废弃煤矿遗煤自燃诱导过程的数值模拟研究

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煤自燃是煤生产、运输、使用过程中的常见灾害。煤自燃主要包括煤堆自燃、矿井火灾、地下煤火三种形式,其分别对应于煤储存、开采中及未开采状态。不论何种形式,煤自燃均会导致煤炭资源严重损失,温室气体与毒害气体大量排放、周边环境破坏等灾难性后果,甚而危害人身安全。本文以公开发表的美国肯塔基州地下煤火调研资料为基础,研究丘陵地区受深处煤火影响的钻采(露天开采)矿井采空区遗煤自燃诱导过程。遗煤自燃现象的发生,煤低温氧化过程产生的热量(采空区遗煤反应生成)、氧气输运(暴露平硐口提供)以及适当蓄热条件(采空区具有覆层及基底)等三个要素缺一不可。由于调研地有大量废弃钻采矿井发生遗煤自燃灾害,本文借助谷歌地球软件确定了遗煤自燃发生点的地形条件,并抽象出一个具有一定通用性的简化物理模型。调研地煤开采历史较长,开采方式多样(地下矿井及露天开采),废弃钻采矿井遗煤自燃多受地下矿井深处煤火的影响。遗煤自燃灾害的数学模型主要考虑了氧气及反应气体产物输运、多孔介质渗流、煤的低温氧化及燃烧、煤中水分蒸发、钻采矿井采空区孔隙率及渗透系数变化、处于传播状态的地下矿井煤火等实际物理过程。确定模型边界条件及初始条件后,利用FLUENT软件及其二次开发功能对数学模型予以求解,最终获得钻采矿井遗煤自燃诱导过程中诱导时间、气体浓度场、温度场、流场等数值模拟结果。结果显示:平硐口具备氧气输运与对流散热两种相互对立的作用,通过改变采空区高度及深度,对比不同参数下煤火诱导时间的变化,发现在一定的采空区高度或深度范围内,随着高度或深度增加,平硐口主要作用首先表现为氧气输运,之后为对流散热;维持煤低温氧化及燃烧过程进行的氧气主要由平硐口流入,气体产物则通过覆层向外扩散,其中平硐口内发生冷空气从下部流入、热空气上部流出的自然对流现象;煤火传播过程中存在反应波和传热波两个传播过程,相较之下传热波作用范围更深,煤在发生氧化反应之前已经历水蒸发及热解反应两个阶段;深处煤火深度越浅、深处煤火传播速度越慢则钻采煤矿遗煤自燃诱导时间越短,在深度超出一定范围后,深处煤火对于遗煤自燃几无影响,而传播速度对诱导时间影响较小;深处煤火通过提供良好热聚集条件促进钻采煤矿自燃诱导时间缩短。
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