發(fā)布時間：2017-04-26 03:14

  本文關(guān)鍵詞：瓦斯與煤自燃多場耦合致災(zāi)機理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：煤的自燃性和煤對瓦斯的吸附特性是煤的兩大基本屬性,也是導(dǎo)致煤礦瓦斯與煤自燃災(zāi)害事故的根本原因。近年來,隨著開采深度的增加,煤層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增高,地溫梯度急劇增大,瓦斯與煤自燃災(zāi)害交織共生現(xiàn)象愈加普遍,災(zāi)害風(fēng)險不斷增大,煤礦安全生產(chǎn)形勢愈加嚴(yán)峻。井下煤礦瓦斯與煤自然發(fā)火復(fù)合共生致災(zāi)已成為礦井重特大事故發(fā)生的普遍規(guī)律。復(fù)合共生災(zāi)害的治理不僅需要考慮治理的高效性,還必須兼顧治理過程中的安全性,如瓦斯抽采作為煤礦瓦斯災(zāi)害治理的根本性措施,瓦斯抽采中不僅需要考慮高效性,還必須保證不會引發(fā)煤自燃或瓦斯燃爆等次生災(zāi)害事故。然而,由于瓦斯與煤自燃復(fù)合共生災(zāi)害是多尺度、多時度和多物理過程耦合作用的結(jié)果,目前仍十分缺乏關(guān)于煤巖裂隙場、多組分氣體擴散-滲流場、煤-氧反應(yīng)化學(xué)場以及能量傳輸場之間的耦合作用關(guān)系的系統(tǒng)理論研究,致使我們對井下煤巖裂隙場中瓦斯與煤自燃災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及演化機制認(rèn)識不清,災(zāi)害防治理論明顯落后于災(zāi)害防治實踐。為此,本文開展了井下煤層和采空區(qū)松散體等裂隙場中瓦斯與煤自燃共生環(huán)境下多場耦合致災(zāi)理論的研究,獲得的主要創(chuàng)新性成果包括:(1)煤層瓦斯-空氣混流流-固耦合作用機制考慮瓦斯抽采中,煤層基質(zhì)瓦斯解吸-擴散-滲流、裂隙瓦斯-空氣混流以及煤體解吸/吸附氣體引起的煤體基質(zhì)收縮/膨脹變形過程,建立了煤層瓦斯抽采質(zhì)量評價的流-固耦合雙重孔隙介質(zhì)模型,揭示了瓦斯抽采的低品質(zhì)問題的流-固耦合機制及其控制參數(shù),為井下煤層瓦斯的高效安全抽采提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù),并提出了固相顆粒封堵改變煤層裂隙尺度場提高煤層瓦斯抽采濃度的新方法。(2)煤層自然發(fā)火的流-固-熱-化耦合作用機制有機統(tǒng)一了井下煤層自燃所涉及的煤體地質(zhì)力學(xué)變形、多組分氣體滲流-傳輸和能量傳遞等多物理耦合過程,建立了煤層自燃的流-固-熱-化全耦合模型,揭示了井下煤層自燃升溫演化中存在氣體熱加速效應(yīng),定量化確定了煤層自燃的時間和地點。此外,對煤孔隙度、煤滲透率、壓差、煤氧化耗氧速度以及氧化反應(yīng)熱進行了參數(shù)敏感性分析,結(jié)果表明:煤自燃升溫溫度和氣體滲流速度與以上因素呈正相關(guān),表現(xiàn)為“S”型上升趨勢,而氧氣濃度呈現(xiàn)“S”型衰減趨勢。(3)煤層瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合作用機制進一步耦合了煤變形(氣體解吸引起的煤收縮和煤自燃升溫引起的煤膨脹)、基質(zhì)瓦斯解吸-擴散、裂隙中多組分氣體擴散-對流、煤氧化動力學(xué)以及能量傳輸?shù)榷辔锢磉^程。建立了含瓦斯煤自燃升溫演化模型,定量評價了瓦斯解吸擴散時間、煤初始滲透率、漏風(fēng)壓差、煤-氧反應(yīng)熱以及煤-氧反應(yīng)速度對煤自燃的影響,分析結(jié)果表明:裂隙中多組分氣體的流動不僅與煤的滲透率相關(guān),還與瓦斯解吸速度以及氣體熱膨脹引起的氣體自加速效應(yīng)相關(guān);基質(zhì)瓦斯解吸擴散到煤裂隙中不僅會稀釋氧氣濃度、惰化自燃煤體,還會阻隔外界空氣的滲入多孔介質(zhì)煤中;漏風(fēng)壓差、煤初始滲透率和煤氧化反應(yīng)熱越大,煤介質(zhì)滲透速度越高、煤氧反應(yīng)越劇烈和自燃升溫越高。然而,煤的自燃反應(yīng)速度不是完全由煤的氧化速度決定的,它與煤的活化能和指前因子相關(guān),活化能越小、指前因子越大,煤的氧化反應(yīng)越強烈。(4)采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合作用機制考慮工作面連續(xù)推進引起的采空區(qū)滲透率的時空響應(yīng),煤自燃與瓦斯涌出流動也隨著推進時間的延續(xù)表現(xiàn)為很強的“歷史效應(yīng)”,建立了動態(tài)推進下高瓦斯易自燃煤層綜采工作面采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合模型,探討了工作面長度、風(fēng)量、風(fēng)阻、工作面推進度、氧化反應(yīng)熱和煤氧化速度對采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合作用的影響,揭示了采空區(qū)瓦斯與煤自燃災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及演化機制,提升了我們對協(xié)同防治采空區(qū)瓦斯與煤自燃共生災(zāi)害的理論認(rèn)識水平。