煤自然过程与临界着火条件的模拟研究

论文摘要

煤炭自燃是引起矿井火灾和煤在储运过程中起火的主要因素之一,往往会造成人员伤亡及国家财产损失。煤炭自然火灾事故对煤矿安全的危害不亚于瓦斯、煤尘爆炸等事故,已经成为制约煤矿安全生产的主要因素之一。煤炭自燃只有在一定的通风、供氧、及蓄热等形成临界条件下才会发生,因而研究煤的自然着火过程以及煤着火的临界条件具有很大的学术与实用价值。本文旨在利用实验测试与数值模拟相结合的方法来研究煤自燃发生、发展过程,进而预测出一定条件下的煤自然发火时间,并模拟分析煤自燃过程的临界着火条件。由实验研究着手,搭建辅助热源加热工况下的煤自然发火实验装置,模拟煤在破碎有氧条件下的低温氧化升温过程。基于实验测试结果,将煤自燃过程分为煤氧化学吸附过程和化学反应过程两个不同的阶段,分别拟合得到煤氧化学吸附和化学反应阶段的耗氧速率分段数学表达式。然后以数值模拟为手段,利用从实验中拟合的不同氧化阶段的耗氧速率,根据多孔介质传热传质理论建立描述煤自然发火过程的非稳态预测模型。模型中考虑了松散煤体内渗流速度场分布、煤与氧相互作用温度及氧浓度的分布规律,忽略水分等因素对煤自燃过程的影响。最后,利用所建立的数学模型模拟计算实验煤样在多种工况下的自然发火过程,比较分析不同煤体孔隙率和供风风速等因素对煤自燃过程的影响,确定出适用于本实验装置的煤着火临界条件。从数值模拟与实验测试结果对比分析来看,二者表现出较好的一致性。数值预测出实验煤样38天的自然发火时间与矿井现场提供的45天的实际着火时间吻合较好。这说明将煤低温氧化过程分为煤氧化学吸附过程和化学反应过程两个不同阶段具有一定的合理性。模拟计算确定出适用于本实验装置的临界着火条件：煤体孔隙率为0.3～0.4,供风风速为0.0001～0.0003m/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 煤自燃过程估算方法
• 1.2.2 煤自燃过程实验研究现状
• 1.2.3 煤自燃过程数值模拟研究现状
• 1.2.4 煤自燃过程研究发展趋势
• 1.3 本文的研究内容
• 2 煤炭自燃过程理论分析
• 2.1 煤炭自燃过程概述
• 2.1.1 煤炭自燃过程
• 2.1.2 煤炭自燃特征温度
• 2.1.3 煤炭自燃发生的必要条件
• 2.2 煤炭自燃过程氧化动力学特性
• 2.2.1 碰撞理论
• 2.2.2 煤炭自燃过程耗氧机制分析
• 2.2.3 煤炭自燃过程耗氧速率计算模型
• 2.2.4 煤炭自燃过程一氧化碳和二氧化碳生成率计算模型
• 2.3 煤炭自燃过程氧化热力学特性
• 2.4 小结
• 3 煤快速氧化实验及自燃特性参数确定
• 3.1 实验装置
• 3.1.1 炉体结构
• 3.1.2 风流监控系统
• 3.1.3 温度与气体检测系统
• 3.2 实验过程与结果分析
• 3.2.1 实验条件
• 3.2.2 实验结果与分析
• 3.3 煤自燃特性参数的确定
• 3.3.1 耗氧速率的确定
• 3.3.2 一氧化碳和二氧化碳气体生成率的确定
• 3.4 小结
• 4 数学模型的建立及求解方法
• 4.1 数学模型建立
• 4.1.1 质量守恒方程
• 4.1.2 动量守恒方程
• 4.1.3 氧浓度守恒方程
• 4.1.4 能量守恒方程
• 4.2 控制方程的离散
• 4.2.1 常用的离散方法
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 控制方程离散推导
• 4.3 定解条件
• 4.4 求解方法及步骤
• 4.5 小结
• 5 煤自燃过程模拟及临界着火条件确定
• 5.1 模型验证及分析
• 5.1.1 典型测点温度与氧浓度的对比分析
• 5.1.2 煤自燃过程数值预测
• 5.2 煤自燃过程临界着火条件的确定
• 5.2.1 孔隙率的确定
• 5.2.2 供风风速的确定
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 符号表
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