采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合理論及應(yīng)用
采空區(qū)自然發(fā)火是井下重大災(zāi)害之一，也是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問題。本書在分析煤自燃特性參數(shù)及采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)熱與散熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬技術(shù)提出了采空區(qū)自燃發(fā)火的能量遷移理論，闡述并揭示了采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合致災(zāi)過程和機(jī)理，建立了三維多場耦合數(shù)學(xué)模型；確定了四面體單元控制體的合理圈劃方案，提出了一種具有較高精度的有限體積法的新算法；利用新算法離散自然發(fā)火模型，編制了“采空區(qū)自然發(fā)火三維仿真系統(tǒng)”，結(jié)合現(xiàn)場參數(shù)，模擬得到了注氮前后及停采狀態(tài)下的采空區(qū)各場分布情況，分析了推進(jìn)速度、遺煤厚度及工作面風(fēng)量等對自然發(fā)火的影響；提出了一種以工作面上隅角一氧化碳涌出量來定量評估采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險的新方法，提高了采空區(qū)自然發(fā)火早期預(yù)報的準(zhǔn)確性，還自主研發(fā)了一種新型干冰快速升華裝置，即干冰相變發(fā)生器，成功處置了井下的早期自然發(fā)火。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 煤礦煤自燃災(zāi)害現(xiàn)狀 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 煤自燃的相關(guān)理論研究 4
1.2.2 煤自燃過程的實(shí)驗(yàn)研究 5
1.2.3 采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬研究 6
1.2.4 研究發(fā)展趨勢 8
第2章 煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)方法 10
2.1 煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 10
2.2 煤自燃的特性參數(shù) 12
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率 12
2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率 13
2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)放熱強(qiáng)度 14
2.3 遺煤粒度分布特征 15
2.4 氧氣濃度的影響 17
2.4.1 煤樣制備及實(shí)驗(yàn)過程 18
2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 18
2.4.3 討論及驗(yàn)證 21
2.4.4 采空區(qū)耗氧速率與CO生成速率 21
2.5 粒度的影響 22
2.5.1 煤樣及實(shí)驗(yàn)過程 22
2.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 22
2.5.3 混合煤樣耗氧速率 23
2.5.4 討論 25
2.6 揮發(fā)分的影響 25
2.6.1 煤樣及實(shí)驗(yàn)過程 25
2.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 26
2.6.3 討論 28
2.7 本章小結(jié) 29
第3章 采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合致災(zāi)機(jī)理 30
3.1 采空區(qū)自然發(fā)火的能量遷移理論 30
3.1.1 采空區(qū)移動坐標(biāo)系 30
3.1.2 采空區(qū)自然發(fā)火的能量遷移理論 32
3.1.3 采空區(qū)最高溫度預(yù)判方程 33
3.2 采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合機(jī)理 36
3.2.1 采空區(qū)中“場” 的概念 37
3.2.2 采空區(qū)內(nèi)的產(chǎn)熱與散熱規(guī)律 37
3.2.3 采空區(qū)多場耦合作用的機(jī)理及過程 38
3.3 采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合數(shù)學(xué)模型 39
3.3.1 方向?qū)?shù)與梯度 39
3.3.2 采空區(qū)流場數(shù)學(xué)模型 40
3.3.3 采空區(qū)滲流參數(shù) 44
3.3.4 采空區(qū)氧氣濃度場模型 46
3.3.5 采空區(qū)冒落煤巖固體溫度場模型 49
3.3.6 采空區(qū)氣體溫度場數(shù)學(xué)模型 52
3.3.7 采空區(qū)自然發(fā)火的多場耦合三維模型 54
3.4 本章小結(jié) 55
第4章 三維模型離散方法 56
4.1 導(dǎo)熱微分方程 56
4.1.1 控制方程 56
4.1.2 邊界條件 57
4.2 有限單元法離散 58
4.2.1 導(dǎo)熱的有限單元方程 59
4.2.2 插值函數(shù) 61
4.2.3 第一類邊界及內(nèi)部單元的離散化 63
4.2.4 第二類邊界單元的離散化 66
4.2.5 第三類邊界單元的離散化 68
4.2.6 有向曲面的熱通量 70
4.2.7 導(dǎo)熱積分方程的推導(dǎo) 72
4.2.8 邊界條件 73
4.3 有限體積法離散 74
4.3.1 四面體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的控制體 74
4.3.2 導(dǎo)熱的有限體積方程 76
4.3.3 插值函數(shù) 78
4.3.4 第一類邊界及內(nèi)部單元控制體的離散化 79
4.3.5 第二類邊界單元控制體的離散化 82
