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《浙江大学》 2010年
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煤自然发火期快速预测研究

梁运涛  
【摘要】:自然发火期是衡量煤自然发火的主要特征参数,是指导煤矿现场防灭火工作的重要依据,也是煤矿火灾研究的难点之一。本文在综合分析前人有关煤自然发火机理及煤自燃测试分析技术研究成果的基础上,提出了包括煤低温氧化自热、阴燃、点燃的煤自然发火过程描述模型,基于宏观物理场描述建立了煤自然发火动态氧化反应数学模型及多孔渗流与非稳态传热模型,研制了煤最短自然发火期的专用测试装置,实现了热补偿绝热边界条件与外加恒热流源加速氧化条件下的煤最短自然发火期快速预测,通过分析解、数值解与实测数据的验证,以及工程实例对比研究,提供了一种煤最短自然发火期的快速测试方法及技术途径。 首先,引入阴燃理论,提出了描述煤自然发火过程的自热阴燃点燃观点,并在此基础上建立了煤自然发火自热阴燃点燃数学模型。指出煤自燃包括物理吸附、化学吸附、氧化反应三类反应,把煤自然发火过程划分为自热、阴燃、点燃三个阶段,每个阶段有一个特征温度(临界反应温度),该温度区分了煤自燃的不同反应特征。同时,运用集总参数法等方法获得了几种特定条件下的分析解,分析了模型在煤自然发火预测中的作用;然后采用有限容积法对模型控制方程组进行了离散,实现了对二维轴对称松散煤体渗流场-氧浓度场-温度场的耦合数值求解,并通过对比分析,验证了数学模型的合理性。 其次,基于煤自然发火自热阴燃点燃数学模型,研制了煤最短自然发火期实验测试系统,对实验反应炉体、壁面结构、供风装置、温度、气体组分测试装置等组成部分的原理与特征进行了分析,给出了实验装置表面散热量的测试与计算方法。针对煤样粒径、煤样孔隙率、浮煤厚度和气体渗流速度等若干煤自燃影响因素,对煤自然发火实验条件进行了分析,确定了最优初始实验条件。 第三,基于煤最短自然发火期测试系统,分析了实验装置的外部漏热量,确定了测试过程中的外加恒热流条件,测试了煤氧化过程各阶段的温升速率、耗氧速率、一氧化碳和二氧化碳气体生成规律等一系列表征煤低温氧化能力的宏观参数的变化特征,获得了煤快速氧化实验过程中的耗氧速率,结合Arrhenius动力学方程拟合得到了煤氧化升温过程的活化能和指前因子等氧化动力学参数。并将上述边界条件和定解条件代入煤自燃阴燃非稳态数学模型,最终建立了外加恒热流边界条件下的煤最短自然发火快速预测方法,实现了可用于实验室常规分析用的煤自然发火期的快速预测。 通过不同煤样的绝热氧化实验和加速氧化试验,对煤的自热与阴燃点燃数学模型进行了验证分析,对比同种工况下模型预测与实验实测的耗氧速率和温度数据,两者表现出较好的一致性,通过改变模型定解条件数值解得到了煤在绝热条件下的最短自然发火期,并将其与该煤样实际开采时的自然发火期对比,预测结果与实际吻合良好,说明了模型的准确度较高。
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