發(fā)布時間：2020-11-07 11:12

　　 煤礦采空區(qū)是煤自燃災(zāi)害易發(fā)地點(diǎn),也是瓦斯解吸運(yùn)移的重要場所。隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的增加,煤自燃災(zāi)害與瓦斯災(zāi)害日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重威脅著煤炭安全開采。采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸災(zāi)害能造成重特大人員傷亡事故,并導(dǎo)致煤塵粉塵爆炸和礦井通風(fēng)系統(tǒng)紊亂等次生災(zāi)害。因此,采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸災(zāi)害的形成過程研究及災(zāi)害防治技術(shù)效果研究對煤礦生產(chǎn)安全具有十分重要的意義。近年來,盡管開展了大量的現(xiàn)場工程技術(shù)研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值研究,采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸的災(zāi)害形成過程仍不夠清晰,災(zāi)害防治工作仍面臨理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持不充分的難題。該災(zāi)害形成機(jī)理研究難點(diǎn)在于煤自燃與瓦斯爆炸災(zāi)害過程的時空演變復(fù)雜性,采空區(qū)煤自燃對瓦斯運(yùn)動的具體影響在理論上較難準(zhǔn)確分析,在實(shí)踐中較難捕捉。本文以采空區(qū)煤自燃環(huán)境為研究背景,采用理論分析、物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的研究方法,實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)煤自燃浮力效應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境并建立了相應(yīng)的數(shù)值模型,系統(tǒng)地研究了采空區(qū)煤自燃環(huán)境瓦斯運(yùn)動積聚規(guī)律,揭示了采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸的災(zāi)害形成過程。論文主要研究內(nèi)容及成果如下:1.根據(jù)流體力學(xué)理論,分析了采空區(qū)煤自燃點(diǎn)風(fēng)流具有的熱力學(xué)運(yùn)動特征,建立了采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動數(shù)學(xué)模型,為采空區(qū)煤自燃環(huán)境風(fēng)流運(yùn)動變化明確了理論依據(jù)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,流入煤自燃點(diǎn)的風(fēng)流會產(chǎn)生加速現(xiàn)象,流出煤自燃點(diǎn)的風(fēng)流會產(chǎn)生減速現(xiàn)象;根據(jù)動量守恒定律,煤自燃點(diǎn)產(chǎn)生浮力效應(yīng)并形成上升氣流;氣體組分運(yùn)輸方程考慮了煤自燃點(diǎn)風(fēng)流變化、溫度變化和孔隙度對氣體組分運(yùn)動產(chǎn)生的聚集性影響。根據(jù)流體力學(xué)理論和采空區(qū)多孔介質(zhì)環(huán)境,構(gòu)建了耦合熱浮力作用的采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動模型,將煤自燃高溫對氣體密度的影響分別在質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程中實(shí)現(xiàn),并考慮了采空區(qū)多孔介質(zhì)中機(jī)械彌散作用對風(fēng)流運(yùn)動和氣體組分運(yùn)移的影響。2.開展了采空區(qū)不同煤自燃條件下的瓦斯運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn),獲得了煤自燃點(diǎn)瓦斯積聚新現(xiàn)象。采空區(qū)煤自燃環(huán)境瓦斯運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)臺主要特點(diǎn)包括:采空區(qū)填充材料為熱物理性質(zhì)接近實(shí)際的石子;采空區(qū)底部為瓦斯來源;模擬了采空區(qū)進(jìn)/回風(fēng)側(cè)煤自燃和不同工作面風(fēng)速下的瓦斯運(yùn)移情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采空區(qū)無煤自燃時,瓦斯?jié)舛仍谧呦蚍较蚝蛢A斜方向上均呈單調(diào)遞增趨勢分布;采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)發(fā)生煤自燃時,煤自燃點(diǎn)形成瓦斯積聚,瓦斯?jié)舛仍诿鹤匀键c(diǎn)呈“?”