基于表面温度探测的硫化矿石堆自燃火源定位方法研究

摘要

硫化矿石自燃是硫化矿床开采时经常遇到的重大灾害之一，长期以来影响着矿山的安全生产。硫化矿石自燃是矿石与氧复合放热为主、自发产生热量及热量积蓄引起矿体升温的非常复杂的物理化学过程，其自燃火源具有较强的隐蔽性。因此，研究硫化矿石自燃内火源的定位，对于判定矿石堆燃烧状况和推断火源位置以及高效、快速地展开防灭火具有重大的理论意义和应用价值。
　　本论文在广泛查阅国内外文献和系统总结前人研究成果的基础上，采用有限元分析理论和数值模拟相结合的研究方法，基于硫化矿石自燃过程数学模型，对硫化矿石自燃内火源进行定位，分析不同条件下矿堆内火源的定位情况，并建立硫化矿石堆内火源定位监测预报模型。
　　本论文的主要内容和结论如下:
　　(1)介绍硫化矿石自燃内火源探测技术的研究现状以及具体应用。简述红外探测法应用于硫化矿石自燃内火源定位中的不足，总结有限元数值分析法在热传导寻源反问题方面的发展以及应用情况。
　　(2)确定硫化矿石自燃内火源定位的数值模拟方案。通过推导硫化矿石自燃过程中矿堆内存在的漏风风流场、氧浓度场和温度场的数学模型，结合热传导反问题，运用有限元分析软件ANSYS来模拟实现硫化矿石堆自燃内火源的定位。
　　(3)利用ANSYS有限元分析软件，建立硫化矿石自燃内火源反演的有限元模型。通过对已建立模型进行加载求解，得到硫化矿石堆内在某一时刻的温度场分布等值线图，以及矿石堆内各个节点的温度求解结果。根据温度分布情况坐标，确定最高温度所在位置，计算出高温内火源区域的近似面积。
　　(4)调整矿石堆表面的温度分布情况、矿石堆孔隙率、生热率、导热系数参数，分析不同条件下矿堆内火源定位情况。各参数的影响情况如下:矿石堆表面温度分布情况对硫化矿石堆内火源区域的定位有着很大的影响，表面温度测点布置不同，模拟分析结果也有较大的不同;在其他条件不变时，矿石堆内高温内火源区域面积随着孔隙率的增大而增大;矿石堆内高温内火源区域面积随着生热率的增加而增大;矿石堆内的高温内火源区域面积随着有效导热系数的增大而减小。
　　(5)矿堆内火源定位监测预报体系的建立。将红外热成像测温技术和有限元分析技术结合起来，建立由模拟参数值测定、矿堆内火源定位模拟、防治措施制定三部分组成的火源定位体系，及时有效的将技术措施和管理措施结合起来防治矿堆自燃火灾。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硫化矿石自燃机理

1．2．2 硫化矿石自燃的数学模型及数值模拟

1．2．3 硫化矿石堆内火源的定位和温度场反演方法

1．2．4 有限元分析的发展现状和发展方向

1．2．5 ANSYS有限元分析软件的应用情况

1．3 对国内外研究现状的评价

1．4 课题主要研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 硫化矿石堆自燃过程及其火源位置的反演模型

2．1 硫化矿石堆自燃过程数学模型

2．1．1 硫化矿石堆内漏风风流场数学模型

2．1．2 硫化矿石堆内氧浓度场数学模型

2．1．3 硫化矿石堆内温度场数学模型

2．2 硫化矿石堆自燃内火源位置的反演

2．2．1 红外热像探测的热传导反问题

2．2．2 硫化矿石堆内热源的导热微分方程

2．3 本章小结

3 硫化矿石堆自燃内火源定位模拟

3．1 矿堆内火源定位数值模拟软件的选择与方案研究

3．1．1 有限单元法概述

3．1．2 ANSYS有限元分析软件

3．1．3 矿堆内火源定位数值模拟方案

3．2 硫化矿石堆自燃内火源定位模拟的实现

3．2．1 硫化矿石堆物理模型

3．2．2 模型的相关假设

3．2．3 矿堆内火源温度场分布的计算

3．3 本章小结

4 不同条件下矿堆内火源定位的模拟分析

4．1 不同表面温度分布情况时的矿堆内火源定位模拟

4．2 不同孔隙率时的矿堆内火源定位模拟

4．3 不同生热率时的矿堆内火源定位模拟

4．4 不同导热系数时的矿堆内火源定位模拟

4．5 本章小结

5 矿堆内火源定位检测预报体系的研究

5．1 模拟参数值的测定

5．1．1 表面温度测点布置

5．1．2 孔隙率、生热率、导热系数的测定

5．2 矿堆内火源定位体系

5．3 防治措施的制定

5．3．1 技术措施

5．3．2 管理措施

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本论文的主要结论

6．2 论文的主要创新点

6．3 有待进一步研究的内容

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