煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究 - 图文

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深入一步的阐述。

细究上述解释煤自燃的各种学说，不论其是否完善或是否能得到广泛承认，都涉及到煤与氧作用放出热量的问题。当煤体所放出的热量大于煤体所处环境的散热量时，热量被积蓄，煤体温度上升，导致煤体自燃；反之，热量被散发，煤体温度无法上升，导致煤体风化。煤自燃正是煤体放热与散热这对矛盾运动发展过程的结果之一，在宏观上就表现为煤体温度的变化。 1.2.2 煤自燃火灾防治研究现状 （1）煤炭自燃的预测预报技术

煤炭自燃的早期识别和预测预报，就是依据煤炭自燃发展过程中表现出来的各种征兆，在自燃火灾形成之前作出预测预报，使人们及时发现自燃隐患，及早采取措施，将自燃火灾消灭在萌芽状态，防止造成火灾事故。因此，煤炭自燃的早期识别和预测预报是矿井防火灭火工作的关键。

目前，预测技术主要有自燃倾向性测试预测法[13]、因素综合评判预测法[14]、经验统计类比法[15]和数学模型模拟预测法[16][17]四种。自燃倾向性预测法主要以煤的氧化性为基础，无法真实全面地反映煤的内在自燃性，与煤实际开采条件下自燃的实质相差甚远，仅能粗略地判断煤层自然发火的危险程度；因素综合评判法和经验统计预测法主要是依据统计资料和经验判断煤层的自燃危险性及发火范围，只能定性不能定量；数学模型预测法是针对煤的自燃条件，根据传热学、传质学和流体力学等理论，分析煤体温度和各种影响因素之间的关系，建立煤自然发火动态数学模型，模拟煤的自燃过程。但由于实际开采条件十分复杂，影响煤自燃的因素众多，其模型适用范围较小。

煤炭自燃早期预报方法主要有指标气体分析法和测温法两类[18]。①指标气体分析法主要利用束管监测系统、人工采样分析、矿井监控系统等多种手段相结合获取煤在氧化自热阶段产生出的某些气体的浓度、比值、发生速率等特征参数，来判断煤炭自燃的危险程度，对煤自然发火发展趋势等作出预报的方法。该方法已形成了较为实用的不同煤种的标志气体指标，并开发了相应的分析技术和监测系统，在煤矿中得到了广泛的应用。但该技术无法确定高温区域、自燃发展速度和趋势以及煤体可能达到的温度。②测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测，测定井下煤与周围介质的温度变化情况，以发现煤层的自然发火危险区域的预报方法。因为巷道松散煤体及周围介质温度的

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升高直接反映煤的氧化程度。测温法是发现煤炭自热和探寻高温点及火源的最直接、可靠的方法，但松散煤体内部温度的测温技术尚未完全解决。

由于煤自然发火除与煤本身的性质有关外，还主要取决于煤层开采环境、开采方法等因素。因此，目前的预测预报技术虽然对煤炭自燃火灾的防治起到很大的作用，但与现场实测存在一定的差距。邬剑明教授等开发的煤层自燃危险区域预测技术将CFD（空气动力学）技术、煤自燃特性实验、同位素测氡法结合起来，可较为真实的模拟采空区空气流动的规律，划分自燃三带，从而为煤自燃预测预报提供新的途径。 （2）煤层自燃火源位置探测技术

由于煤层自燃火灾往往发生于地下数百米深处的采空区，人员无法靠近以及火源的隐蔽性，加上井下地质条件及采空区等处特殊条件的限制，使得自燃火源位置的精确探测成为防灭火的关键技术，是防治煤炭自燃火灾亟待解决的重大技术难题之一。目前，火源定位技术主要是通过采集火源在形成和发展过程中引起煤炭及其围岩物理化学性质变化的信息，经过分析研究，确定之，根据检测原理，大致可分为以下几类方法：①温度探测法，包括温度直接探测法（打钻）、红外成像测试温度法和预埋温度探头测温法；②磁力探测法，包括人工磁场探测法和天然磁场探测法；③电磁波探测法；④电阻探测法；⑤地质雷达法和⑥同位素测氡法。

其中，同位素测氡法不受地形影响、探测深度大、精度高、操作简便、投资少、速度快，不仅能给出火源位置范围，而且能给出火势发展趋势及温度[19][20][21]。目前，该技术可解决煤矿采空区高温异常区及隐蔽火源位置及范围的确定、灌浆灭火打钻定位技术参数的选择、火区下采煤开拓部署、安全决策、封闭火区内设备的启封与抢险中防灭火方法的选择、大面积均压灭火设备及参数的选择、大面积煤田火灾灭火方法及参数的选择及熄灭标准、矿井火灾事故调查技术分析、煤炭地下气化矿井燃烧带监测等难题。 （3）煤层自燃火灾综合防治技术体系