4.3.6 第三類邊界單元控制體的離散化 83
4.4 有限單元法與有限體積法對比 84
4.5 本章小結(jié) 86
第5章 自然發(fā)火模型的離散及求解 87
5.1 模型中的參數(shù)離散處理 87
5.1.1 采空區(qū)氣體密度 87
5.1.2 采空區(qū)孔隙率?滲透率 88
5.2 采空區(qū)流場模型的離散 88
5.2.1 控制體與插值函數(shù)選取 89
5.2.2 采空區(qū)流場方程離散 90
5.2.3 流場邊界處理 91
5.2.4 采空區(qū)速度方程的離散 92
5.3 采空區(qū)氧氣濃度場模型的離散 92
5.3.1 控制體與插值函數(shù)選取 92
5.3.2 采空區(qū)氧氣濃度場方程離散 93
5.3.3 氧氣濃度場邊界處理 95
5.4 采空區(qū)溫度場模型離散 95
5.4.1 控制體與插值函數(shù)選取 96
5.4.2 冒落煤巖固體溫度場離散 96
5.4.3 氣體溫度場離散 99
5.4.4 溫度場邊界處理 101
5.5 采空區(qū)解算區(qū)域及網(wǎng)格劃分 104
5.5.1 解算區(qū)域 104
5.5.2 網(wǎng)格劃分 104
5.5.3 節(jié)點(diǎn)編號及坐標(biāo) 105
5.6 線性方程組的求解 107
5.6.1 節(jié)點(diǎn)線性方程的總體合成 107
5.6.2 系數(shù)矩陣的壓縮與存儲 108
5.6.3 系數(shù)矩陣的求解方法 111
5.7 程序設(shè)計 113
5.8 本章小結(jié) 114
第6章 采空區(qū)自然發(fā)火三維數(shù)值仿真 115
6.1 采空區(qū)自然發(fā)火三維仿真系統(tǒng) 115
6.1.1 基礎(chǔ)參數(shù)輸入 116
6.1.2 運(yùn)行及解算過程 116
6.2 采空區(qū)的自然發(fā)火模擬 117
6.2.1 模擬參數(shù)選取 118
6.2.2 采空區(qū)壓力場分布 119
6.2.3 采空區(qū)速度場分布 120
6.2.4 采空區(qū)氧氣濃度場分布 122
6.2.5 采空區(qū)氣體及固體溫度場分布 123
6.3 工作面推進(jìn)速度的影響 126
6.3.1 推進(jìn)速度對氧氣濃度場的影響 126
6.3.2 推進(jìn)速度對固體溫度場的影響 127
6.4 遺煤厚度的影響 129
6.4.1 遺煤厚度對氧氣濃度場的影響 129
6.4.2 遺煤厚度對固體溫度場的影響 130
6.5 工作面供風(fēng)量的影響 132
6.5.1 工作面供風(fēng)量對氧氣濃度場的影響 132
6.5.2 工作面供風(fēng)量對固體溫度場的影響 133
6.6 最小防火推進(jìn)速度 135
6.6.1 解算結(jié)果 135
6.6.2 合理性分析 136
6.7 本章小結(jié) 137
第7章 注氮后采空區(qū)自然發(fā)火仿真 138
7.1 采空區(qū)注氮設(shè)計 138
7.1.1 注氮量確定及注氮設(shè)備選型 138
7.1.2 注氮位置確定及管路管徑選型 140
7.1.3 注氮管路布置 140
7.2 采空區(qū)開區(qū)注氮數(shù)學(xué)模型及離散 141
7.2.1 采空區(qū)開區(qū)注氮數(shù)學(xué)模型 141
7.2.2 模型離散 142
7.3 采空區(qū)防火注氮數(shù)值模擬 143
7.3.1 注氮后的采空區(qū)壓力場 143
7.3.2 注氮后的采空區(qū)氧氣濃度場 144
7.3.3 注氮后的采空區(qū)溫度場 145
7.4 采空區(qū)溫度現(xiàn)場觀測驗(yàn)證 147
7.4.1 測溫系統(tǒng) 147
7.4.2 現(xiàn)場測溫方案及過程 149
7.4.3 現(xiàn)場溫度觀測結(jié)果 150
7.4.4 觀測結(jié)果與模擬結(jié)果對比 151
7.4.5 采空區(qū)綜合防火技術(shù)措施 152
7.5 本章小結(jié) 152
第8章 停采后采空區(qū)自然發(fā)火仿真 153
8.1 停采后采空區(qū)自然發(fā)火模型 153
8.2 停采數(shù)學(xué)模型的離散 154
8.2.1 停采后流場方程離散 154
8.2.2 停采后氧氣濃度場模型的離散 157
8.2.3 停采后溫度場模型離散 160
8.3 方程組求解及程序設(shè)計 165
8.4 數(shù)值模擬結(jié)果 166
8.4.1 停采下的采空區(qū)壓力場分布 167
8.4.2 停采狀態(tài)下的采空區(qū)氧氣濃度場分布 168
8.4.3 停采狀態(tài)下的采空區(qū)溫度場分布 169
8.5 影響因素分析 172
8.5.1 原始工作面推進(jìn)速度 172
8.5.2 遺煤厚度 174
8.6 本章小結(jié) 175
第9章 采空區(qū)自然發(fā)火定量化預(yù)報技術(shù) 176
9.1 采空區(qū)一氧化碳濃度場數(shù)學(xué)模型 178
9.1.1 采空區(qū)一氧化碳生成與運(yùn)移 178
9.1.2 多場耦合下一氧化碳濃度場模型 179
9.1.3 模型離散 181
9.2 計算結(jié)果及驗(yàn)證 184
9.2.1 解算軟件升級 184
9.2.2 模擬示例與參數(shù)設(shè)置 184
9.2.3 模型驗(yàn)證 185
9.3 采空區(qū)一氧化碳運(yùn)移影響因素 187
9.3.1 工作面推進(jìn)速度 187
9.3.2 工作面風(fēng)量 188
9.3.3 遺煤厚度 189
9.4 采空區(qū)自然發(fā)火定量預(yù)報函數(shù) 191
9.5 本章小結(jié) 192
第10章 干冰相變惰化防滅火技術(shù) 193
10.1 干冰快速相變技術(shù)簡介 195
10.2 基本性能測試 196
10.2.1 二氧化碳產(chǎn)氣量及衰減 196
10.2.2 承壓測試 197
10.3 現(xiàn)場應(yīng)用 198
10.3.1 停采面高溫區(qū)域定位 199
10.3.2 支架后部高溫區(qū)處置 199
10.3.3 巷道頂煤高溫區(qū)處置 201
10.4 本章小結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 204
后記 213
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