市和村莊的市政環(huán)境正在遭受采煤活動(dòng)的破壞,其中煤矸石的污染問題和采空區(qū)地表塌陷的問題一直是最嚴(yán)重的威脅之一。而井下充填煤矸石可為煤矸石提供消納空間,減少煤矸石壓占土地,是煤矸石利用的途徑之一;同時(shí)也可以減少地表沉陷,降低地表沉陷對(duì)地面市政基礎(chǔ)設(shè)施的破壞,是一舉兩得的解決辦法。井下煤矸石充填體處于多物理場(chǎng)的環(huán)境中。巷道通風(fēng)導(dǎo)致富氧鮮風(fēng)源源不斷地向矸石孔隙內(nèi)擴(kuò)散,引發(fā)矸石內(nèi)部黃鐵礦物的氧化放熱反應(yīng),釋放大量熱量;如果充填體的散熱量小于產(chǎn)熱量,就會(huì)不斷蓄熱升溫,直至到達(dá)矸石中可燃物的著火點(diǎn)而引發(fā)自燃現(xiàn)象。煤矸石充填體一旦發(fā)生自燃,后果不堪設(shè)想。為了深入研究井下煤矸石充填體的自燃問題,本文圍繞充填體在復(fù)雜多物理場(chǎng)條件下的耦合狀態(tài),進(jìn)行理論分析、數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬的研究。分析了煤矸石的自燃理論和自燃傾向性,提出全硫含量大于1.0%、熱值大于4.18MJ/kg是判斷煤矸石充填體自燃傾向性的內(nèi)因閾值條件,煤矸石破碎程度、充填速度和通風(fēng)狀況則是外因條件,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。研究了充填體的熱量傳輸機(jī)制,得到了充填體空氣流場(chǎng)、氧氣濃度場(chǎng)、固體溫度場(chǎng)和氣體溫度場(chǎng)... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：113 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

井下煤矸石充填體自燃問題提出的邏輯圖

1緒論13度和充填工作面作業(yè)速度對(duì)自燃問題的影響，為合理設(shè)計(jì)充填方案，提高煤炭資源采出率提供理論依據(jù)。1.5.2研究方法和技術(shù)路線在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，本文以資料收集、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等多種研究手段相結(jié)合，根據(jù)研究的內(nèi)容和目標(biāo)，主要運(yùn)用以下理論和方法：（1）試驗(yàn)方法：現(xiàn)場(chǎng)采樣、室內(nèi)測(cè)試評(píng)價(jià)煤矸石是否達(dá)到自燃閾值條件。（2）理論方法：利用理論分析煤矸石充填體多場(chǎng)耦合狀態(tài)控制方程，所用理論包括主要來(lái)源于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)學(xué)理論體系，包括科澤尼一卡爾曼方程、達(dá)西定律、伯努利方程、菲克擴(kuò)散定律、牛頓冷卻定律、傅里葉定律、能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律等。（3）數(shù)值模擬方法：使用多場(chǎng)耦合領(lǐng)域大型通用有限元軟件COMSOLMultiphysics進(jìn)行數(shù)值模擬和變化規(guī)律研究。（4）技術(shù)路線如圖1-2所示。圖1-2技術(shù)路線圖Figure1-2Technologyroadmap

2煤矸石充填體自燃理論及自燃傾向性研究19圖2-1破碎程度對(duì)煤矸石自燃的影響Figure2-1Theeffectofcrushingdegreeonspontaneouscombustionofcoalgangue（2）煤矸石充填工作面的充填推進(jìn)速度與采空區(qū)遺煤自燃溫度分布類似，煤矸石充填體內(nèi)部的溫度分布也呈現(xiàn)出“三帶”的分布特點(diǎn)。從充填工作面向巷道遠(yuǎn)端，依次為散熱帶、自燃帶、窒息帶。處于散熱帶的充填體，氧化反應(yīng)雖然可以進(jìn)行，但熱量不能積累；處于窒息帶的充填體，雖然具備蓄熱環(huán)境，但由于距離工作面較遠(yuǎn)，氧氣通透性差，導(dǎo)致也不能自燃；只有處于中間位置的自燃帶，才能同時(shí)滿足煤矸石自燃發(fā)火的外界條件。煤矸石充填工作面的充填推進(jìn)速度越快，發(fā)生自燃的范圍就越校這是因?yàn)槭沟贸涮铙w處于自燃帶的時(shí)間短于煤矸石自燃發(fā)火期，那么處于自燃范圍內(nèi)的充填體在尚未自燃之前就可以提前進(jìn)入窒息帶，從而杜絕了自燃現(xiàn)象的發(fā)生。（3）通風(fēng)狀況井下煤矸石充填巷道的通風(fēng)管理是自燃管理的重要因素。巷道風(fēng)量與風(fēng)速的關(guān)系如式（2-1）：fQSv（2-1）式中：fQ——通風(fēng)風(fēng)量，3m/sS——巷道斷面積，2mv——通風(fēng)風(fēng)速，m/s由此可見，通風(fēng)風(fēng)速直接決定了巷道的風(fēng)量。巷道風(fēng)速越快、風(fēng)量越大，充填體孔隙漏風(fēng)風(fēng)量越大，從而氧濃度越高，煤矸石的氧化反應(yīng)程度和自燃范圍隨之增大，不利于自燃發(fā)火的防控。但是，井下煤矸石充填巷道的自燃發(fā)火問題不同于地面煤矸石山，需要考慮井下瓦斯及有害氣體的積存問題，風(fēng)速不能過校充填工作面周邊瓦斯主要來(lái)源于巷道周邊煤壁、圍巖、以及煤矸石充填體的瓦斯解吸。查閱《煤礦安全規(guī)程》第101條可知，井下巷道充填工作面的風(fēng)速范圍宜在0.25m/s至4m/s之間。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號(hào)：3240847