煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究 - 图文

太原理工大学硕士研究生学位论文

第一章 绪 论

煤自燃是自然界存在的一种客观现象，也是煤矿最为严重的自然灾害之一，这种现象己经存在了数百万年。在我国，煤炭自然发火不仅在正在开采的矿井中普遍存在，而且在尚未开采的煤田也相当严重。据统计，仅我国北方7省煤田火区就有56处，累计燃烧面积达720km2、烧毁煤量42亿吨以上，现仍以每年3000多万吨燃烧速度发展[1]。全国国有重点煤矿中约51.3%的矿井有自然发火危险，煤矿的自燃火灾次数占矿井总火灾的90%以上[2]。

近二十年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭产量和效益得到大幅度提高。但由于综采放顶煤技术一次性开采强度大，端头支架处顶煤放出率低（有的不放），采空区遗煤量较多，漏风规律复杂多变，一旦形成高温火区，其发火面积通常较大，极难治理，加之顺槽沿底板掘进等原因，使得煤层自然发火几率增高[3]，严重制约了综采放顶煤高产高效技术的发展。煤层自燃火灾己成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一。

每一场火灾的发生，轻则破坏煤矿开采的部署，干扰矿井的正常生产；重则烧毁煤炭资源和井下材料、设备；更有甚者可能引燃瓦斯煤尘爆炸，酿成人员伤亡的重大恶性事故，导致矿井的提前报废。重大恶性火灾事故造成政治、经济以及资源上的损失往往是难以估量的，对矿工情感上的伤害也非短期可以消除的。此外，由于煤层自燃，造成土壤、水资源、植被、大气层的严重污染，威胁到人类生存的环境。

我国是少数几个以煤作为主要能源的国家之一，也是世界产煤大国。煤炭在我国一次能源消费中占76%，随着我国经济的快速发展，对煤炭的需求还会进一步增加，我国以煤为主要能源的生产和消费特征在今后相当长的时间内都不会改变[4]。

因此，研究煤炭自燃问题十分重要。我国政府在“21世纪议程”中已将煤炭自燃列为重大自然灾害类型之一，并且提出了行动方案和步骤。近年来，中国政府与欧共体、荷兰、瑞典等国家和国际组织相继在新疆、宁夏、内蒙等地区开展了合作研究，对于煤层自燃的机理、动态监测及其治理等方面作了初步的工作。

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1.1 问题的提出及解决方法

目前人们对于煤炭自然发火的研究主要依据于煤的氧化理论，并形成了国内外学者均比较认可的煤氧复合作用学说的理论观点。根据研究[5]，煤自燃始于呈破碎堆积状态的煤在与氧气接触后首先发生物理吸附，然后发生化学吸附和化学反应，放出热量，这是一个物理化学动力学过程；煤氧复合过程首先是氧气的输送，即是流体渗透和扩散的过程；流体渗透过程中氧气不断消耗，各种气体陆续产生并释放，又是一个有源有汇的质量传递过程；随着煤氧复合不断产生的热量，受热动力驱动，煤体温度发生变化，即也是一个热力过程；此外，煤氧复合所产生热量的扩散和积聚又为传热的过程。正是上述种种过程，使得松散煤体在常温下与氧气作用后煤体温度不断上升而最终导致自燃产生火灾。

因此，煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的、动态变化的、自动加速的物理化学过程，宏观上就表现为温度的渐变升高直至着火点而燃烧。

可见，在煤自燃过程中，松散煤体的温度每时每刻都处在变化之中，且其温度分布是不均匀的，而煤体温度的宏观变化规律，可表征微观煤分子的反应历程；加上在煤自燃的过程中，温度的变化会影响煤氧复合、热传导、热对流、热积聚等一系列过程。因此，通过对温度场的分析有助于搞清煤自燃发生和发展的过程。

但是由于煤炭自燃的初期阶段发展极其缓慢，难以用常规的方法来观测和证实；而且煤自燃反应过程中中间产物不稳定、反应条件复杂、对其难以分离和证实；加上煤是一种物理结构和化学矿物质组成极其复杂的不均匀体，其确切的分子结构模型尚无定论，致使目前对于煤自燃过程温度场研究很少。

为了想知道实际条件下煤自燃温升过程，人们经常采用下面三种方法：

一是实验的方法，即通过实验台进行测试，因为煤体温度的动态变化特征可通过一定的测试装置进行动态跟踪。此法的优点是针对性较强，测得的数据比较准确可靠，缺点是测试费用高，且只能测出几个具有代表性点的温升过程。

二是在大量实验的基础上，通过分析总结出经验公式。然后根据具体情况加以应用。此方法虽然用起来简便，但所计算出来的结果精度较差，且存在一定的局限性。

三是根据传热学的基本理论，并考虑实际煤自燃的一些条件，建立起相应的模型，用解析法或数值计算的方法求得解答。然后，再用实验测试结果对计算模型的正确性加以验证或修正。此法的优点是适用性较强，计算结果比较准确。

