本文關(guān)鍵詞：煤自燃特性與巷道松散煤體自燃三維多場(chǎng)耦合研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：在綜采放頂煤工藝的實(shí)施中,巷道沿煤層底部開(kāi)拓,頂部留有數(shù)米厚的煤層。頂煤抗剪性差,在巷道掘進(jìn)過(guò)程中容易產(chǎn)生變形、碎裂,形成松散煤體。巷道風(fēng)流中的氧氣很容易滲流進(jìn)入松散煤體,二者發(fā)生反應(yīng)并放出熱量。當(dāng)蓄熱條件良好時(shí),熱量不斷積聚發(fā)生自燃。巷道頂部松散煤體自然發(fā)火位置隱蔽,起火點(diǎn)常常僅有幾平方米,給防火工作帶來(lái)極大困難。研究巷道頂部松散煤體自然發(fā)火三維動(dòng)態(tài)過(guò)程意義重大。本文以棗泉礦為研究背景,采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)巷道頂部松散煤體的自然發(fā)火問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行熱重-差熱-傅里葉變換紅外光譜(TGA-DTA-FTIR)實(shí)驗(yàn)、升溫氧化實(shí)驗(yàn)、壓汞實(shí)驗(yàn)、氮吸附實(shí)驗(yàn),得到了煤自燃過(guò)程的質(zhì)量變化、熱量變化、氣體排放、孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,獲得了耗氧速率、放熱強(qiáng)度、比熱、孔隙率、滲透率、滲透系數(shù)等隨溫度的變化規(guī)律。構(gòu)建了包括巷道頂部松散煤體和巷道在內(nèi)的煤自然發(fā)火三維數(shù)學(xué)物理模型,利用實(shí)驗(yàn)所得動(dòng)態(tài)物性參數(shù),進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、傳質(zhì)場(chǎng)三個(gè)物理場(chǎng)的耦合計(jì)算,獲得了巷道頂部松散煤體自然發(fā)火多物理場(chǎng)瞬變過(guò)程,并對(duì)煤自燃過(guò)程中的位移和應(yīng)力分布進(jìn)行了求解。實(shí)驗(yàn)工作在為數(shù)值模擬提供參數(shù)的同時(shí)獲得了關(guān)于煤自燃的影響因素、煤孔隙結(jié)構(gòu)特征等有意義的結(jié)論,豐富了對(duì)煤自燃特性的認(rèn)識(shí)。主要研究?jī)?nèi)容列舉如下:(1)煤自燃的發(fā)生和發(fā)展包含化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程、熱量傳遞、質(zhì)量變化及多種有害氣體的排放,是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。通過(guò)對(duì)包括棗泉礦煤樣在內(nèi)的幾種煤進(jìn)行TGA-DTA-FTIR試驗(yàn),得到了煤的質(zhì)量、熱量、氣體排放在煤自燃過(guò)程中的變化規(guī)律,通過(guò)分析得到了煤表面活性結(jié)構(gòu)在煤自燃過(guò)程中所經(jīng)歷的變化,并為煤自燃數(shù)值計(jì)算提供了關(guān)鍵參數(shù):活化能與指前因子。研究發(fā)現(xiàn)煤在氧化過(guò)程各階段的質(zhì)量變化與熱量變化是相互對(duì)應(yīng)的,生成氣體的變化在后期滯后于前兩者的變化。各種氣體的釋放依賴(lài)于相關(guān)活性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性。活性結(jié)構(gòu)的總量是煤氧化放熱的決定性因素,而揮發(fā)分恰恰反映了活性結(jié)構(gòu)數(shù)量的多少,表征了煤氧化放熱的難易程度及反應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明煤的揮發(fā)分對(duì)氧化過(guò)程各階段的特征溫度、生成氣體的濃度、吸氧增重階段的放熱量與放熱速率、活化能等諸多方面影響顯著:揮發(fā)分?jǐn)?shù)值越大,各階段特征溫度值越低,生成氣體的濃度越高,放熱速率越高,低溫階段活化能越低。(2)對(duì)棗泉礦2號(hào)煤層煤樣進(jìn)行了升溫氧化實(shí)驗(yàn),得到了煤自燃特性參數(shù)耗氧速率、放熱強(qiáng)度,并利用DSC實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度煤的比熱數(shù)值。