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1、煤炭资源与安全开采国家重点实验室煤炭资源与安全开采国家重点实验室20082008 年自主研究课题结题报告年自主研究课题结题报告课题名称： 煤矿隐蔽火源探测与治理关键技术 负 责 人： 王德明 联系电话： 0516 83590592 电子邮箱： 通讯地址：徐州大学路 1#中国矿业大学矿业中心 资助金额： 50 万元 执行年限： 2008 年 1 月 2012 年 12 月 填表日期： 年 月 日中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室制表 2012.10煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结题报告第 2 页结结题题报报告告 正文撰写提纲正文撰写提纲 一、报告正文一、报告正文参照提纲
2、格式自由撰写，并可以根据需要分解或增设栏目。要求层次分明、条目清晰、内容准确。主要栏目为：1、 课题摘要。2、 研究计划要点及执行情况概述。3、 研究工作主要进展和所取得的成果。4、 国内外学术合作交流与人才培养情况（如无，可以不写） 。5、 存在的问题、建议及其他需要说明的情况。二、研究成果目录和数据统计表。二、研究成果目录和数据统计表。1、 成果类型分为“获奖、专利、专著、期刊论文、会议论文、其他”六大类，请归类集中填写，逐类单独编号；无正式录用证明的论文暂不列入；表格不够可自行增加（作为完成计划任务书中所承诺的成果要放在成果列表最前面）（作为完成计划任务书中所承诺的成果要放在成果列表最前
3、面） ；2、 是否标注“自主课题资助编号及实验室为第一作者单位”情况，请根据实际情况在标注栏中说明。三、报告附件内容三、报告附件内容1、属本课题研究内容已发表的（或已有录用通知）符合标注要求的学术论文复印件（封面、目录、全文）及被引用情况（不包括自引情况） ；2、授权（或申请）专利相关证书复印件；3、科研获奖证书复印件；4、其他成果清单和必要的证明材料复印件（如实验或测试报告材料等） 。注：科技部国家重点实验室建设与运行管理办法及煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题管理办法请登录实验室网站查询，网址:http:/。四、注意事项四、注意事项1、 请以宋体、小四、行距请以宋体、小四、行距
4、2020 磅填写申请书的各项内容，磅填写申请书的各项内容，要求实事求是，逐条认真填写，表达明确严谨，字迹清晰易辨；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结题报告第 3 页课题摘要课题摘要中文摘要（限中文摘要（限 500500 字）：字）：针对煤自燃火源隐蔽性强、治理手段难以奏效的技术现状，本课题开展了煤矿隐蔽火源井下煤自燃隐蔽火源特性与关键防治技术研究。研究了煤矿井下自燃隐蔽火源特性，建立了煤自燃隐蔽火源气、热产物运移规律的数学模型，通过现场实测和数值模拟技术分析了自燃火源位置与气体产物分布规律之间的关系；在对煤自燃火源热、电特性研究的基础上，提出了基于热电复合的大面积煤火区域煤自燃隐蔽
5、火源探测技术，并在煤火区治理过程中进行了成功应用；在对煤自燃隐蔽火源特性和现有防灭火技术特点分析的基础上，指明防灭火泡沫是现阶段一种较适于煤矿隐蔽火源治理的关键技术，并对防灭火泡沫介质的管流、在采空区的渗流特性进行了研究，解决了应用泡沫防灭火技术治理隐蔽火源时所面临的扩散范围不明、堆积高度不清、影响因素不确定等关键问题，大幅提升了泡沫防灭火技术治理隐蔽火源的效率。关键词(不超过 5 个，用分号分开): 煤自燃 火源位置 探测 防灭火泡沫 流动Comment S1: 可以进行调整，改 “在对贫氧条件下煤自燃基础参数测 定研究的基础上”提出了。 。 。煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结
