煤田火區(qū)多場耦合作用下火源中心形成與識別方法研究.pdf

1、我國現(xiàn)有煤田火區(qū)200多個，其中北方7省火災總面積已經(jīng)達到720km2，煤田火災嚴重污染大氣環(huán)境，造成珍貴煤炭資源的燒失和凍結(jié)。為保障煤炭安全開采，保護生態(tài)環(huán)境，開展煤田火區(qū)形成機理與識別方法研究具有十分重要的意義。
　　煤田火區(qū)形成與演化是在溫度場、化學場、應力場、流場等多場耦合作用下由淺部向深部發(fā)展的循環(huán)動力學過程。本論文以實驗研究為基礎，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計等方法，根據(jù)火區(qū)煤氧化自燃特性及上覆巖層熱力耦合特性，研

2、究了煤田火區(qū)火源中心形成與識別方法，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　通過煤自然發(fā)火實驗，研究了火區(qū)煤樣在低溫氧化階段的放熱強度、升溫速率、耗氧速率、特征溫度、最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風強度。根據(jù)實驗結(jié)果擬合了最高溫度點與時間、煤樣放熱強度、煤樣耗氧速度、CO、CO2產(chǎn)生率與溫度的函數(shù)關系，其中放熱強度與溫度服從指數(shù)關系。通過 TG、DTG和 DSC實驗研究了火區(qū)煤樣熱分解和燃燒階段特性及發(fā)生發(fā)展的過程機理，得出氧化升溫期間煤

3、樣質(zhì)量隨溫度變化服從Boltzmann曲線。
　　采用 MTS815.02電液三軸伺服巖石力學實驗系統(tǒng)，對火區(qū)煤巖試件從常溫升至600℃過程中的力學特征曲線進行了研究。溫度升高超過400℃后，峰值應力最大值從29.95MPa降到了15.65MPa，峰值應變增加57％；溫度從250℃升至400℃，彈性模量的下降幅度超過90%；巖樣隨溫度從室溫升至600℃的過程中產(chǎn)生裂隙形成供氧通道。通過CT掃描獲取了不同溫度下煤巖樣的二維斷面圖，分

4、析了煤巖樣在熱應力作用下的圖像特點，擬合得出煤巖體各物理參數(shù)（應力、應變、彈性模量、泊松比）與溫度之間的函數(shù)關系。
　　自主研發(fā)了煤田火區(qū)動態(tài)演化過程多參數(shù)正交試驗相似模擬平臺，基于該平臺模擬研究了火區(qū)在不同供風量、上覆巖層厚度、煤層厚度、燃燒深度和加熱速率因素及不同水平下的動態(tài)演化過程，對結(jié)果進行了因素敏感性分析。在 A-A測試層，垂直位移量最大為0.46m，應力最大為24MPa；應變在燃燒面后變化較明顯，最大值為0.15。在B

5、-B測試層，垂直位移量最大為0.5m，應力最大為19MPa，應變最大為0.067。在C-C測試層，應力、應變、垂直位移量在燃燒深度為0.8m、煤層厚度為0.3m時變化最大，分別為32MPa、0.095和0.095m。煤層厚度和燃燒深度對應力和垂直位移影響最大。
　　依據(jù)原型尺寸對火區(qū)溫度場、化學場、傳熱、傳質(zhì)和動態(tài)ODEs方程直接耦合，模擬了二維多場耦合條件下火區(qū)發(fā)展演化規(guī)律，在模擬時間達到400小時后，滲透率最大值從2.3226

6、×10-10m2增加到9.0579×10-10m2，最小值從1.1724×10-10m2增加到4.0959×10-10m2；孔隙率的最大值從0.3667增加到0.4634，最小值從0.3581增加到0.3822。以CT掃描所得的火區(qū)裂隙圖片為基礎建立了抽象化的三維模型，分析了火區(qū)在溫度、化學反應、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)應力等多場條件下的動態(tài)耦合演化過程。von Mises等效主應力峰值達到60.392MPa，第一主應力的拉應力最大為23.5M

7、Pa，位移場的最大值為-3.2429×10-7m，負值表明燒空區(qū)發(fā)生下沉，這是由于火區(qū)煤燃燒前后體積變化較大，形成了燒空區(qū)，上覆巖層產(chǎn)生垮落裂隙。
　　通過火源中心溫度紅外成像測定實驗，研究了火源中心溫度場向地表傳播的規(guī)律?；鹪粗行南虻乇韨鬟f過程持續(xù)4小時后，表面最高溫度比1小時的最高溫度升高近20℃；持續(xù)8小時后表面最高溫度升高程度開始減少，持續(xù)32小時后，地表最高溫度點的溫度趨于穩(wěn)定。當火區(qū)火源中心的燃燒狀態(tài)為線性時，表面溫度