耗氧速率、放熱強(qiáng)度、比熱等均為煤自然發(fā)火數(shù)值模擬所需關(guān)鍵參數(shù)。(3)采用sem能譜分析、壓汞實(shí)驗(yàn)、氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)和分形理論對(duì)自燃過(guò)程中煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了由淺入深的研究,獲得了煤樣孔隙周?chē)亍⒆羁蓭卓讖健⒖紫堵�、比表面積、滲透率、滲透系數(shù)、孔隙分形維數(shù)等在煤自燃過(guò)程中的變化規(guī)律。sem能譜分析研究發(fā)現(xiàn),隨著分析點(diǎn)離孔隙的距離不斷增大,煤中碳元素含量逐漸增加,由此判斷煤自燃是從煤中孔隙開(kāi)始的。通過(guò)比較相同溫度不同大小孔隙周?chē)荚睾繑?shù)值,發(fā)現(xiàn)較小的孔隙邊緣氧化反應(yīng)進(jìn)行的較快。為了提高孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的精度,將氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的孔徑分布數(shù)據(jù)在100nm孔徑處進(jìn)行連接,通過(guò)聯(lián)孔孔徑分布圖對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)在煤自燃過(guò)程中煤的最可幾孔徑越來(lái)越大、孔隙率逐漸升高、比表面積先升高后降低、密度逐漸降低、滲透率和滲透系數(shù)先降低然后急劇升高,最后又降低。進(jìn)行了煤自燃過(guò)程中孔隙分形特征變化研究,發(fā)現(xiàn)煤的孔隙結(jié)構(gòu)在一定孔徑范圍內(nèi)具有自相似性,隨著溫度的升高,煤具有分形特征的孔隙半徑范圍越來(lái)越大,分形維數(shù)越來(lái)越大。即隨著溫度的升高,煤的孔隙結(jié)構(gòu)漸趨均勻,由此可知煤中小孔隙的擴(kuò)張速度比大孔隙快。這一結(jié)論和通過(guò)sem能譜研究所得的結(jié)論一致。證明了分形理論所做分析的正確性。(4)構(gòu)建了包括巷道頂部松散煤體和巷道在內(nèi)的煤自然發(fā)火三維數(shù)學(xué)物理模型。采用k-?湍流模型模擬巷道流場(chǎng),將湍流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為松散煤體中滲流的邊界條件。實(shí)現(xiàn)了巷道通風(fēng)與松散煤體自燃的直接關(guān)聯(lián)。利用實(shí)驗(yàn)所得動(dòng)態(tài)物性參數(shù),實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、傳質(zhì)場(chǎng)三個(gè)物理場(chǎng)的耦合計(jì)算,獲得了巷道頂部松散煤體自然發(fā)火的瞬變過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本符合,證明所采用的方法切實(shí)可行。在巷道頂部松散煤體的自熱升溫過(guò)程中,高溫區(qū)域不斷沿著巷道長(zhǎng)度方向由進(jìn)風(fēng)口向里延伸,最高溫度點(diǎn)不斷向進(jìn)風(fēng)口移動(dòng)。在巷道的橫截面上,松散煤體中靠近巷道部分溫度最低,其次是頂部區(qū)域,最高溫度出現(xiàn)在中下部位置,而且高溫區(qū)域不斷向進(jìn)風(fēng)側(cè)移動(dòng)。討論了通風(fēng)量及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)取值對(duì)升溫速率和發(fā)火期的影響。巷道頂部松散煤體自然發(fā)火的過(guò)程規(guī)律能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的防滅火工作提供依據(jù)。首次對(duì)煤自燃過(guò)程中的位移和應(yīng)力分布進(jìn)行了求解。在煤自燃過(guò)程中,巷道頂部松散煤體不斷向巷道內(nèi)移動(dòng)。隨著升溫速率變大,位移增大越來(lái)越快。松散煤體內(nèi)的主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,僅在松散煤體最下部很小范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力。主應(yīng)力的數(shù)值隨著溫度的升高不斷變大,第三主應(yīng)力隨著溫度的升高增大速度遠(yuǎn)低于第一主應(yīng)力。