目前，我国众多专家学者深入研究煤炭自燃理论，总结过去的防灭火经验教训、借鉴国内外先进技术，建立并实施新的煤炭自燃综合防治理论体系。体系首先是防止自燃火灾的发生，其次是防止已形成的火灾扩大，最大限度地减少火灾损失，主要由预测、预防、预报和火灾应急处理四道防线所构成。其中，煤层自燃火源位置探测技术和火区内部信息检测技术，是制约煤层自燃防治的关键技术。

近年来，邬剑明[22]等提出并在实践中形成了一项基于火源探测的综合的防灭火技术

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体系，完善了煤层自然发火防治技术体系。其技术路线如图1-1所示。

开采前预测 开采过程中预测 预报体系 临界点 同位素测氡法探测火源 实 验 室 自 燃 倾 向 性 鉴 定 实 验 室 煤低温氧化试验 煤自燃特性试验 C F D 技术危险区域预测 地面测氡法验证 测 气 体温 分 析法 法 火源分析及钻探 火源位置 火势发展趋势 火区范围 工程竣工 灭火效果检测 灭火方案实施 灭火方案制定 地面同位素测氡法检测 火区信息的检测 地面施工井下施工 气体信息 温度信息 参数调整 图1-1基于火源信息探测及检测的煤层自燃火灾综合防治新技术体系

Fig 1-1 new technical system of coal spontaneous combustion integration prevention and cure 1.2.3 煤自燃过程实验模拟研究现状

近二十年来，世界各主要产煤国家先后建立了模拟煤层自燃过程的大型自然发火实验台，给松散煤样送入空气进行模拟实验，观测煤自然发火过程。其中有新西兰的实验台装煤0.11t[23]、美国的13t[24]、澳大利亚的0.06t[25]和16t[26]等。

在我国，湘潭工学院的李仁发教授等人[27]构造了装煤90kg的实验装置，用电加热调节温度，用加热水调节湿度，用温度传感器和CO传感器分别测量温度和CO浓度。此装置用煤量少，人为调节温度、湿度变化，不能很好地模拟现场实际条件。淮南工业学院的张国枢等人[28]也研制了实验室内模拟煤自燃的试验装置及其参数测定系统，装置包括炉体、供风系统和参数测试系统，能够模拟和研究在常温条件下煤自燃的发生、发

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展过程及其影响因素。中国矿业大学的张瑞新[29][30]等建立了模拟煤堆自燃的大型实验台，研究露天煤体和煤堆的自燃过程。八十年代末，西安矿业学院的徐精彩、葛岭梅教授模拟现场实际条件，相继设计和建造了装煤量1.0t、0.5t和1.5t的大型煤自然发火实验台[5]，对煤低温阶段的自燃过程进行了大量实验研究，对煤的氧化性、放热性、煤自燃的影响因素及煤自燃过程中的一些特性参数进行了研究，取得了大量的研究成果。

大型煤自然发火实验台较好地模拟了煤实际条件下的自燃过程，其测试和分析结果，基本符合实际条件，对于研究自燃机理和指导煤层自燃火灾的预防和防治具有重要意义。

1.2.4 煤自燃数学模型和数值模拟研究现状

除建立实验台进行模拟研究以外，近20年来，美国、俄罗斯、澳大利亚和法国，针对采空区或地面煤堆的自燃条件，依据传热、传质理论和Arrhenius定律建立了多种煤自然发火的数学模型，理论研究和数值模拟煤的自热自燃过程，预测采空区或煤堆的自然发火危险性[31][32][33][34]。例如，美国利用等效暴露时间法[35](Exposure equivalent-time)估计煤的放热速率，数值求解煤暴露于空气中的温度变化过程，预测煤的自然发火危险程度。针对采空区的自燃环境及条件，国内学者如卞晓锴[36]、冯小平[37]和张瑞林、杨运良[38][39]等，建立了多种煤自然发火数学模型进行理论研究，并使用计算机进行数值模拟以研究煤的自燃规律及影响因素；针对露天矿和地面煤堆的自燃环境及条件，谢之康、张瑞新[40]和陈亚平[41]等建立了数学模型，对其自燃进程进行了模拟，预测自然发火危险性；针对综放面煤柱内的漏风和耗氧过程，李宗翔[42]进行了数值模拟，研究煤的自热自燃过程。

在上述的各种模型中，其许多参数的选取均采用理论方法或经验公式进行计算，模拟计算结果与实际情况有一定差距。 1.2.5 有限元法、有限元软件的研究现状

早在20世纪40年代就已经产生了有限元法的基本思想[43]。Courant于1943年提出将一个连续求解区域剖分成有限个分片连续的小区域的组合，即离散化的概念。1950年，一些飞机设计师如Turner、Clough、Martin和Topp等人将上述分片插枝、整体逼近的基本思想和方法用于飞机的整体结构设计上获得了成功。1960年前后，美国的

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