6、题报告第 4 页报告正文报告正文1 1 研究计划要点及执行情况概述研究计划要点及执行情况概述1.11.1 研究计划要点研究计划要点本课题的研究工作基本按照计划任务书展开，适当调整了部分内容的技术路线。课题组确立了“松散煤岩多孔介质中自燃火源及伴生物的运移特性” ， “基于气体分析法的煤自燃隐蔽火源的探测原理” ， “三相泡沫防灭火材料在采空区多孔介质中的流动及灭火机理” 三个关键科学问题。针对这三个关键科学问题，项目初期制定的火源气体产物在采空区中运移扩散特性研究的主要技术路线为“通过在是实验室建立相似模型来展开” ，在深入分析与系统调研的基础上，课题组最终否定了这一技术路线的可行性。具体的原
7、因为：在实验室建立的相似模型，模型很难模拟采空区真实的矿压特征，因此测试结果难以做到与现场实际状况相符；模型的尺寸不可能足够大，这易造成模型内不同位置的气体差异较小，甚至体现不出差异，从而导致研究不能开展；模型的密封和绝对隔热也存在技术难题，难以克服。这种情况下，存在得不到有价值研究结论的可能。因此，课题组对技术路线进行了适当修改，提出了现场实测、现场示踪气体试验和数值模拟相结合的采空区隐蔽火源气体产物运移扩散特性的研究方法，采用该方法研究了煤自燃隐蔽火源的特性。针对第二、第三个科学问题，技术路线没有做大的调整。总的来说，本课题按照既定的研究内容、目标和技术路线，完成了课题的研究目标。具体主要
8、取得了以下几个方面的研究成果：一、对采空区的气体组分进行了实测和数值模拟研究，在此基础上分析了采空区隐蔽火源的可能分布范围特征。二、在隐蔽火源可能发生的范围内设置虚拟火源，采用数值模拟技术研究了采空区自燃火灾条件下气体产物运移扩散的特征，分析了自燃火源位置和气体产物分布规律间的对应关系，为依据气体分布判断采空区自燃火源的位置奠定基础。三、在煤矿现场，开展了火灾条件下采空区气体分布特征的实测与分析研究，并将研究结论和数值模拟结论做了对比分析。四、在对煤自燃火源热、电特性的研究的基础之上，提出了基于热电复合的大面积煤火区域煤自燃火源探测技术，并在煤火治理过程中进行了成功应用五、采用现场灌注试验的方
9、法研究了隐蔽火源治理的防灭火介质-三相泡沫在采空区的渗流特性，得到了三相泡沫的堆积高度和扩散宽度及其影响因素。六、采用实验室实验的方法研究了三相泡沫的基本渗流特性，得出了三相泡沫渗流规律的理论计算方法。在理论分析、实验研究的基础上，建立了三相泡沫在采空区渗流的三维数学模型，采用对现场灌注试验进行数值模拟的方法对数值模拟的方法进行了验证。七、建立了防灭火泡沫在采空区渗流的数学模型，提出了三相泡沫在采空区渗煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结题报告第 5 页流的数值模拟方法，开展了三相泡沫在综放面采空区流动特性的数值模拟研究。八、开展了防治煤炭自燃的稠化砂浆及其特性研究。1.21.2 执
10、行情况执行情况项目基本按照计划进行，研究的成果主要反映在出版的 2 部专著、申请的 5 项专利，发表的 14 篇论文（含期刊论文、学位论文、会议论文等）中。2 2 研究工作的主要进展和所取得的成果研究工作的主要进展和所取得的成果2.12.1 开展了隐蔽自燃火源气体产物运移特征的数值模拟研究开展了隐蔽自燃火源气体产物运移特征的数值模拟研究采用数值模拟和现场实测的方法研究了采空区隐蔽火源自燃气体产物一氧化碳在采空区的运移、扩散特性。 2.1.12.1.1 隐蔽火源传质传热数学模型隐蔽火源传质传热数学模型应用煤自燃、传质、传热学等理论建立了采空区自然发火的三维数学模型。1）主要控制方程:（2-1）(