松散煤體最下部為最危險(xiǎn)區(qū)域,首先發(fā)生破壞。在完成上述研究的過(guò)程中,本文存在以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):(1)通過(guò)TGA-DTA-FTIR聯(lián)用技術(shù)研究了煤從自熱升溫直至燃盡全過(guò)程的重量、熱量、氣體排放規(guī)律,得到了自燃過(guò)程中煤表面活性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)過(guò)程。取得了煤自燃機(jī)理研究的新進(jìn)展。(2)針對(duì)目前煤自燃數(shù)值模擬中許多孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)為定值或采用經(jīng)驗(yàn)公式的問(wèn)題,對(duì)煤自燃過(guò)程中的孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究,獲得了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)孔隙率、比表面積、滲透率、滲透系數(shù)、分形維數(shù)等隨溫度的變化規(guī)律。煤自燃過(guò)程孔隙分形特征研究表明小孔隙的擴(kuò)張速度比大孔隙快。這一結(jié)論與SEM能譜分析所得到的結(jié)論完全相同。證明了對(duì)煤中孔隙所做的分形研究的正確性。(3)構(gòu)建了包括巷道頂部松散煤體和巷道在內(nèi)的三維模型進(jìn)行巷道頂部松散煤體自然發(fā)火數(shù)值模擬研究。巷道向松散煤體的漏風(fēng)強(qiáng)度由巷道內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算確定,避免了通常人為設(shè)定邊界漏風(fēng)風(fēng)速或風(fēng)壓造成的誤差,實(shí)現(xiàn)了巷道通風(fēng)與巷道頂部松散煤體自然發(fā)火的直接關(guān)聯(lián)。利用COMSOL軟件實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、傳質(zhì)場(chǎng)的三維耦合計(jì)算,獲得了巷道頂部松散煤體自然發(fā)火多物理場(chǎng)瞬變過(guò)程,并首次進(jìn)行了煤自燃過(guò)程中位移和應(yīng)力分布的求解。(4)煤中孔隙大小不均勻,小到不足幾nm,大到100000nm的孔隙皆有分布,目前還沒(méi)有設(shè)備能夠?qū)θ绱舜蟮目讖椒秶鷥?nèi)的孔都進(jìn)行準(zhǔn)確量測(cè)�？紤]到氮?dú)馕胶蛪汗ǜ髯缘淖罴褱y(cè)量范圍及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn),對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所得孔徑分布數(shù)據(jù)在100nm處進(jìn)行連接,通過(guò)聯(lián)孔孔徑分布圖對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文的研究工作取得了一些進(jìn)展和成果,但還是存在許多不足之處,日后需要進(jìn)行深入研究的工作還有很多:(1)煤的自燃特性參數(shù)放熱強(qiáng)度是利用耗氧速率,CO和CO2的生成速率通過(guò)鍵能平衡法估算而來(lái),今后應(yīng)研究如何實(shí)現(xiàn)放熱強(qiáng)度的直接測(cè)定,提高數(shù)據(jù)可靠性。(2)松散煤體自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型中包含很多煤的物性參數(shù),這些物性參數(shù)在煤自燃的過(guò)程中是不斷變化的,但目前的數(shù)值模擬中還是有些參數(shù)設(shè)定為了常數(shù)或者采用了經(jīng)驗(yàn)結(jié)論,進(jìn)一步研究煤的物性參數(shù)在自燃過(guò)程中的變化規(guī)律有助于提高數(shù)值模擬的質(zhì)量。(3)由于煤自燃多物理場(chǎng)耦合非常困難,在進(jìn)行位移和應(yīng)力場(chǎng)的求解過(guò)程中將煤體視為線彈性材料,今后應(yīng)修正這一做法,最大程度減少模擬誤差。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD752.2

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本文編號(hào)：1309284