字母形狀分布;采空區(qū)回風(fēng)側(cè)發(fā)生煤自燃時,煤自燃點(diǎn)形成瓦斯積聚,瓦斯?jié)舛仍诿鹤匀键c(diǎn)呈倒“n”字母形狀分布。增大工作面風(fēng)速能夠降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛群兔鹤匀键c(diǎn)積聚的瓦斯?jié)舛取?.基于建立的采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動模型進(jìn)行了數(shù)值模擬并得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,確認(rèn)了理論依據(jù)的科學(xué)性,提出采空區(qū)煤自燃點(diǎn)“多孔煙囪效應(yīng)”理論揭示采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸的災(zāi)害形成機(jī)理,研究了加強(qiáng)通風(fēng)措施的災(zāi)害防治效果。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,采空區(qū)煤自燃點(diǎn)位置出現(xiàn)明顯的瓦斯積聚現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬結(jié)果表現(xiàn)出一致性,確定了耦合浮力效應(yīng)的采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動模型的合理性;不考慮浮力效應(yīng)時,數(shù)值模擬結(jié)果無法得到煤自燃點(diǎn)瓦斯積聚現(xiàn)象。采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動模型對溫度較為敏感,煤自燃點(diǎn)“多孔煙囪效應(yīng)”在較低煤自燃溫度(400 K左右)即能形成,引起煤自燃點(diǎn)瓦斯積聚現(xiàn)象,隨溫度升高,積聚瓦斯?jié)舛戎饾u增大至最大值。通過對煤自燃點(diǎn)流場特征分析,提出煤自燃點(diǎn)“多孔煙囪效應(yīng)”揭示采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸的災(zāi)害形成過程如下:(1)采空區(qū)煤自燃點(diǎn)高溫降低氣體密度,產(chǎn)生氣體浮力效應(yīng);(2)在采空區(qū)多孔介質(zhì)環(huán)境中,高溫浮力效應(yīng)發(fā)展為煤自燃點(diǎn)“多孔煙囪效應(yīng)”,煤自燃區(qū)域內(nèi)形成上升熱氣流和負(fù)壓;(3)煤自燃區(qū)域負(fù)壓不斷抽吸周圍較高濃度瓦斯,并在浮力作用下形成瓦斯上升運(yùn)動,最終在煤自燃點(diǎn)形成瓦斯積聚現(xiàn)象;(4)積聚在煤自燃區(qū)域的瓦斯被煤自燃高溫點(diǎn)燃,形成瓦斯爆炸災(zāi)害。通風(fēng)加強(qiáng)措施的災(zāi)害防治效果因煤自燃情況變化而不同。煤自燃發(fā)生在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)時,通風(fēng)加強(qiáng)措施在煤自燃早中晚期(400 K、700 K和900 K)能夠?qū)⒚鹤匀键c(diǎn)瓦斯?jié)舛冉档偷酵咚贡�炸極限以下,起到較好的災(zāi)害防治效果;煤自燃發(fā)生在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)時,通風(fēng)加強(qiáng)措施在煤自燃早期(400 K)不能將瓦斯積聚濃度降低到瓦斯爆炸極限以下,在煤自燃中后期(700 K和900 K)將瓦斯?jié)舛冉档椭镣咚贡�炸極限內(nèi),增加了煤自燃引爆瓦斯的危險(xiǎn)性。本論文有圖118幅,表10個,參考文獻(xiàn)173篇。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TD752.2
【部分圖文】：

的研究難度[132-133]。受孔隙度、孔隙連通水平和迂曲度等因素的影響，多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動通常更加復(fù)雜。采空區(qū)是典型的填充型多孔介質(zhì)空間，受煤炭開采作業(yè)影響如采空區(qū)漏風(fēng)、遺煤自燃和采空區(qū)瓦斯抽采等現(xiàn)象和措施，多孔采空區(qū)氣體運(yùn)動研究難度進(jìn)一步增大。不同于固體受力分析，流體在運(yùn)動過程中容易發(fā)生大的變形，該特點(diǎn)不利于對流體進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)受力分析。因此，通常采用歐拉法對流體運(yùn)動進(jìn)行分析描述，歐拉法不直接分析研究質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，而以流體運(yùn)動空間即流場作為對象進(jìn)行分析[134-135]。