煤田火區煤岩裂隙演化過程中溫度的分布與變化規律

《煤田火區煤岩裂隙演化過程中溫度的分布與變化規律》是依託中國礦業大學，由仲曉星擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：煤田火區煤岩裂隙演化過程中溫度的分布與變化規律
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：仲曉星
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

認識煤田火區溫度場的分布規律是火區識別和治理工藝最佳化的基礎。煤火發展過程中火區煤岩裂隙的變化改變了火區的供氧條件和熱傳遞路徑，對火區溫度場影響很大。本項目針對這一特徵，在測試火區煤岩樣變溫條件下的破裂過程及其力學與熱物性參數的基礎上，運用顆粒流理論，採用離散元方法研究熱力作用下火區預熱區、燃燒區和燒空區煤岩體的裂隙演化過程及滲透性變化規律，分析煤火發展過程中各區域裂隙、滲透率與溫度的關係，在此基礎上構建體現化學反應-裂隙-滲流-溫度之間協同變化關係的煤火非穩態模型，開展典型火區煤岩裂隙與溫度分布的數值模擬和實測結果的對比分析，最佳化數學模型和計算方法，形成反映火區各參數耦合關係的溫度場非穩態分析方法，研究煤田火區煤岩裂隙演化過程中溫度的時空變化規律，對煤火治理急需解決的問題，包括火區地表裂隙與地下高溫區的關係，火區地下高溫區的空間分布等進行深入研究,為制定有針對性的煤火治理方案提供依據。

結題摘要

本項目測試了火區覆岩的力學參數和熱物性參數，掌握了不同溫度條件下粉砂岩力學參數和熱物性參數的變化規律；在此基礎上，根據微觀參數標定準則，通過數值模擬與實驗結果的對比分析，得到了不同溫度下火區覆岩的微觀力學參數。以新疆某火區為原型，分析了煤火演化過程中覆岩裂隙及滲透率的變化規律，結果表明：隨著火區溫度的升高，覆岩各區域裂隙數及滲透率都呈增大的趨勢，煤火發展不同階段控制覆岩裂隙發育的主要因素不同，在煤初始低溫氧化階段和高溫燃盡階段覆岩裂隙發育主要受力學參數的控制，在遺煤燃燒階段覆岩裂隙發育受煤燒損和力學參數共同控制。 基於煤田火區多場耦合關係的分析，構建了包含氧氣消耗源相、煤燃燒產熱、煤岩孔隙率演化、煤岩流通阻力演化、氣固換熱以及氣體密度演化特性的煤田火區多場耦合非穩態數學模型；運用C語言將煤田火區多場耦合非穩態數學模型編譯成了用戶自定義函式（UDF），基於CFD解算平台，形成了基於多場耦合的煤田火區溫度場非穩態分析方法，並對其準確性開展了現場對比分析。 採用構建的煤田火區多場耦合非穩態數學模型和分析方法，研究了礦井火-地表火共存火區的發生髮展過程，結果表明：礦井採空區遺煤發生自燃後，高溫煙氣由井上下連通通道擴散至地表，烘烤淺部風化程度較高的露頭煤，導致露頭煤燃燒，並隨著燃燒加劇逐漸向四周擴張，形成礦井-地表貫通型共存火區。在此基礎上，研究得到了煤燃燒熄滅的極限氧濃度，揭示了淺部封堵滅火滲透條件，構建了淺部封堵控氧窒息技術體系，並在新疆火區進行了現場試驗，實現了共存火區的高效治理。 本項目研究成果經第三方評價達到國際領先水平，獲新疆維吾爾自治區科技進步二等獎1項（已公示），第六屆安全生產科技成果三等獎1項；發表高水平論文11篇，其中SCI收錄8篇，EI收錄1篇，出版專著1部；授權國家發明專利4項，軟體著作權1項，培養碩士研究生7人。