煤堆自燃的数值模拟及分析

为研究煤堆在自然堆积状态下的自燃影响因素,将不易现场观测的工程实际问题转化为计算机问题.建立了煤堆自然存放的二维模型以及煤堆自燃问题的能量方程和氧浓度方程相耦合的煤堆自燃发火的数学模型.采用多物理场耦合分析软件COMSOL进行解算.结果显示煤堆在第60天时发生自燃现象,到第100 d时煤堆已经完全自燃,并且氧浓度随着时间呈现三带分布.通过改变煤堆的高度和孔隙率后进行解算,显示出煤堆高度和孔隙率增加时,煤堆更加容易发生自燃现象.结果表明:煤堆自燃现象呈现明显的三带分布,并且孔隙率和煤堆高度与煤堆自燃现象的发生呈现正相关.     

干燥煤堆自燃升温特征的数值模拟

为了了解露天煤堆自燃升温过程中温度变化特征,在考虑风压、热压和质量扩散等驱动力的情况下建立了二维干燥煤堆传热传质数学模型,利用FLUENT软件对煤堆内部漏风、氧气与温度各类场信息进行分析.结果表明,煤堆自燃环境的特点是迎风面漏风强度和氧气浓度最高,背风面最低,中间递减,高温区位于迎风坡附近漏风强度适中,氧气充足的蓄热区.风速与孔隙度对煤堆自燃升温速率影响最显著,迎风倾角其次,环境温度对升温速率的影响很小.模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,现场可根据计算结果事先大致判定火源位置,缩小侦测范围,以便及时采取措施,提高防火工作效率.     

煤堆温度远程监控系统的设计与实现

为了预测煤堆自燃可能性,利用在煤堆中布设温度传感器,通过准确及时的监控煤堆温度分布与变化,从而达到预防预报煤堆自燃的目的.通过硬件设计,在地面煤堆中埋入多个ds18b20数字温度传感器,利用STC89C52单片机采集温度数据,并通过RS-485串口传回主控计算机,实现对煤堆温度的实时监测;在软件方面:采用Visual C++和数据库技术编写的上位机软件实现了温度的实时显示、曲线绘制、高温报警、数据存储、分析等功能.煤堆温度远程监控系统能够用于测量煤堆温度场分布,是预报煤堆自燃发火的有力工具.     

露天煤堆自燃过程中“三带”分布的动态特征

为了准确划分煤堆自燃过程中的重点监测区域,利用数值模拟方法分析了煤堆自燃带分布的动态变化特征,结果表明:煤堆自迎风面向背风面会形成散热带、自燃带和窒息带,自燃带温度代表了煤堆的自燃危险性.自燃带的位置会随着时间逆风向迎风面移动,以温度和氧气指标划分的自燃带宽度具有不同的变化趋势.依据研究结论,自燃初期宜采用氧气指标,后期采用温度指标划定自燃带区域.     

煤官能团对煤自燃倾向性的影响

为防治矿井自然发火,剖析煤的自燃倾向性,利用交叉温度点法和红外光谱图分峰拟合分析煤自燃倾向性和官能团内在的联系;通过气相色谱-程序升温、红外光谱等实验,得出当煤自燃综合判定指数I数值越大时,煤自燃倾向性越小;煤中芳香烃-C=C-官能团含量增加,含氧官能团-COOH、-OH含量减少时,煤变质程度在加深,煤的自燃倾向性能力减弱。     

利民煤矿采空区自燃"三带"划分现场试验

采空区自燃"三带"划分是预防自然发火的基础工作,在利民煤矿Ⅱ011602工作面回风巷敷设束管(2个测点)监测采空区气体变化,采用氧浓度指标获得了采空区自燃"三带"范围,散热带:0～23 m,氧化带:23～110 m,窒息带:大于110 m。依据煤的最短自燃发火期和自燃"三带"范围,计算获得的工作面月最低推进速度为54 m。研究结果能够为制定采空区防灭火措施提供一定依据。     

煤自燃性的红外光谱研究

煤自燃主要受煤结构和环境因素影响.在确定的粒度与外界条件下,可通过分析煤结构来判断其自燃倾向性.文中根据神府煤及其预氧化产物的红外光谱特征,说明煤的氧化是从一些氧化活性基团开始,且活性基团含量越大越易自燃;提出了通过红外光谱及其差谱分析,对比不同煤种中氧化活性基团的相对含量而预测煤自然发火期的方法;通过对灵武、大柳塔和焦坪煤进行红外光谱分析,得到了它们自燃倾向性的次序,并根据焦坪及大柳塔煤层的自然发火期,确定了灵武煤自然发火期的范围.研究结果与实验模拟及现场观测结果一致,说明用FTIR研究煤的自燃倾向性是可行的.     

