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煤火是与采煤活动相伴相生的。我国是全球产煤量和耗煤量最大的国家,同时也是受煤火危害最严重的国家。随着经济快速发展,我国逐步进入后工业化时代,政府和社会对资源、环境、生态和生活质量提出了更高要求,这给传统粗放型、高污染的煤炭行业提出了新的挑战,也是煤炭行业转型的重要契机。但煤炭作为我国能源主体的地位不会改变。关于煤炭业对环境的负面效应,人们把目光集中在了散煤燃烧和火力发电站向大气环境排放的有害烟气,大幅增加了空气中PM2.5值,危害人们身体健康。却忽视了煤火对我国资源、环境、生态等造成的巨大危害。据统计,它每年烧毁了我国上千万吨的煤炭资源,排放出约57万吨的温室气体(CO2和CH4),约占全世界化石燃料CO2排放总量的0.1%~0.22%。此外,它还排放出大量的有毒有害气体(例如CO、SO2、H2S、NxO等),造成地表下沉塌陷,破坏当地的生态环境等。在目前倡导绿色生态、绿色环境的背景下,防治煤火是减少温室气体排放、保护煤炭资源和生态环境的重要内容,也是我国煤炭行业成功转型不可缺少的一环。我国煤火主要分布在内蒙古、新疆、宁夏、青海、山西、陕西、黑龙江等省份。国家、当地政府和企业投入了大量的经费用来扑灭煤火。经过10多年的努力,煤火扩张势态得到遏制,扑灭了不少重大煤火火区。但目前我国仍然存在很多煤火火区,形势依然严峻。这主要有三点原因。第一,不科学的采煤方法;第二,煤火的复杂性,煤火是一种复杂的多场耦合(氧化燃烧反应、流场、温度场、力场、气固液耦合等)灾害;第三,对煤火产生机理和防治技术的研究不充分。煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合是煤火多场耦合和煤火产生演化机理研究的重要内容,开展这方面的研究对理解认识和防治煤火具有重要意义。本文采用实验、理论推导、现场调研和数值模拟方法对煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题展开研究。首先,采用非等温TGA(Thermogravimetrical Apparatus,热重)实验,研究了小样本煤样氧化燃烧反应-流场-温度场耦合,具体而言,即在不同的升温速率下(温度场),氧气扩散传质(流场)对煤样氧化燃烧反应速率的影响作用。设计了3组不同的TGA实验,分别研究孔内扩散、粒间扩散和外部扩散对煤氧化燃烧反应速率的影响。第一组实验是将5种不同粒径(<74μm、86.5μm、111μm、160.5μm和550μm)的煤粒均匀平铺在Al2O3平板上;第二组是将最小粒径(<74μm)的不同质量(36 mg、44 mg和62 mg)煤样填入圆柱形坩埚(Al2O3材料),且通过增加Al2O3垫片材料,保证煤样上平面与坩埚口齐平,从而排除外部扩散影响;第三组是将最小粒径(<74μm)的不同质量(36 mg和44 mg)煤样填入圆柱形坩埚,但不加Al2O3材料,煤样上平面与坩埚口留有1~1.5 mm距离。对两种煤样(分别采自河南能源化工集团常村矿(长焰煤)和新安矿煤样(贫瘦煤)),以2k/min、5k/min和10k/min升温速率,通入20ml/min的氧气和80ml/min的氮气,对以上3组实验的煤样进行加热和称重实验。采用有效性因子衡量扩散传质过程对煤氧化燃烧反应速率的限制程度。研究表明,孔内扩散和粒间扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用显著。以5k/min升温速率和常村矿煤样为例,由于孔内扩散传质限制作用,550μm煤粒平均反应速率降至本真平均反应速率(不受扩散影响作用)的44%;在粒间扩散影响作用下,62mg-4.2mm粒间扩散距离的煤样的平均氧化燃烧反应速率降至本真平均反应速率的74.5%。然而,外部扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用较小。升温速率、实验材料的导热性和煤样放热量等也会影响实验结果。因此,在煤样的放热量和实验材料的导热性已知的条件下,选择合适的升温速率对准确有效测量扩散传质影响煤氧化反应速率是十分重要的。