扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程及其传播模型的研究

论文摘要

煤层自燃火灾是煤矿生产的重大自然灾害之一，我国的煤矿煤层自燃火灾事故十分严重。因此，针对煤层自燃火灾进行扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程及其传播模型的研究，对于进一步揭示煤层自燃的机理，防治和消除煤层自燃，保护煤炭资源和减小环境污染，保证矿井安全生产，提高煤的利用价值以及丰富阴燃理论和燃烧学科，都具有重要的理论与现实意义。本文采用理论研究、实验模拟及数值模拟相结合的综合研究方法对其进行研究。（1）从巷道风流规律、化学反应规律、能量守恒方程、组份质量守恒方程及动量守恒方程等五方面对扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程进行理论研究。得出了①当l≤lmax时，煤层阴燃将能稳定的传播；当l> lmax时，煤层阴燃必将趋向熄灭；当l=0时，在条件适宜时就有可能转化为焰火燃烧；②煤层阴燃熄灭、稳定传播可以近似的描述为升温干燥、无氧热解、炭氧化及熄灭4步化学反应模型；③探讨了得出了扩散条件下巷道中煤层阴燃传播遵循的能量守恒定律、组份质量守恒定律、动量守恒定律及理想气体状态方程。（2）利用扩散条件下巷道中煤层阴燃模拟实验装置进行模拟实验，测定煤层阴燃过程的温度、O2浓度以及CO浓度数据，使用JLFX100数据处理系统与MATLAB曲线拟合工具箱对其进行分析研究，得出了①煤层阴燃稳定传播时的温度为240.6℃369.0℃，其平均值为tm=314.3℃；O2浓度为6.1%17.3%，其平均值为Am=13.6%；CO浓度为2899ppm14624ppm，其平均值为Bm=8275ppm；②煤层阴燃趋向熄灭时的温度为227.3℃287.8℃，其平均值为tp=262.5℃； O2浓度为6.9%17.4%，其平均值为Ap;=14.1%；CO浓度为2899ppm9249ppm，其平均值为Bp=5353.3ppm。（3）在巷道中煤层阴燃传播试验研究的基础上，采用数值模拟软件COMSOLMultiphysics对巷道中煤层阴燃传播试验进行数值模拟研究，得出了：巷道中煤层阴燃传播时，温度、O2浓度及CO浓度的数值模拟结果与试验测定结果的相对误差ε分别为1.20%5.42%、2.53%9.49%及7.74%12.05%，两者结果相近、误差较小，从而验证巷道中煤层阴燃传播试验及试验结果是正确的。（4）在阴燃传播理论、试验模拟研究及试验数值模拟研究的基础上，使用COMSOL Multiphysics软件模拟巷道中煤层阴燃传播的温度场、O2浓度场及CO浓度场，建立了巷道中煤层阴燃传播模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 阴燃的概念、分类和危害
• 1.2.1 阴燃的概念
• 1.2.2 阴燃的分类
• 1.2.3 阴燃的危害
• 1.3 阴燃的研究现状
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 理论研究
• 1.3.3 应用研究
• 1.4 本课题的研究目标、内容及方法
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 2 巷道中煤层阴燃传播理论研究
• 2.1 概述
• 2.2 巷道风流规律
• 2.2.1 自然风流流经巷道的长度l 0
• 2.2.2 阴燃区热空气涡流区长度l1
• 2.2.3 煤层阴燃的巷道风流规律
• 2.3 化学反应规律
• 2.4 巷道中煤层阴燃传播控制方程
• 2.4.1 能量守恒方程
• 2.4.2 组分质量守恒方程
• 2.4.3 动量守恒方程
• 2.4.4 理想气体状态方程
• 2.5 本章小结
• 3 巷道中煤层阴燃传播试验研究
• 3.1 巷道中煤层阴燃传播试验装置
• 3.2 试验器材
• 3.2.1 铠装镍铬—镍硅热电偶
• 3.2.2 WP-R302C 16 通道彩屏无纸记录仪
• 3.2.3 KM9106 综合烟气分析仪
• 3.3 JLFX100 数据处理系统
• 3.4. 试验物料及特性参数
• 3.4.1 物料的选取与处理
• 3.4.2 褐煤的特性参数
• 3.5 MATLAB 曲线拟合工具箱介绍
• 3.6 巷道中煤层阴燃传播试验结果分析
• 3.6.1 试验步骤
• 3.6.2 试验结果
• 3.6.3 试验结果处理分析
• 3.7 本章小结
• 4 巷道中煤层阴燃传播试验数值模拟研究
• 4.1 COMSOL Multiphysics 软件简介
• 4.1.1 COMSOL Multiphysics 的特点
• 4.1.2 COMSOL Multiphysics 应用领域
• 4.1.3 COMSOL Multiphysics 建模过程
• 4.2 巷道中煤层阴燃传播物理模型及其简化
• 4.2.1 巷道中煤层阴燃传播物理模型
• 4.2.2 巷道中煤层阴燃传播物理模型简化
• 4.3 边界条件和初始条件
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.2 初始条件
• 4.4 巷道中煤层阴燃传播试验数值模拟研究
• 4.4.1 巷道中煤层阴燃传播试验温度数值模拟研究
• 4.4.2 巷道中煤层阴燃传播试验 O2浓度数值模拟研究
• 4.4.3 巷道中煤层阴燃传播试验 CO 浓度数值模拟研究
• 4.5 本章小结
• 5 巷道中煤层阴燃传播模型研究
• 5.1 巷道中煤层阴燃传播物理模型
• 5.2 巷道中煤层阴燃传播温度模型研究
• 5.2.1 巷道中煤层阴燃传播温度数值模拟
• 5.2.2 巷道中煤层阴燃传播温度模型
• 5.3 巷道中煤层阴燃传播 O2浓度模型研究
• 5.3.1 巷道中煤层阴燃传播 O2浓度数值模拟
• 5.3.2 巷道中煤层阴燃传播 O2浓度模型
• 5.4 巷道中煤层阴燃传播 CO 浓度数值模拟研究
• 5.4.1 巷道中煤层阴燃传播 CO 浓度数值模拟
• 5.4.2 巷道中煤层阴燃传播 O2浓度模型
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