歐拉描述法原理示意圖如圖2-1所示，它取流場中某一固定單位空間（控制體）作為研究載體，從質(zhì)量、動量和能量守恒角度分析流體質(zhì)點(diǎn)在流經(jīng)該控制體時流體各種性質(zhì)和參數(shù)的變化。取采空區(qū)遺煤自燃高溫點(diǎn)一單位空間為研究對象（控制體），可根據(jù)守恒定律定性分析單元體內(nèi)氣體流動的變化情況，如流速大孝流速方向和氣體溫度的變化規(guī)律。圖2-1歐拉描述法示意圖Figure2-1IllustrationofEulermethod從質(zhì)量守恒角度分析可知，采煤工作面產(chǎn)生的漏風(fēng)風(fēng)流作為質(zhì)量流入項(xiàng)（從控制體外部進(jìn)入產(chǎn)生的增加量）進(jìn)入煤自燃高溫點(diǎn)控制體，同時高溫點(diǎn)控制體內(nèi)的氣體向外部流出（從控制體內(nèi)部流出產(chǎn)生的減少量）。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，煤自燃點(diǎn)控制體內(nèi)的高溫將會降低氣體密度。由于局部煤自燃點(diǎn)的存在，流入和流出煤自燃點(diǎn)控制體的氣體溫度并不同。以高溫控制體為例分析，煤自燃點(diǎn)控制體的流入氣體溫度低于流出氣體溫度，流入氣體密度大于流出氣體密度。為了滿足質(zhì)量守恒定律，不同密度的氣體需要產(chǎn)生相同的氣體質(zhì)量流量，這必然導(dǎo)致流入和流出氣體體積流量的不同。密度小的氣體需要更大的體積流量，密度大的氣體需要更小的體積流量。因此，在單位控制體對應(yīng)截

為能量流出項(xiàng)（從控制體內(nèi)部流出的減少量）。高溫點(diǎn)控制體內(nèi)的煤自燃產(chǎn)熱則作為源項(xiàng)對控制體內(nèi)的氣體能量變化起到重大影響作用，其表現(xiàn)為氣體溫度升高、氣體流速增大和氣體向上運(yùn)動等。由于采空區(qū)煤自燃點(diǎn)附近氣體流動速度低，能量的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化形式以熱傳導(dǎo)為主，并伴隨一定程度的流體固體對流換熱。采空區(qū)作為復(fù)雜的多孔介質(zhì)環(huán)境，其中的氣體運(yùn)動相當(dāng)復(fù)雜，氣體和固體的熱物理性質(zhì)對煤自燃高溫點(diǎn)控制體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生較明顯影響。能量方程的合理建立也將通過影響流體溫度和密度來改變采空區(qū)煤自燃點(diǎn)氣體運(yùn)動規(guī)律。圖2-2采空區(qū)流場方程組示意圖Figure2-2Illustrationofequationgroupforairflowfieldincoalminegob質(zhì)量守恒方程能量守恒方程動量守恒方程邊界條件耦合條件

2采空區(qū)煤自燃環(huán)境氣體流動模型15量守恒定律，氣體流出體積量必須小于氣體流入體積量，導(dǎo)致氣體流出速度小于流體流入速度，即出現(xiàn)流體速度減慢現(xiàn)象，如圖2-3所示情形3，該情形適用于氣體流出煤自燃高溫點(diǎn)影響范圍時的流體運(yùn)動分析。因此，盡管質(zhì)量守恒方程形式未發(fā)生變化，但通過具體環(huán)境情形的分析，得到了采空區(qū)煤自燃高溫環(huán)境下氣體運(yùn)動變化的三種情況。圖2-3流體密度變化引起的流速變化Figure2-3Changeoffluidflowvelocitycausedbyfluiddensityvariation2.1.2動量守恒方程流體動量守恒方程描述了流體系統(tǒng)所受外力與流體系統(tǒng)動量變化之間的關(guān)系。流體動量守恒方程的選擇與構(gòu)建需要結(jié)合流體運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行確定。不同的流體運(yùn)動狀態(tài)需要能夠體現(xiàn)各自特點(diǎn)的動量守恒方程進(jìn)行描述，如湍流狀態(tài)的流體動量守恒方程可用“納維–斯托克斯”方程描述，過渡流狀態(tài)流體動量守恒方程需用“福希海默–達(dá)西”方程描述，層流運(yùn)動狀態(tài)流體動量守恒方程可用達(dá)西定律描述[65,59,139]。雷諾數(shù)作為描述流體運(yùn)動狀態(tài)的指標(biāo)，可以判斷流體的不同運(yùn)動狀態(tài)。雷諾數(shù)計(jì)算公式如下，流體流入速度V1流體流出速度V2密度不變（恒溫）控制體(REV)=情形1：流體密度不變（煤自燃影響范圍外）情形2：流體密度變�。�氣體流入煤自燃影響范圍）情形3：流體密度變大（氣體流出煤自燃影響范圍）流體流入速度V1流體流出速度V2密度變�。ㄉ郎兀┛刂企w(REV)<流體流入速度V1流體流出速度V2密度變大（降溫）控制體(REV)>V1V2V1V2V1V2
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本文編號：2873864