扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程及其传播模型的研究

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煤层自燃火灾是煤矿生产的重大自然灾害之一,我国的煤矿煤层自燃火灾事故十分严重。因此,针对煤层自燃火灾进行扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程及其传播模型的研究,对于进一步揭示煤层自燃的机理,防治和消除煤层自燃,保护煤炭资源和减小环境污染,保证矿井安全生产,提高煤的利用价值以及丰富阴燃理论和燃烧学科,都具有重要的理论与现实意义。本文采用理论研究、实验模拟及数值模拟相结合的综合研究方法对其进行研究。(1)从巷道风流规律、化学反应规律、能量守恒方程、组份质量守恒方程及动量守恒方程等五方面对扩散条件下巷道中煤层阴燃传播过程进行理论研究。得出了①当l≤lmax时,煤层阴燃将能稳定的传播;当l> lmax时,煤层阴燃必将趋向熄灭;当l=0时,在条件适宜时就有可能转化为焰火燃烧;②煤层阴燃熄灭、稳定传播可以近似的描述为升温干燥、无氧热解、炭氧化及熄灭4步化学反应模型;③探讨了得出了扩散条件下巷道中煤层阴燃传播遵循的能量守恒定律、组份质量守恒定律、动量守恒定律及理想气体状态方程。(2)利用扩散条件下巷道中煤层阴燃模拟实验装置进行模拟实验,测定煤层阴燃过程的温度、O2浓度以及CO浓度数据,使用JLFX100数据处理系统与MATLAB曲线拟合工具箱对其进行分析研究,得出了①煤层阴燃稳定传播时的温度为240.6℃369.0℃,其平均值为tm=314.3℃;O2浓度为6.1%17.3%,其平均值为Am=13.6%;CO浓度为2899ppm14624ppm,其平均值为Bm=8275ppm;②煤层阴燃趋向熄灭时的温度为227.3℃287.8℃,其平均值为tp=262.5℃; O2浓度为6.9%17.4%,其平均值为Ap;=14.1%;CO浓度为2899ppm9249ppm,其平均值为Bp=5353.3ppm。(3)在巷道中煤层阴燃传播试验研究的基础上,采用数值模拟软件COMSOLMultiphysics对巷道中煤层阴燃传播试验进行数值模拟研究,得出了:巷道中煤层阴燃传播时,温度、O2浓度及CO浓度的数值模拟结果与试验测定结果的相对误差ε分别为1.20%5.42%、2.53%9.49%及7.74%12.05%,两者结果相近、误差较小,从而验证巷道中煤层阴燃传播试验及试验结果是正确的。(4)在阴燃传播理论、试验模拟研究及试验数值模拟研究的基础上,使用COMSOL Multiphysics软件模拟巷道中煤层阴燃传播的温度场、O2浓度场及CO浓度场,建立了巷道中煤层阴燃传播模型。
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