煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究 - 图文

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（2）升温速率分析

随着煤自燃进程的发展，煤体温度逐渐升高，升温速率也随之变化，进而影响煤温的变化，煤温和升温速率之间相互影响、相互作用。本次实验中升温速率与煤温的关系如图3-8所示。

32.521.510.5029.541.26079.599.4108.9142.3218.5温度（℃）升温速率（℃/h)图3-8升温速率与煤温的关系

Fig 3-8 relationship of temperature rising rate with coal temperature

从图3-8可以看出，煤自燃过程中在低温阶段升温速率很小，且受各种因素影响（如煤中水分、煤氧作用强度、供风等），有一定的波动性；但当超过110℃后，其升温速率逐渐加大；超过140℃后，迅速加大，只要供风合适，能很快发展到出现明火。 （3）不同煤层最高温度随时间的变化分析

实验过程中不同煤层最高温度与时间的关系如图3-9所示。

400350300第1层第2层第3层第4层第5层温度（℃）25020015010050017131925303435363738394041时间（天）

图3-9不同煤层最高温度与时间的关系

Fig 3-9 relationship of the highest temperature with time at different coal seam

从图3-9可以发现，随着煤自燃进程的发展，煤氧作用时间的加长，炉内各层的温度基本上都呈上升趋势，但变化幅度不等。

在炉内高温点达到70℃之前，由于此阶段煤氧复合作用较为缓慢，氧化放热较小，各层的最高温度变化缓慢，且相差不大；超过70℃后，煤氧复合作用加速，由于炉内各点所处的蓄热环境不同，各层升温速率差距开始加大；超过110℃后，随着煤氧复合

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作用的迅速增大和蓄热环境的影响，各层温差越来越明显，当炉内第2层最高温度达到352.8℃时，第5层的最高温度才86.5℃，两者相差达266.3℃。

在煤温达到100℃之前，高温点出现在第3层（即距供风表面1.0米处），这是由于该深度处漏风强度适中，氧气浓度适宜，最易满足煤自燃条件而形成自热高温点。而在距供风表面近的地点，由于漏风强度过大，风流带走了所产生的大部分热量，使热量得不到有利的积聚；在更远的地点，由于沿程氧气的消耗，到达该点时氧气浓度很低，其氧化产生的热量很少，基本上被散失掉，也很难形成高温点。

随着自燃的发展，煤表面活性结构增多，参与反应的煤量增多，煤氧反应速度加快，超过100℃后，原来高温点位置会出现供氧不足，而向供氧充分的地点发展，即向第2层（即进风的方向）发展。同时考虑到煤体内部各点温度不同而失去稳定性应会自发地发生对流，所以在实验过程中不断增大对煤体的漏风量，最终第2层中心处的煤温超过燃点而出现明火。而第1层的炉温由于距供风表面较近，煤氧复合产生的热量容易受风流的影响而很难形成最高温度点。 （4）同一煤层径向温度随时间的变化分析

实验过程中各层中心、1/2处和边缘处温度随时间变化如图3-10所示。

200150100500171319253035363738394041时间（天）中心温度1/2处温度边缘温度第1层400中心温度第2层温度（℃）温度（℃）300200100011/2处温度边缘温度71319253035363738394041时间（天）

200第3层中心温度1/2处温度边缘温度150温度（℃）温度（℃）1501005001100中心温度1/2处温度边缘温度第4层50071319253035363738394041时间（天）171319253035363738394041时间（天）

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100中心温度1/2处温度边缘温度第5层温度（℃）500171319253035363738394041时间（天）图3-10 同一煤层径向温度与时间的关系

Fig 3-10 relationship of radial temperature with time at the same seam

从图3-10可知，炉内煤体温度场随（实验）时间的延续，一般都逐渐上升。在该过程中，中心测线上的温度一直高于1/2处和边缘处测线上的温度，虽然在100℃之前，同一煤层的径向温度相差都不大；但是在实验后期，1、2层中心测线上的温升变化明显比1/2处和边缘处快。说明煤体内主要漏风供氧通道、主要温升和延燃方向沿炉体中心轴。当第2层中心温度达到352.8℃时，距其25cm处的1/2处温度才249.3℃，两者相差103.5℃；距其50cm处的边缘温度才138.5℃，两者相差214.3℃。说明，煤的导热性很差，当煤体内部煤温较高时，而在煤体暴露表面却察觉不到。 （5）风量对温度场的影响

在实验过程中，可随时改变供风量，来考察其对温度场的影响。图3-11为风量改变前后的温度，时间相差3小时。

图3-11 改变供风量前后的温度

Fig 3-11 fore-and-aft temperature of altered wind quantity

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从上图可以看出，随着供风量增大，第1层和第2层由于受风流影响比较大，煤体温度有所下降；而原来升温较慢的第4层和第5层煤温则上升的较快；同样，在实验过程中，随着供风量的减少，煤体第1层和第2层的温度会有所上升，但其余点的温度则会下降，且随着自燃的进程，由于氧气供给不充分，第1层和第2层的升温逐渐减慢，自燃的趋势受到抑制。

所以，在实际开采过程中，加大工作面风量虽然会使靠近风流处遗煤的自燃趋势受到抑制，但同时会使原来不易自燃的地点氧化加速，成为易自燃区域，煤自燃带的宽度加大，发火几率也增大。而减少风流，自燃趋势会明显地受到抑制。

因此，对于有自然发火倾向的煤层，如果工作面后方采空区瓦斯涌出量大时，不宜采用加大工作面风量的方法来处理瓦斯。即对既有自然发火危险，又有大量瓦斯涌出的工作面应有一个上限风量。

另外，如果实验过程中供风量不稳，忽大忽小，炉内煤体的温度就会容易上升，因为在风量大时，煤体能充分吸氧氧化，而在风量变小时，就聚热升温，几经反复，容易造成升温。所以对有自燃倾向性的煤层，特别是已经有自燃现象的工作面，必须设法稳定风流，以消除风流不稳定对浮煤自燃的影响。

当煤温达到355℃时，停止向炉内供风，煤体温度开始下降，当再次恢复供风后，煤温能很快上升。下面为停止供风十天后再次供风炉内高温点温度变化情况。

400350300恢复供风 停止供风 温度（℃）25020015010050012345678910111213时间（天）

图3-12 二次供风前后的温度变化曲线 Fig 3-12 fro-and-aft temperature of 2nd wind supply

由图可见，停止供风后，高温点的煤温降低的非常快；煤温降至130℃后，温度下降明显放缓；当煤温低于100℃后，下降的更慢，约2～3℃/d；此时如果对煤体二次供风，则煤体的温度上升很快，其氧化升温速度较初次自燃时明显加大，说明如果一个火

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