(5)瓦斯與煤自燃多場耦合模擬軟件開發(fā)與應(yīng)用提出了瓦斯與煤自燃復(fù)合共生區(qū)域安全度的概念,并根據(jù)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生致災(zāi)判定準(zhǔn)則給出了安全度的數(shù)學(xué)定義表達式,集成了瓦斯與煤自燃耦合作用模型,開發(fā)了煤礦瓦斯與煤自燃復(fù)合共生多場耦合模擬軟件,成功應(yīng)用于煤層和采空區(qū)瓦斯抽采案例,獲得了瓦斯抽采中煤層和采空區(qū)區(qū)域安全度的動態(tài)演化,對瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治措施的合理性及高效性進行科學(xué)評價,為瓦斯與煤自燃的協(xié)同防治提供理論計算方法和工具。
【關(guān)鍵詞】：瓦斯與煤自燃 多場耦合 流-固-熱-化(HMTC) 復(fù)合共生災(zāi)害 安全度
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD752.2
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• Extended Abstract11-33
• 變量注釋表33-36
• 1 緒論36-48
• 1.1 研究背景及選題意義36-37
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀37-45
• 1.3 研究目標(biāo)和研究內(nèi)容45-46
• 1.4 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題46-47
• 1.5 研究方案及技術(shù)路線47-48
• 2 煤層瓦斯-空氣混流流-固耦合作用機制48-62
• 2.1 引言48
• 2.2 數(shù)學(xué)控制模型48-53
• 2.3 模型驗證53-57
• 2.4 煤層鉆孔瓦斯抽采質(zhì)量評價57-61
• 2.5 本章結(jié)論61-62
• 3 煤層自然發(fā)火的流-固-熱-化耦合作用機制62-75
• 3.1 引言62
• 3.2 煤自然發(fā)火預(yù)測模型62-65
• 3.3 多場耦合過程65-66
• 3.4 模型驗證和分析66-70
• 3.5 煤氧化升溫敏感性分析70-73
• 3.6 本章結(jié)論73-75
• 4 煤層瓦斯與煤自燃共生環(huán)境多場耦合作用機制75-90
• 4.1 引言75-76
• 4.2 含瓦斯煤自燃升溫控制方程76-80
• 4.3 模型驗證80-82
• 4.4 數(shù)值模擬82-85
• 4.5 含瓦斯煤的自燃升溫敏感性分析85-89
• 4.6 本章結(jié)論89-90
• 5 采空區(qū)瓦斯與煤自燃共生環(huán)境多場耦合作用機制90-107
• 5.1 引言90
• 5.2 采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合控制方程90-97
• 5.3 模型驗證97-100
• 5.4 采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬100-106
• 5.5 本章結(jié)論106-107
• 6 瓦斯與煤自燃多場耦合模擬軟件開發(fā)與應(yīng)用107-132
• 6.1 瓦斯與煤自燃復(fù)合共生區(qū)域安全度107-108
• 6.2 瓦斯與煤自燃耦合作用模擬軟件108-115
• 6.3 耦合致災(zāi)模擬軟件的應(yīng)用115-131
• 6.4 本章結(jié)論131-132
• 7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點及展望132-136
• 7.1 主要結(jié)論132-135
• 7.2 創(chuàng)新點135
• 7.3 研究展望135-136
• 參考文獻136-145
• 作者簡歷145-149
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集149

  本文關(guān)鍵詞：瓦斯與煤自燃多場耦合致災(zāi)機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：327636