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我国的煤田火灾以新疆最为严重。据1995年-1997年完成的《新疆煤田火区普查报告》,新疆境内煤田火区(不含已治理的与正在治理的7处)共计35处,火区面积达1.35×108m2,其中活火区面积达8.26×106m2。每年燃烧损失的煤炭资源约1×107t,每年造成的直接经济损失约2亿元。
煤田火灾不同于一般的矿井火灾,它是一个复杂的开放热平衡系统。煤一旦自燃,在可燃物及蓄热环境存在的条件下,其发展的动力主要与持续供氧状态有关。对于煤田火灾而言,其持续供氧能力与火风压密切相关。持续供氧能力对动态监测、考察、评价煤田火区燃烧及供氧状态至关重要。
本论文在前人研究煤氧化自燃机理和矿井火风压的基础上,结合新疆煤田火区特点,对新疆煤田火区火风压的形成机制和计算模型进行了初步的系统研究。根据采动影响规律完善了确定煤田火区范围的原则和方法;根据火区的烟气流动特征和孔隙特征,初次将煤田火区划分为燃烧区Ⅰ、燃烧空区及垮落区Ⅱ和燃烧火区影响区Ⅲ;根据煤层赋存特点、自燃成因和烟气流动特点,将新疆煤田火区划分为Ⅰ、Ⅱ两种类型,对两类火区的空(烟)气渗入→逸出模式进行了详细描述;在火区区域划分的基础上,初次对火区烟气流动状态进行了物理建模。提出新疆煤田火区是-具有孔隙流体特征的、内含热源的、具有质量、动量、热量复合传递特性的动态热平衡系统;结合新疆煤田灭火工艺特点,初次将火区划分为地面与地下两个区域进行烟气流动规律的分析。
在此基础上,结合前人研究火风压的成果,初次尝试提出了新疆煤田火区火风压计算模型,并结合柏扬河1-05等5个火区实际监测数据并进行了初步的火风压数值计算与分析;基于对新疆煤田火灾烟气流动随灭火工程变化趋势的分析,初次提出了综合反映火区供氧状态的火区状态系数C的概念。初步设计了火区状态系数C的试验装置;结合孔隙介质流体力学原理和煤自燃极限风量研究成果,完善了煤田灭火工程确定地面覆盖层厚度的计算方法;提出了基于煤田火区火风压的估算新疆煤田火灾温室气体排放量的一种计算方法,并结合实例进行了计算。