瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理研究

摘要

煤的自燃性和煤对瓦斯的吸附特性是煤的两大基本属性，也是导致煤矿瓦斯与煤自燃灾害事故的根本原因。近年来，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力不断增高，地温梯度急剧增大，瓦斯与煤自燃灾害交织共生现象愈加普遍，灾害风险不断增大，煤矿安全生产形势愈加严峻。井下煤矿瓦斯与煤自然发火复合共生致灾已成为矿井重特大事故发生的普遍规律。复合共生灾害的治理不仅需要考虑治理的高效性，还必须兼顾治理过程中的安全性，如瓦斯抽采作为煤矿瓦斯灾害治理的根本性措施，瓦斯抽采中不仅需要考虑高效性，还必须保证不会引发煤自燃或瓦斯燃爆等次生灾害事故。
　　然而，由于瓦斯与煤自燃复合共生灾害是多尺度、多时度和多物理过程耦合作用的结果，目前仍十分缺乏关于煤岩裂隙场、多组分气体扩散-渗流场、煤-氧反应化学场以及能量传输场之间的耦合作用关系的系统理论研宄，致使我们对井下煤岩裂隙场中瓦斯与煤自燃灾害的发生、发展及演化机制认识不清，灾害防治理论明显落后于灾害防治实践。为此，本文开展了井下煤层和采空区松散体等裂隙场中瓦斯与煤自燃共生环境下多场耦合致灾理论的研宄，获得的主要创新性成果包括：
　　(1)煤层瓦斯-空气混流流-固耦合作用机制
　　考虑瓦斯抽采中，煤层基质瓦斯解吸-扩散-渗流、裂隙瓦斯-空气混流以及煤体解吸/吸附气体引起的煤体基质收缩/膨胀变形过程，建立了煤层瓦斯抽采质量评价的流-固耦合双重孔隙介质模型，揭示了瓦斯抽采的低品质问题的流-固耦合机制及其控制参数，为井下煤层瓦斯的高效安全抽采提供科学的指导依据，并提出了固相颗粒封堵改变煤层裂隙尺度场提高煤层瓦斯抽采浓度的新方法。
　　(2)煤层自然发火的流-固-热-化耦合作用机制
　　有机统一了井下煤层自燃所涉及的煤体地质力学变形、多组分气体渗流-传输和能量传递等多物理耦合过程，建立了煤层自燃的流-固-热-化全耦合模型，揭示了井下煤层自燃升温演化中存在气体热加速效应，定量化确定了煤层自燃的时间和地点。此外，对煤孔隙度、煤渗透率、压差、煤氧化耗氧速度以及氧化反应热进行了参数敏感性分析，结果表明：煤自燃升温温度和气体渗流速度与以上因素呈正相关，表现为“S”型上升趋势，而氧气浓度呈现“S”型衰减趋势。
　　(3)煤层瓦斯与煤自燃复合共生环境多场耦合作用机制
　　进一步耦合了煤变形（气体解吸引起的煤收缩和煤自燃升温引起的煤膨胀）、基质瓦斯解吸-扩散、裂隙中多组分气体扩散-对流、煤氧化动力学以及能量传输等多物理过程。建立了含瓦斯煤自燃升温演化模型，定量评价了瓦斯解吸扩散时间、煤初始渗透率、漏风压差、煤-氧反应热以及煤-氧反应速度对煤自燃的影响，分析结果表明：裂隙中多组分气体的流动不仅与煤的渗透率相关，还与瓦斯解吸速度以及气体热膨胀引起的气体自加速效应相关；基质瓦斯解吸扩散到煤裂隙中不仅会稀释氧气浓度、惰化自燃煤体，还会阻隔外界空气的渗入多孔介质煤中；漏风压差、煤初始渗透率和煤氧化反应热越大，煤介质渗透速度越高、煤氧反应越剧烈和自燃升温越高。然而，煤的自燃反应速度不是完全由煤的氧化速度决定的，它与煤的活化能和指前因子相关，活化能越小、指前因子越大，煤的氧化反应越强烈。
　　(4)釆空区瓦斯与煤自燃复合共生环境多场耦合作用机制
　　考虑工作面连续推进引起的采空区渗透率的时空响应，煤自燃与瓦斯涌出流动也随着推进时间的延续表现为很强的“历史效应”，建立了动态推进下高瓦斯易自燃煤层综采工作面采空区瓦斯与煤自燃复合共生环境多场耦合模型，探讨了工作面长度、风量、风阻、工作面推进度、氧化反应热和煤氧化速度对采空区瓦斯与煤自燃耦合作用的影响，揭示了采空区瓦斯与煤自燃灾害的发生、发展及演化机制，提升了我们对协同防治采空区瓦斯与煤自燃共生灾害的理论认识水平。
　　(5)瓦斯与煤自燃多场耦合模拟软件开发与应用
　　提出了瓦斯与煤自燃复合共生区域安全度的概念，并根据瓦斯与煤自燃复合共生致灾判定准则给出了安全度的数学定义表达式，集成了瓦斯与煤自燃耦合作用模型，开发了煤矿瓦斯与煤自燃复合共生多场耦合模拟软件，成功应用于煤层和采空区瓦斯抽采案例，获得了瓦斯抽采中煤层和采空区区域安全度的动态演化，对瓦斯与煤自燃复合灾害防治措施的合理性及高效性进行科学评价，为瓦斯与煤自燃的协同防治提供理论计算方法和工具。

