双高矿井采场自燃与爆炸特性及防治技术研究

论文摘要

本研究应用渗流及传热传质学等理论,研究了温度、压力和气体组分对混合气体密度的影响。利用布辛涅斯克小密度差近似,引入空度因子,采用双方程模型,对紊流方程组进行封闭。结合采空区非线性渗流方程和弥散方程与流动方程,首次建立了采场的紊流、过渡流和层流共存的多流态多组分气体传热传质的风流速度场、压力场、温度场、浓度场的统一数学模型。采用照相法和计算机图像处理技术,研究了采空区孔隙率分布特性,首次提出了采空区孔隙率呈“簸箕”形分布的特点。运用煤化学方法,在实验研究的基础上,进行了煤自燃的热重分析研究,创造性地提出了煤自燃过程的热重曲线三阶段划分法,即煤自燃预热失水阶段、自燃吸氧增重氧化阶段和燃烧反应阶段。并求出了自燃三阶段的活化能、指前因子和反应机理函数,得出了煤氧化反应温度与耗氧和放热的关系式,为深入研究煤的自燃倾向性和发火期奠定了理论基础。在前人研究的基础上,创新性地提出了以临界风速为指标划分“冷却带”与“氧化自燃危险带”、以煤的自燃临界氧浓度为指标划分“氧化自燃危险带”与“窒息带”的新方法,并通过试验研究确定了兖州东滩矿煤的自燃临界氧浓度值,使采空区自燃三带的划分更符合现场实际。实验研究了煤自燃标志气体的温度与浓度的关系,采用标志气体可判断煤的自燃阶段和状态,并将标志气体、热重划分的自燃三阶段与传统的定性三阶段相比较,得出了一致的结论。研究了采空区瓦斯等多组分气体可爆特性及其与温度、压力等参数的变化关系;研究了惰性气体注入后,爆炸性气体的爆炸参数的变化;得出了瓦斯等爆炸气体的爆炸界限随温度变化的关系式。重新划分了甲烷空气混合气体的爆炸分区,首次提出了贫氧-瓦斯浓度过低不爆的失爆区。此爆炸区域划分方法,能指明火区封闭或启封时防止爆炸的方法,并能计算出火区惰化抑爆所需的惰性气体量。对综放无煤柱复合采场进行了测试分析,得出了采场气体浓度场和自燃三带分布。通过数值模拟,得出了采空区氧化自燃危险带的宽度和距工作面的距离随注氮量呈负幂指数关系变化,优化了采空区注氮参数,得出

论文目录

• 1 矿井采场自然发火、瓦斯爆炸研究概述
• 1.1 引言
• 1.2 采空区渗流力学研究历史现状
• 1.3 矿井自燃火灾研究
• 1.4 目前研究存在不足
• 1.5 论文的研究方法和主要内容
• 1.6 论文研究的理论意义和实用价值
• 2 采场风流流动传热传质统一方程
• 2.1 矿内风流流动的基本方程
• 2.2 采空区气体流动的数学模型
• 2.3 采场风流流动传热传质统一方程
• 2.4 采空区孔隙率的图像法研究
• 3 煤炭自燃阶段的热重分析研究
• 3.1 自燃阶段的划分
• 3.2 判断煤自燃危险阶段的方法
• 3.3 煤自燃过程的热重曲线分析
• 4 采场自燃三带划分、自燃标志气体和临界氧浓度的实验研究
• 4.1 煤自燃的条件
• 4.2 采空区自燃三带划分方法及指标
• 4.3 判断煤炭自燃危险阶段的指标气体法和临界氧浓度
• 5 采空区多组分气体爆炸特性研究
• 5.1 瓦斯爆炸条件
• 5.2 爆炸界限及其主要影响因素
• 5.3 多种可燃气体、惰性气体共存时爆炸危险性的判定
• 6 采场风流传热传质方程组的数值方法
• 6.1 采场风流流动传热传质问题的求解方法
• 6.2 积分区域网格化和微分方程离散化的方法
• 6.3 微分方程离散的前提和方法
• 6.4 采场风流流动传热传质通用微分方程的离散
• 6.5 交错网格及动量方程的离散
• 6.6 微分方程组的求解
• 7 采场氮气防火防爆的实测和数值模拟研究
• 7.1 注氮防火防爆的必要性
• 7.2 氮气防火防爆机理与作用
• 7.3 采场漏风和自燃三带的现场实测
• 7.4 采场自燃三带的数值模拟
• 7.5 应用
• 8 结论与展望
• 8.1 全文结论
• 8.2 有待于进一步研究的工作
• 攻读学位期间已发表的学位论文内容相关的学术论文及科研成果
• 致谢
• 参考文献
• 科技查新报告