煤自然發(fā)火期快速預(yù)測(cè)研究.pdf

1、自然發(fā)火期是衡量煤自然發(fā)火的主要特征參數(shù)，是指導(dǎo)煤礦現(xiàn)場(chǎng)防滅火工作的重要依據(jù)，也是煤礦火災(zāi)研究的難點(diǎn)之一。本文在綜合分析前人有關(guān)煤自然發(fā)火機(jī)理及煤自燃測(cè)試分析技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，提出了包括煤低溫氧化自熱、陰燃、點(diǎn)燃的煤自然發(fā)火過(guò)程描述模型，基于宏觀物理場(chǎng)描述建立了煤自然發(fā)火動(dòng)態(tài)氧化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型及多孔滲流與非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，研制了煤最短自然發(fā)火期的專(zhuān)用測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了熱補(bǔ)償絕熱邊界條件與外加恒熱流源加速氧化條件下的煤最短自然發(fā)火期快速預(yù)測(cè)

2、，通過(guò)分析解、數(shù)值解與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，以及工程實(shí)例對(duì)比研究，提供了一種煤最短自然發(fā)火期的快速測(cè)試方法及技術(shù)途徑。
　　 ⑴引入陰燃理論，提出了描述煤自然發(fā)火過(guò)程的自熱陰燃點(diǎn)燃觀點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上建立了煤自然發(fā)火自熱陰燃點(diǎn)燃數(shù)學(xué)模型。指出煤自燃包括物理吸附、化學(xué)吸附、氧化反應(yīng)三類(lèi)反應(yīng)，把煤自然發(fā)火過(guò)程劃分為自熱、陰燃、點(diǎn)燃三個(gè)階段，每個(gè)階段有一個(gè)特征溫度(臨界反應(yīng)溫度)，該溫度區(qū)分了煤自燃的不同反應(yīng)特征。同時(shí)，運(yùn)用集總參數(shù)法等方法獲

3、得了幾種特定條件下的分析解，分析了模型在煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)中的作用；然后采用有限容積法對(duì)模型控制方程組進(jìn)行了離散，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維軸對(duì)稱(chēng)松散煤體滲流場(chǎng)-氧濃度場(chǎng)-溫度場(chǎng)的耦合數(shù)值求解，并通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的合理性。
　　 ⑵基于煤自然發(fā)火自熱陰燃點(diǎn)燃數(shù)學(xué)模型，研制了煤最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐體、壁面結(jié)構(gòu)、供風(fēng)裝置、溫度、氣體組分測(cè)試裝置等組成部分的原理與特征進(jìn)行了分析，給出了實(shí)驗(yàn)裝置表面散熱量的測(cè)試與計(jì)算方法。

4、針對(duì)煤樣粒徑、煤樣孔隙率、浮煤厚度和氣體滲流速度等若干煤自燃影響因素，對(duì)煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了分析，確定了最優(yōu)初始實(shí)驗(yàn)條件。
　　 ⑶基于煤最短自然發(fā)火期測(cè)試系統(tǒng)，分析了實(shí)驗(yàn)裝置的外部漏熱量，確定了測(cè)試過(guò)程中的外加恒熱流條件，測(cè)試了煤氧化過(guò)程各階段的溫升速率、耗氧速率、一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w生成規(guī)律等一系列表征煤低溫氧化能力的宏觀參數(shù)的變化特征，獲得了煤快速氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的耗氧速率，結(jié)合Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程擬合得到了煤

5、氧化升溫過(guò)程的活化能和指前因子等氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并將上述邊界條件和定解條件代入煤自燃陰燃非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，最終建立了外加恒熱流邊界條件下的煤最短自然發(fā)火快速預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了可用于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析用的煤自然發(fā)火期的快速預(yù)測(cè)。
　　 ⑷通過(guò)不同煤樣的絕熱氧化實(shí)驗(yàn)和加速氧化試驗(yàn)，對(duì)煤的自熱與陰燃點(diǎn)燃數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析，對(duì)比同種工況下模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的耗氧速率和溫度數(shù)據(jù)，兩者表現(xiàn)出較好的一致性，通過(guò)改變模型定解條件數(shù)值解得到了煤在絕熱