基于新安矿煤样的非等温tga实验,运用活化能、席勒模量和反应模型分析了扩散传质影响下的反应体制类型。研究结果表明,煤氧化燃烧过程由于受到扩散传质的影响,它的反应体制类型基本属于反应-扩散体制类型。在tga实验研究、时间尺度和空气过量系数分析、多孔介质传热传质理论和krishnaswamy提出的单颗粒煤反应-扩散模型的基础上,推导了高温阶段煤火氧化燃烧反应速率的估算公式。该公式既包含了动力学反应速率(阿伦尼乌斯公式),还考虑了供氧过程的影响(粒径、氧气浓度差特征长度(类似于tga实验的粒间扩散距离)、扩散系数和有效性因子等,很好地体现了在动力学反应-扩散体制下煤氧化燃烧反应速率是动力学反应速率和供氧速率在温度影响作用下达到的一种平衡。对内蒙古乌达煤火火区(我国最大面积火区之一,全球研究最为充分的火区)和北京门头沟斋堂镇张家村边坡煤火进行了现场调研。在此基础上,总结了煤火温度场、流场和氧化燃烧反应的特征:①煤火产生的热量通过对流、导热和辐射向外部释放。其中以辐射和对流散热为主。对流散热主要是通过煤火产生的裂隙口排出的烟气,而热辐射是煤火遥感探测的主要依据。②煤火产生裂隙场一般包括裂缝、裂隙、排烟孔、排烟洞和海绵状微孔。外部空气和煤火产生的烟气通过这些裂隙分别进入燃烧中心和排放到大气。气体在裂隙场的这种循环,就形成了煤火的流场。此外,空气、烟气、水蒸气等在运输同时也伴随着热量的传递,即煤火的对流散热。裂隙场是煤火流场传热传质的主要载体。除此之外,废弃巷道漏风也是传热传质的途径,它对煤火产生和蔓延有着重要促进作用。煤火流场中气流运输方式包括三种形式:对流、扩散和弥散,但以对流和扩散传质为主。流场中气体运输的动力包括浮力作用或火风压、外部风力、入口和出口高程差引起的大气压差、机械通风(如工作面漏风)和浓度差。③煤火化学反应最直接的地表特征包括烟气、析出矿物质和焦油。根据烟气、析出的矿物质和焦油可大致推断出地下煤层氧化燃烧的状态。剖析了煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合关系:(?),并建立了三者耦合的数学模型。说明了COMSOL Multiphysics多场耦合解算软件在解算煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题上的优势,分析了COMSOL Multiphysics软件采用分离操作法解决煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题的步骤。在现场调研和已有研究成果的基础上,建立了边坡煤火二维大尺寸、非稳态、非均质几何物理模型,定义了合理的边界条件和初始条件。该模型考虑了废弃巷道漏风、通风出入口大气压力差和煤火产生的特殊地下空间(如燃烧区、碎石区、垮落带和裂隙带等)在传热属性、孔隙率和渗透率等方面的非均质性。采用COMSOL Multiphysics软件,结合实验获得的输入参数(如动力学参数、导热系数、渗透率等),对边坡煤火进行了数值模拟。重点分析了废弃巷道漏风和大气压周期波动对煤火的影响。研究结果表明,废弃巷道漏风对煤火产生、发展和蔓延起到了重要的促进作用。因此,密闭废弃巷道,隔断其漏风供氧给地下煤火的通道,能较好地抑制和防止地下煤火。此外,当通风出入口大气压力差大于或近似等于大气压波动的幅度时,大气压波动也会促进地下煤火的发展和蔓延,影响裂隙口排出气体的流速和方向,这就是山区地下煤火裂隙口气流“呼”、“吸”效应产生的原因。通过对比分析废弃巷道漏风数值模拟结果和内蒙古乌达煤火调研结果,验证了多场耦合数值模拟结果和提出的高温阶段煤火氧化燃烧反应速率计算公式是有效的。对于大颗粒煤堆(如煤矸石),由于空隙大,气流速度快,大颗粒煤堆内部气流流动是非达西流,而是满足Brinkman定律。由于煤堆自燃是氧化反应-流场-温度场耦合作用下产生的。因此,煤堆内部气体流场发生变化会影响氧化反应速率和温度场,其自燃特点与细粉煤堆(达西流)存在很大差别。研究结果表明,只要风速不是很小(<0.001 m/s),风力驱动下的对流传热传质在煤堆自燃过程中起到了十分重要的作用。风速的增大既可以促进也可以抑制煤堆氧化反应速率和热浮力。具体的影响作用取决于煤堆内部供氧和散热的平衡关系。随着风速的增加,煤堆内部自然发火位置向风流下方向和煤堆上部方向迁移。