高瓦斯隧道施工通风处理数值模拟分析

采用计算流体动力学软件(简称CFD软件)对紫坪铺高瓦斯隧道施工通风处理效果进行模拟,从瓦斯浓度降低方面来看,1m/s风速能满足通风要求,0.5m/s风速基本能满足通风要求,0.2m/s风速不能满足通风要求。通过现场风速与瓦斯浓度的监测,在掌子面风速为0.5～0.6m/s时,隧道内瓦斯浓度在允许浓度范围之内。数值模拟方法与实际情况相符。     

基于热棒防灭火技术的煤自燃区域热迁移特征

为进一步掌握煤自燃蓄热区域的热迁移特征,系统论述煤自燃热棒防灭火技术原理、治理流程和工艺方法,基于自行设计的煤堆-热棒实验测试平台,分析煤堆-热棒-空气系统热阻网络,研究热棒作用下煤堆内部热量迁移行为及效果评估参数。研究结果表明:热棒的强化散热特性能够持续加快煤堆内部热量散失,煤堆-热棒-空气系统的总热阻是4.193 7℃/W,热棒工作167 h的散热量为3.30 MJ,煤堆温度最大降幅达到33.2℃,降温率为39.6%。实验条件下热棒对煤堆的有效降温半径为0.37 m,煤堆内各测点温度均被控制在自燃临界温度范围以内,煤堆因自燃引起的温度升高过程受到显著抑制,煤堆氧化升温速率被削弱。随着离热棒边缘距离增大,热棒对煤堆内部温度场的分布影响逐渐减小。工业试验现场地面以下0.40 m和1.70 m这2根热棒安装部位处的温度均在75℃以下,煤自燃受到明显抑制。热棒对于煤自燃高温区域的降温优势明显,对于煤自燃防治工程来说,根据煤自燃灾害"防—控—灭"分区综合治理思想合理设计热棒防灭火技术方案,防止复燃,能够最大限度地提高煤自燃治理工程的有效性和经济性。     

综放工作面采空区瓦斯抽采对氧化升温带影响

为解决综放工作面回采期间瓦斯涌出量大、瓦斯抽采导致采空区漏风增加且易发生自然发火的问题,以红庙矿5-2S工作面自然发火和瓦斯抽采综合治理为例,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,运用流体计算软件COMSOL对不同抽采量、不同抽采口位置时对氧化升温带影响规律进行研究.研究结果表明:采空区自燃"三带"数值模拟变化规律与现场监测数据相吻合;采空区瓦斯抽采量和抽采口所在位置与采空区自然发火危险性成正相关;5-2S工作面推进速度从3 m/d增加到3.2 m/d,瓦斯极限抽采量由31.71 m~3/h增加到120 m~3/h;距工作面切顶线10~20 m是采空区工作面最佳抽采位置.     

通风环境下保温材料XPS的火灾特性

在0,0.6和1.2m/s机械通风条件下,实验研究不同火源距离和火源位置时挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)的火灾行为、引燃特性及烟气特性.结果表明,随着风速的增大,XPS表面火焰蔓延速度逐渐增大且较早出现结焦现象.通风风速和火源位置相同时,XPS引燃时间与火源距离近线性相关;火源位于垂直墙面位置时,风速从0.6m/s增加到1.2m/s,XPS最大引燃距离从0.2m缩短至0.15m.与其他工况相比,风速为0.6m/s时,烟气温度达最大值,且氧气、二氧化碳及一氧化碳浓度变化量最小,XPS燃烧速率随着风速的增加先增大后减小;当风速较小时,氧气浓度增加对XPS燃烧起主导促进作用;随着风速的进一步增加,其热效应对燃烧的抑制作用显著增强.     

