重力热管对煤堆自燃温度场分布影响效果的数值模拟研究

摘要

众所周知，我国的一次能源以煤为主，这在未来相当长时间内都不会改变。煤堆自燃是煤炭储运及煤矿安全管理工作面临的一大难题。大型储煤场所及随意堆放的煤矸石山极易发生煤堆自燃现象，形成重大安全隐患。近些年，重力热管技术应用在寒区工程、空调、制冷等领域的成功实践引起相关学者的关注，并提出将重力热管技术应用于煤堆或煤矸石山自燃防治工作的思路。目前重力热管技术的基础理论相对较成熟，但要将热管移热防控煤堆自燃的方法成功应用，尚有诸多关键的科学问题需要研究。 本课题通过建立风力驱动下的三维非稳态煤堆自燃模型，利用COMSOL软件进行数值仿真模拟。根据模拟结果，研究三维空间下煤堆自燃发展变化规律、预测自燃高温区域时空分布变化规律，为后期科学的布置重力热管进行煤堆降温提供理论基础；通过改变风速、孔隙率、堆积角度和高度等研究各因素对煤堆自然发火期及温度场分布的影响，并提出切实可行的防治方案。其次，通过对三维空间下煤堆高温区域按特定方案插入重力热管（密集布置），进行煤堆降温方案的布置与优化，通过改变重力热管插入深度（Z方向）、布置密度（X和Y方向），分析各方案对煤堆温度场及高温区域的影响作用，最终找出本文模型中合理的布置方案。 研究表明，煤堆内部高温区域迁移是一个动态变化过程，前期温度上升缓慢，第60天时高温区域高度集中且偏向迎风侧两端。对三维煤堆高温区域范围进行有效预测，其中左侧区域坐标近似认为：x方向取值在(2.5，5.5)m之间，y方向取值在(1，6)m之间，z方向取值在(0，3)m之间，右侧区域按照镜像依次确定相应范围；特定方案在三维煤堆高温区域插入重力热管，进行煤堆降温方案的布置与优化，研究表明，本文模型中重力热管插入煤堆底部的方案降温效果最佳（即Z=Om），不宜大于0.5m;重力热管沿着X方向布置间距应取Im，不宜大于1.5m;沿着Y方向布置间距应取1m。

目录

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1绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1煤自燃机理研究

1.2.2煤堆自燃规律的数值模拟研究

1.2.3煤堆自燃防治技术研究

1.2.4重力热管技术

1.2.5重力热管移热防控煤自燃研究

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2煤堆自燃模型的建立

2.1 COMSOL软件简介

2.2煤堆自燃数学模型

2.2.1煤体空气渗流速度场

2.2.2煤体氧气组分运移场

2.2.3煤体自燃升温温度场

2.3煤堆自燃物理模型

2.3.1基本假设

2.3.2模型建立

2.3.3网格划分

2.4本章小结

3煤堆自燃温度场分布规律及影响因素研究

3.1煤堆自然发火期的判定

3.2煤堆自燃高温区域的时空变化规律

3.2.1三维煤堆自燃发展过程温度场分析

3.2.2二维煤堆自燃发展过程温度场分析

3.3煤堆自燃影响因素分析

3.3.1风速对煤堆自燃的影响

3.3.2孔隙率对煤堆自燃的影响

3.3.3堆积高度对煤堆自燃的影响

3.3.4堆积角度对煤堆自燃的影响

3.4本章小结

4重力热管对煤堆自燃温度场分布影响效果研究

4.1重力热管降温系统传热分析

4.1.1基本假设

4.1.2传热过程分析

4.1.3重力热管数学模型

4.2 重力热管插入深度对降温效果的影响

4.3重力热管布置密度对降温效果的影响

4.3.1 X方向间距对降温效果的影响

4.3.2 Y方向间距对降温效果的影响

4.4优化布置方案

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

附 录