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因此，本文拟先通过实验模拟煤自燃过程，并考察该过程中温度场变化，然后再对实验条件下煤自燃过程进行数值模拟，得到炉内任意点煤体温度随时间变化情况以及某一时刻煤体温度场分布，为研究实际煤自燃发生、发展的过程及其各种影响因素提供参考，这也是本论文选题的最终目的所在。

1.2 国内外研究成果综述

1.2.1 煤自燃机理研究现状

煤炭自燃灾害历来是煤矿安全生产的主要灾害之一。关于煤炭自燃起因和过程，人们早在17世纪初人们对煤层自燃的问题就进行了探索，但迄今仍然未能得到圆满的解释。自19世纪初Dr. Plott提出黄铁矿导因学说以来，人们提出了一系列不同的学说来阐述煤的自燃，其中主要有细菌导因学说（1921,Potter M.C.）、酚基导因学说（1940,特龙诺夫）以及煤氧复合学说（1951,委索沃夫）等[6]。

黄铁矿作用学说认为，煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿(FeS2)暴露于空气中后与水分和氧相互作用，发生放热反应而引起；细菌作用学说认为， 在细菌的作用下，煤在发酵过程中放出一定热量对煤的自燃起了决定性的作用。酚基作用学说则指出，煤的自热是由于煤体内不饱合的酚基化合物强烈地吸附空气中的氧，同时放出一定量的热量所致；煤氧复合学说认为，煤的自燃正是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定、低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才能导致自燃。这种氧化反应的特点是分子的基链反应，也就是每一个参加反应的团粒或者说在链上的原子团首先产生一个或多个新的活化团粒（活化链），然后，又引起相邻团粒活化并参加反应。

进入20世纪90年代，国内外学者又提出了一些更具体的学说：

Дрхим于1990年提出了电化学作用学说[7]，该学说认为，煤中含有铁的变价离子，组成氧化还原系Fe2+/Fe3+，氧化还原系Fe2+/Fe3+在煤的氧化反应中起催化作用，在煤中引起电化学反应，产生具有化学活性的链根，从而极大地加快煤的自动氧化过程，引发自燃。

李增华于1996年提出了煤自燃的自由基作用学说[8]，该学说认为煤是一种有机大分子物质，在外力（如地应力、采煤机的切割等）作用下煤体破碎，产生大量裂隙，必

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然造成煤分子的断裂，而分子链断裂的本质是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基。自由基可存在于煤粒表面，也可存在煤体内部新生裂纹表面，为煤自然氧化创造了条件，当有氧气存在时，则会发生氧化反应，其反应历程如下：

R?R??外力作用????R??R??

R??O2???R?O?O??Q

煤中自由基与O2反应生成过氧化物自由基，此反应为放热反应，产生的热量导致煤温缓慢上升，并使过氧化物自由基进一步反应生成过氧化物（R-O-O-H），过氧化物根据自身结构不同，发生分解反应生成一氧化碳、二氧化碳、甲醇、甲醛等气体，同时生成新的自由基。新的自由基再与氧气反应，产生更多的热量，使温度进一步升高，如此反复，在合适的蓄热条件下，使煤温大幅度升高，直至燃烧。运用自由基反应机理，李增华对部分煤自燃现象作出了一些合理的解释，如采煤机割煤时工作面CO浓度增加以及压裂的煤柱易自然发火等。Unal[9]用ESR（顺磁共振）技术测量了煤氧化过程中自由基浓度变化后，指出煤低温氧化部分是通过自由基反应。Martin[10]用SIMS(次级离子质谱)和XPS研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持了自由基链反应机理。

Lopez D.于1998年提出氢原作用学说[11]，该学说认为，煤低温氧化过程中，由于氢原子在煤中各大分子基团间的运动，增加了煤中各基团的氧化活性，从而促进煤的自燃。

Wang H.于1999年提出了基团作用理论[12]，该理论利用孔模型模拟了煤中孔隙的树状结构，提出所有有效孔所构成的树状能够到达煤粒表面，使煤中各基间以及与氧气能充分作用，从而导致煤的自燃。

总体来说，煤作为一种由多种高分子化合物和矿物质组成的复杂非均质混合物，其化学结构非常复杂，物理化学性质和煤岩成分差异很大，形成的自然发火是一种极为复杂的物理化学现象。因此，历史上各国学者在研究煤的自燃问题时，依据各自的立场或考虑导致煤自燃因素的侧重点不同，所提出的各种观点不尽相同是可以理解的。煤自燃机理研究发展到今天，煤氧复合作用学说之所以为大多数学者所认同，一方面是因为煤自燃的主要参与对象就是煤和氧，煤对氧的吸附是经实验考察得到完全证实的，研究煤的自燃必然要涉及煤与氧的相互作用，这是基础。另一方面，煤氧复合作用学说基本上涵盖了其它学说观点的总体思想，如黄铁矿作用学说、酚基作用学说、自由基作用学说等，从煤氧相互作用的观点出发，它们是煤氧复合作用学说在某一个侧重面的补充或更

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