煤自燃过程的实验及数值模拟研究

煤层自燃严重影响着煤炭工业发展，给矿井生产带来极大安全隐患。由于实际条件下的煤自燃过程很难描述清楚，使得煤层自然发火预测预报技术的发展受到严重制约。 本文根据现场实际条件，抓住煤体氧化放热和环境散热这对主要矛盾，根据多孔介质渗流力学和传热传质学理论，建立了煤自燃过程数学模型。依据模型确定出煤自燃过程数值模拟所需的关键参数为煤的耗氧速度和放热强度及松散煤体内的氧气扩散系数和渗透系数，通过实验对其进行了研究和测试。提出了实际条件下煤体放热强度和耗氧速度的计算方法，并通过实验得出了煤体粒度影响函数。 设计建造了国内最大的(装煤量15t)煤自然发火实验台，首次实现了煤自然发火全过程的实验模拟，掌握了煤自燃高温点的发生、发展、变化过程及停止供氧后高温点的降温规律。根据实验台条件，建立了数学模型，通过数值模拟，解决了煤自然发火实验模拟条件单一的问题。 针对现场应用，提出了实际条件下漏风强度的测算方法及煤自燃危险区域的判定准则，通过煤自燃过程的数值模拟研究，发展了综放面采空区及巷道自然发火预测理论。采用实验测定的关键参数，结合现场可测参数，并考虑这些参数的实际变化情况，运用理论与实践相结合的方法，通过数值模拟再现了综放面采空区和巷道松散煤体自燃的发生及发展过程，首次解决了实际条件下煤自然发火条件、地点和时间的判定及预测问题。该理论成果经受了现场多次煤层自燃火灾预测预报和防灭火工作的检验，在该成果的指导下，成功地预防和扑灭了几十次矿井煤层火灾。