11、)()()()()()()i m iij iijii jijs ssssT pustxpuuugstxxxcdivcdiv D gradcSt TkdivTdivgradTStc 式中，为混合气体密度，i标记为（x，y，z） ，表示三维空间中的i方向，ix为时间，表示速度，为 i（x, y, z）方向上的速度分量，采空区内气体质tuiums量增减量。p 是气流微元上的压力，其中i,j标记为(x，y，z)，表示三维空间jx中的j方向，为分子粘性作用而产并作用在气体微元上的粘性应力张量，为ijigi方向上的重力体积力，Si为i方向上气体在采空区多孔介质运移过程中附加的动量损失源项，由括粘性损失和惯
12、性损失两部分构成，可表示为：(2-2)33111 2iijjijjj jjSDvCv v 式si中，为采空区气体的粘度；,分别为粘性损失系数、惯性损失系ijDijC数矩阵。为速度在x，y，z三个坐标方向上的分量，由此可见当流动速度足够jv小时，式中惯性损失部分相对于粘性损失可看作无穷小项，附加动量损失源可简化为 Dacy 公式表示。式中，为组分s的体积浓度，是该组分的密度，为该组scsD分的扩散系数，为采空区内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分sS煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结题报告第 6 页的质量，为引入的矢量符号。xyzdiv(*)= a /a /a /xyz 根
13、据 FICK 定律，采空区各种气体的扩散流量用下式表示，即：（2-3）T ii iim iiXDTJDxTx式中，为第 种气体的扩散流量，主要由浓度梯度、热力梯度引起；为iJiimD混合气体的扩散系数，为气体 的质量分数；为热扩散系数；为温度。iXiT iDT对于非稀薄气体，式 x 可以采用多组分扩散公式代替，即：（2-4）,min()T jjimixi iij j j iimixiiXXMMDTJDMxMxTx其中，是气体 的分子量；是混合气体的分子量；是气体组分 的iMimixMijDi多组分扩散系数。氧气与浮煤发生物理吸附、化学吸附以及煤氧复合等物理化学变化，是采空区氧浓度不断下降的主要
14、原因。低温氧化阶段（低于 70C）氧气的消耗速率可以采用下述公式来表示：（2-5）2 exp(/)nRateA oE RT式中，E 为反应活化能，根据煤种的不同取 1295，本次数值试验取/KJ mol值 64；A 是指前因子，依赖于煤级和测试方法；为常数，取值多在/KJ moln0.51 之间；R 为气体常；T 为热力学温度；O2是指氧气的体积浓度。2.1.22.1.2 隐蔽火源火灾产物的数值模拟研究隐蔽火源火灾产物的数值模拟研究1） 隐蔽火源可能分布范围研究一般情况下隐蔽火源出现在采空区“自燃带”内，因此研究得到采空区“自燃带”的分布范围，即可掌握隐蔽火源可能分布区域。确定“自燃带”可能分
15、布区域，是采用设置火源的方式研究火源产物运移分布特征的前提，因为只有在隐蔽火源可能存在范围内，利用“模拟火源（设置火灾气体释放源项）”展开火源特性研究，才具有实际的意义。60m60m 3#2#1#4#图 2-1 测点分布示意图为研究综放工作面“自燃带”的分布，对某矿综放工作面采空区氧气分布进行了现场实测研究，测点布置见图2-1，实测得到的采空区氧气浓度曲线见图2-2 所示。050100150200250300036912151821氧气浓度(%)距工作面距离(m)1#2#3#4#煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题结题报告第 7 页图 2-2 综放面氧气浓度实测数据曲线应用渗流、传质、计算流体力学等理论，建立描述采空区自然发火的数学模型，通过可视化求解软件对采空区氧气浓度场的分布进行了数值模拟研究。模拟结果如图 5 所示。图 2-3 氧气浓度分布云图按照氧气浓度5%18%为采空区“自燃带”的划分标准，圈定了采空区可能出现隐蔽火源的范围，如图 2-4 所示。图 2-4 采空区“自燃带”分布范围2）隐蔽火源气体产物运移规律的研究在“采空区隐蔽火源可能分布区域划分”即自燃带分布特征研究的成果上，开展隐蔽火源产热、产物特征的数