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变量注释表

1绪论

1.1 研究背景及选题意义（Researchsignificanceandbackground)

1 .2国内外研究现状（Literature review)

1.3研究目标和研究内容（Researchobjectivesandcontents)

1.4拟解决的关键科学问题（Keyscientificproblemstobesolved)

1.5研究方 案及技术路线（Researchapproachesandflowchart)

2 煤层瓦斯-空气混流流-固耦合作用机制

2.1 引言（Introduction)

2.2 数学控制模型（Mathematical governing麵 del)

2.3 模型验证（Model validation)

2. 4 煤层钻孔瓦斯抽采质量评价（Evaluation o f the pre-drained coal seam gas quality)

2. 5 本章结论（Chapter Summary)

3 煤层自然发火的流-固-热-化耦合作用机制

3.1 引言（Introduction)

3.2 煤 自 然 发 火 预 测 模 型（The prediction model of coal spontaneouscombustion)

3. 3 多场耦合过程（Multi-physics coupling processes)

3.4 模型验证和分析（Model validation and analysis)

3. 5 煤氧化升温敏感性分析（Self-heating susceptibility analyses)

3. 6 本章结论（Chapter Summary)

4 煤层瓦斯与煤自燃共生环境多场耦合作用机制

4.1 引言（Introduction)

4 .2含瓦斯煤自燃升温控制方程（Governing equations for self-heatingofmethane-richcoal seams)

4.3模型验证（Model verification)

4 .4 数值模拟（Numerical simulation)

4 .5含瓦斯煤的自燃升温敏感性分析（Self-heating susceptibility analyses o f methane-rich coal)

4.6 本章结论（Chapter Summary)

5 采空区瓦斯与煤自燃共生环境多场耦合作用机制

5.1 引言（Introduction)

5 .2采空区瓦斯与煤自燃耦合控制方程（Governing equations associatedwithgasandcoal spontaneouscombustioningobs)

5.3模型验证（Model validation)

5.4采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟(Coupled simulations ofgas and coal spontaneouscombustioninthegob)

5.5 本章结论（Chapter Summary)

6 瓦斯与煤自燃多场耦合模拟软件开发与应用

6 . 1瓦斯与煤自燃复合共生区域安全度（Symbiotic regional safety of gas and coal spontaneous combustion)

6 . 2瓦斯与煤自燃耦合作用模拟软件( Coupling simulation softwareofgasandcoal spontaneouscombustion)

6.3耦合致灾模拟软件的应用(Theapplications ofsimulation software)

6.4 本章结论（Chapter Summary)

7 主要结论、创新点及展望

7.1 主要结论（Main conclusions)

7. 2 创新点（Innovations)

7.3 研究展望（Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集