葛亭矿自然发火温度场演化规律研究

摘要

火灾是我国煤矿重大灾害之一。据不完全统计，全国煤矿每年发生火灾4000余次，其中采空区自然发火事故占60％以上。在对煤矿采空区自然发火问题研究中，存在煤矿现场无法进行全方位温度场监控、实验室无法大规模模拟的实际困难，因而数值模拟成为研究采空区自然发火的主要手段。本文在综合分析前人有关煤矿采空区温度场数值模拟与仿真研究成果的基础上，揭示采空区热能分布规律，同时考虑大气压对采空区温度场的影响，在采空区温度场数值模拟中加入大气压力边界条件，提出并确定大气压力影响因子，设计并实现大气压力影响下采空区温度场模拟软件。针对对山东东华能源有限责任公司葛亭煤矿实际情况进行现场实测与比对，调整软件核心参数，对比测试与模拟结果，研究葛亭煤矿自然发火温度场演化规律，为葛亭煤矿建立以采空区温度场分布规律为核心的火灾预警系统及隐蔽火源点探测新方法。
　　本文结合实际矿井情况，采用理论分析、数值模拟、实验分析及现场验证的研究方法，展开了以下研究:在考虑采空区氧气浓度、风流场及煤炭自身氧化特性的基础上，从热量交换与平衡角度提出了采空区“热能流失带、热能储存带、热能平衡带、热能释放带、微热能迁移带”理论，克服了现有采空区自燃“三带”划分粗略的缺点，能够更好的解释采空区热量分布状态，为研究煤矿采空区自燃演化过程提供新的思路与方法;在采空区自然发火温度场数值模拟过程中，首次提出并考虑大气压力对采空区温度场分布规律的影响，在大量现场实测数据基础上利用最小二乘法对大气压力影响因子进行参数辨识，获得了Sm1、Sm2Sn1、Sn2四个影响因子，并将其引入到采空区温度场模型边界条件中，该项成果获得发明专利;根据大气压变化采空区自然发火温度场数值模拟结果，设计并实现了适用于煤矿现场应用的矿井采空区温度场仿真软件，通过设置大气压力等基础参数，可以直观、准确显示采空区温度场分布状态，为煤矿采空区高温点的探查提供技术支撑;研制可模拟不同煤层倾角的采空区自然发火实验平台，并在地下实验巷道内建立大气压力模拟系统，通过改变实验巷道内气体压力，模拟大气压力变化过程，进行大气压变化采空区温度场分布测试，验证了所构建大气压变化采空区温度场模型的正确性及模拟结果的可靠性;研究成果在山东东华能源有限责任公司葛亭煤矿2308综放工作面进行应用与示范。
　　通过葛亭煤矿2308工作面应用与示范，成指导2308工作面采空区遗煤自然预警工作，并通过采取定点注浆、纵向双路注氮等防灭火措施，取得了明显的预防效果。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤的自燃机理早期研究

1．2．2 煤层自然发火预测预报技术现状

1．2．3 采空区自燃空间特性研究现状

1．2．4 采空区气体流动规律研究现状

1．2．5 采空区温度场数值模拟研究现状

1．2．6 目前研究存在的问题

1．3 本论文研究内容及结构安排

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

1．4 本章小结

2 采空区自然发火温度场建模基础

2．1 采空区遗煤物理特性

2．2 多孔介质的理论基础

2．3 采空区渗流理论

2．4 采空区热能分布理论

2．5 本章小结

3 采空区自然发火温度场数值模拟

3．1 数值模拟及CFD软件

3．1．1 数值方法

3．1．2 模拟软件介绍

3．1．3 FLUENT数值仿真基本流程

3．2 采空区自然发火温度场模拟的数学方程确定

3．2．1 计算流体力学数值模拟控制方程

3．2．2 渗流场模拟方程的确定

3．2．3 氧浓度场模拟方程的确定

3．2．4 温度场模拟方程的确定

3．3 考虑大气压变化的采空区自然发火温度场耦合及边界条件

3．3．1 基本假设

3．3．2 温度场建模方程耦合过程

3．3．3 边界条件

3．3．4 模拟参数求解

3．4 温度场模拟结果与分析

3．4．1 模拟过程

3．4．2 采空区温度场的分布规律

3．4．3 大气压影响下采空区温度场分布规律

3．5 本章小节

4 温度场模拟软件系统研发

4．1 矿井采空区温度场数值模拟软件需求

4．1．1 设计原则

4．1．2 分析系统的数据要求

4．1．3 导出系统的逻辑模型

4．1．4 开发原型系统

4．2 矿井采空区温度场数值模拟软件系统设计

4．2．1 软件概要设计

4．2．2 软件详细设计

4．3 系统的应用实例

4．4 本章小结

5 采空区温度场相似模拟实验

5．1 实验平台设计

5．1．1 平台功能

5．1．2 平台主体结构

5．2 实验过程

5．2．1 常压条件下的平台实验(992．5hPa)

5．2．2 升压条件下的平台实验(993．1hPa)

5．3 实验与仿真计算结果比较与分析

5．3．1 实验结果分析

5．3．2 仿真计算结果分析

5．3．3 误差分析

5．4 本章小结

6 工程应用及效果分析

6．1 实验矿井概况

6．1．2 煤层情况

6．1．3 采煤方法及通风管理

6．2 实验应用过程与结果

6．2．1 矿用加强型测温光缆的部署

6．2．2 采空区无线传感网络节点的部署

6．2．3 实验应用过程

6．2．4 隐蔽火源探测软件应用

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 主要成果

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究展望

参考文献

作者简历

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