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

当工作面以一定推进速度向前推进时，使得工作面后部浮煤堆积区的某一固定点也以一定的速度远离工作面，当通风条件一定时，这个固定点的氧浓度、漏风强度等也会随之发生变化，从而影响浮煤堆积区各点的氧化升温速度，改变其温度分布。

由此可见，在煤自燃过程中，虽然所有浮煤在同时氧化放热，但由于各种因素的影响，造成松散煤体内各点升温速度不同，进而温度存在差异。为真实反映煤自燃过程每时每刻各点的温度情况，须对其温度场进行研究。

2.4 煤自燃过程温度场研究的意义

（1）自燃发展的预测

对特定条件下煤自燃过程温度场的研究，可以预测到自燃煤体内不同时刻不同点的温度变化，对煤体自燃进程的监测、自燃发展的预报具有较大的实用价值。通过对其温度场的模拟研究，可以实时动态模拟温度场的变化情况，得到煤自燃过程中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，以便让人们及时采取措施，将处于萌芽状态高温点予以处理和消除，防止火灾形成或扩大，避免造成重大的人员伤亡和经济损失。

（2）采空区火源的定位

国内外大量的事实研究表明，煤矿井下绝大多数自然发火都是发生在回采工作面的采空区或相邻的老空区，由于火源位置无法接近，往往无法确定火源的实际位置，给防灭火工作带来了很大的盲目性。而当采空区内部某处存在火源时，其周围肯定存在一个与之相应的温度场。如果采场处于某个特定的遗煤自燃环境条件下，在准确地知道采空区的漏风量、温度、氧浓度等边界条件后，就可以对其温度场进行模拟，从而就可以根据温度场的壁面最高温度位置来计算出火源的具体位置，为判断采空区火源的空间位置提供重要的参考价值。 （3）预防措施的选择

根据实验或实际建立的煤自然发火温度场数学模型，可以通过改变各种参数（如漏风强度、煤样粒度等），对其温度场进行实验或数值模拟计算，可得到不同条件下对煤样温度场的影响关系，从而为预防自燃发生措施的选择提供依据。

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2.5 本章小结

（1）通过对煤自燃过程的分析，发现松散煤体的温度状态每时每刻都处在变化之中，且其温度分布是不均匀的，需引进温度场来表示。

（2）根据煤炭自燃的充分必要条件，分析了实际煤自燃过程中温度场形成的各种外部因素，包括浮煤厚度、漏风量、煤体粒度、氧气浓度、边界条件和工作面推进度等。

（3）研究煤自燃过程中温度场对于预测自燃发展、定位火源位置和选择预防措施等很有帮助。

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第三章 煤自然发火温度场的实验研究

煤自燃是在常温常压下，松散煤体与空气中的氧自发反应升温的过程。由于实际煤自燃过程很难进行全过程跟踪测量，加上在该过程中影响因素众多，也很难从理论上对煤自燃过程中温度场进行分析，因此，实际煤自燃过程温度场比较复杂而难以把握。而通过实验模拟煤自燃过程，考察该过程中温度场变化，有助于研究实际煤自燃发生、发展的过程及其各种影响因素。

根据煤自燃过程的理论分析，要在实验室对煤低温自燃过程进行真实地模拟，其首要条件是实验模拟条件与现场实际条件的相似性，其次是测试参数指标应能真实、全面地反映出煤的自燃性。

因此，在实验室模拟煤自然发火过程时，应做到以下几点： （1）保证实验煤样的粒度、漏风强度、蓄热条件与实际情况相近；

（2）在实验过程中不向煤体输入热量，煤体依靠自身氧化放热而引起升温； （3）供风系统可调节，以便研究风量对自燃的影响；

（4）有较高精度的温度、风量测定系统，较准确地测定煤体温度场变化。 为真实模拟煤自燃全过程，太原理工大学和澳大利亚联邦科学研究院于2005年合作建立了煤自然发火与测氡实验台。该实验台能模拟现场蓄热情况、浮煤粒度和厚度，以室温为起始温度，在给松散煤体供入一定量的空气后，依靠煤自身氧化放热引起升温，并跟踪测定煤自燃过程中温度和气体的变化情况。

3.1 煤自然发火与测氡实验台简介

实验台主要由炉体和测控系统2部分组成。 3.1.1 实验台炉体

炉体一般可分为三种形式：球形、矩形和圆柱形。球形炉体实验煤量少，数学模型相对简单，但是加工复杂，空气只能从中心向边界或边界向中心放射状通过煤体；矩形炉体需实验煤量大，数学模型相对复杂，空气可以从一边向另一边均匀透过煤体；圆柱形炉体的实验煤量在球形和矩形炉体之间，数学模型较矩形炉体简单，空气可以从一边

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向另一边均匀渗透。从模型条件看，矩形炉体和圆柱形炉体比球形炉体可以更方便地模拟实际状况。

目前国内外的实验装置大多数是矩形和圆柱形，尤其以圆柱形为最多。太原理工大学中澳矿井火灾实验室煤自燃发火与测氡实验台是圆柱形的，炉体总高度为5.4米，炉体分为五部分：底座、燃料段、过渡段、填料段和顶盖，每部分之间通过法兰来连接，在实验时可根据要求单独更换煤和填料。炉体外形图如图3-1所示。

图3-1实验台炉体外形图 Fig 3-1 furnace shape of unit

炉体外部壳体全部采用Q235-A的钢板制作，内部固定和支撑件高温段材质采用1Cr18Ni9Ti，低温段材质采用1Cr13和Q235-A制作。炉墙及保温设计为三层：最内层为磷酸盐耐火混凝土，其使用温度为1250℃；中间一层为轻质耐火混凝土；最外层为硅酸铝耐火纤维毡。外面两层材料具有良好的保温性能，可使炉体外表面温度达到要求。磷酸盐耐火混凝土浇筑时留有足够的膨胀缝，能够很好地吸收热膨胀。安装时对炉体各部分进行砌筑，烘炉后再进行使用。

在底座和燃料段之间有150mm高的空间，通过圆周均布的四根管子通入空气。 在燃料段下部为布风板，上面覆盖三层160目的不锈钢丝网，一方面支撑煤的重量，另一方面使进入的空气能均匀地通过煤层。煤装在燃烧段，该段高2.0米，外形直径为1.9米，内部直径为1米，最大装煤量达2吨。

过渡段将燃烧段和填料段分开，使燃烧段和填料段可以单独进行更换。

填料段下部也装有布风板和三层160目的不锈钢丝网，用来支撑填料的重量和使空气能均匀地通过，布风板材质采用0Cr25Ni20。填料段可装黄土、岩石等各种介质，该

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