煤田火災防治理論與方法

《煤田火災防治理論與方法》是依託中國礦業大學，由王德明擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤田火災防治理論與方法
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：王德明
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

針對煤田火災地質條件複雜、燃燒面積大、煤岩溫度高等特點，研究貧氧條件下煤低溫氧化與高溫燃燒的產熱產物機理及影響因素，火區煤岩熱量賦存及傳遞規律，煤火燃燒系統中供氧通道及動力特性，闡明大型煤田自燃機理、煤火分布及發展規律；研究燒變煤岩電磁特性及火區電磁場變化規律，複雜火區電磁場特徵的正演方法，構建基於多元探測信息和聯合反演的煤火燃燒位置與狀態的探測理論與方法；研究不同滅火介質在火區裂隙與通道中的滲流與擴散特性及其與高溫煤岩體的熱量高效置換方法，構建集三相泡沫、高壓水霧、稠化漿體等高效滅火技術於一體的火區綜合治理新方法。通過本項目研究，建立以大型煤田自燃機理和火區發展理論為基礎、以電磁法與磁法為主的火區精確定位方法為前提、以增加水漿與高溫煤岩接觸面積的多相介質綜合滅火技術為手段的煤田火災防治理論與方法，為高效治理現有火區並有效遏制新火區的形成提供理論指導和技術支撐。

結題摘要

本項目研究了貧氧條件下煤低溫氧化與高溫燃燒特性。通過研究煤中活性結構單元的可行反應序列，確定了貧氧環境中CO、CO2等氣體產物的生成路徑及氧化產熱路徑。基於對煤貧氧燃燒過程中質量變化及工業參數與元素含量的分析，確定煤體貧氧燃燒包括揮發分燃燒（有焰燃燒）和焦炭氧化燃燒（陰燃），提出了煤燃盡特性轉變的臨界氧濃度。通過煤中活性基團的恆溫測試分析，發現貧氧環境中含氧基團和芳香結構決定了煤體陰燃的發展。通過構建煤田火區熱流固化多場耦合數學模型，模擬了火區溫度場及裂隙場的時空演化過程，得到了煤田火區溫度及滲透率變化的規律：貧氧條件下高溫區首先向進風側移動，且圍岩溫度異常區呈橢圓形分布，頂板岩層溫度異常區滯後於燃燒中心；覆岩滲透率隨溫度升高快速上升，達到一定溫度後趨勢減緩，也確定了地表覆蓋層滲透率與火區熄滅的關係。 本項目研究了煤火中熱致磁、電異常的原因及發生規律。磁異常的產生主要是因為磁矩在地磁場中的擇優排列及磁鐵礦的產生；電位異常正比於火區溫度，且隨埋深的增大而減小；岩石電導率的變化主要歸因於載流子濃度升高與熱破裂發展的耦合作用。構建了煤田火災磁異常以及電阻率異常正演模型，確定火區磁異常主要是由於燃燒後方降溫後的燒變岩引起且呈軸對稱分布。提出了一種煤田火災聯合反演解釋方法，基於磁異常數據和自然電位數據融合的火區綜合指數來表征火區，為煤火災害的精確探測定位和高效治理提供了理論基礎與科學依據。 本項目研究了鬆散介質高溫區及空洞火區的熱量賦存、傳遞規律和滅火方法與技術。空洞火區的高溫點分布在空洞頂部及四周內壁，鬆散介質區域作為主要漏風通道長期受到來自周圍火區高溫煙氣的對流傳熱的影響，導致滅火降溫困難。研究得出了多相滅火介質在火區煤岩中的擴散距離和滅火特性，提出了細水霧滅火降溫新技術，研發了大流量、高壓力車載式多功能集成滅火系統。本研究結合實際，將這些方法與技術成功套用于山西朔州礦區的煤火治理，取得了顯著效果。 通過本項目的研究，出版中英文學術專著5部；發表學術論文60篇（SCI檢索33篇，EI檢索16篇）；授權國家發明專利13項，實用新型專利4項；獲國家技術發明二等獎1項，省部級二等獎1項、三等獎1項；組織召開了“地下煤火防治與利用學術會議”，籌建了“中澳國際地下煤火防治與利用中心”，參加了5次國際會議並作報告；培養了博士7人，碩士10人。