煤自燃指标气体及极限参数实验研究

为了掌握王洼二矿煤自然发火特征,采用西科大XKIII型煤自然发火实验台对1.5t煤进行了煤自燃全过程模拟实验,测试出该矿开采煤样实验发火期为25天,掌握了自燃过程中温度的变化及对应气体的变化规律,测算了开采煤层煤样的最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度等极限参数,为该矿煤自燃灾害的预防提供了依据。     

东欢坨矿2394工作面采空区"三带"数值模拟研究

为了研究2394工作面采空区"三带"的分布规律,通过建立采空区流场物理数学模型,运用Fluent软件根据实况风速对采空区流场状态进行模拟计算,研究结果表明:在工作面实际风速为1.8 m/s的情况下,进风侧在采空区内部20 m时进入自燃带,当进入采空区深部达到85 m左右时进入窒息带;回风侧在采空区内部13 m时采空区进入自燃带,当达到采空区深部75 m左右时,采空区进入氧化窒息带。同时模拟风速为0.25 m/s,1 m/s,2.5 m/s和3.6 m/s条件下采空区流场的变化,模拟结果表明,随着风速的增大散热带和自燃带宽度增大,窒息带远离工作面;随着风速的减小散热带和自燃带宽度减小,窒息带靠近工作面。     

铀矿通风尾气中气态放射性核素氡大气扩散数值模拟

以某铀矿排风井为对象建立物理模型,通过建立核素氡扩散数学模型,利用CFD方法耦合求解得到不同大气风速(0.5,1.0,2.0,4.0 m/s)和下垫面粗糙度(0.1 m,1.0 m)下的大气风场结构及核素氡的浓度分布状况.研究结果表明:大气风速和下垫面粗糙度对核素氡的迁移扩散具有重要的影响;当大气风速小于0.5 m/s时,此时地面粗糙度对核素氡迁移扩散起主导作用.地面粗糙度越大,近距离的氡气浓度越高,局部污染越严重,主要污染范围在100 m以内;当大气风速大于2.0 m/s时,大气风速对核素氡迁移扩散起主导作用.大气风速越大,氡气迁移扩散能力越强,污染距离越大,局部污染较轻,主要污染范围在400 rn以内.文中数值计算方法和结论可以为铀矿区辐射防护及新建铀矿山选址提供参考.     

地面储煤堆(矸石山)自然发火蓄热高温区域的热棒深部移热技术

 地面煤堆和矸石山自燃的问题是煤炭开采和储运过程中遇到的诸多难题之一。热棒在无源冷却系统中具有强大的热量传输能力,为防止煤堆（矸石山）因蓄热而导致自燃,提出了使用热棒加快煤堆热量散失速率,破坏蓄热环境,进行深部移热的方法,防止煤堆（矸石山）自燃。重点讨论专用热棒在煤堆自然发火蓄热高温区域移热实践中面临的设计方法、基础参数、性能、实施装备和工艺等方面的技术难题,并给出解决思路。     

用于煤自然发火期预测的神经网络模型和实验技术

根据煤的硫分、灰分以及煤自燃过程中的耗氧速率、CO和CO2产生率等随温度变化的序列值与煤自然发火期之间存在的密切对应关系，建立了前向多层人工神经网络模型，用已有的煤自然发火实验数据对网络进行训练，得到了神经元间的联结强度，从而准确地表征这种对应关系．设计了一套油浴程序升温实验装置，确定了实验试管的尺寸和实验条件，从而能够准确测定煤自燃在不同温度下的耗氧速率及气体产生率．将煤样油浴程序升温实验数据及煤质分析数据代入人工神经网络，可算出煤的自然发火期．与煤自然发火实验相比，该方法测定煤样的自然发火期用煤量减少了99％以上，实验耗时缩短了90％以上，二者测试结果的偏差小于3d．     

不同风速条件下村镇木结构建筑防火间距的数值模拟研究

目的 探究风速对木结构建筑防火间距的影响规律,为我国村镇木结构建筑火灾防治提供参考。方法 采用PyroSim火灾动态模拟软件对西南地区典型穿斗式木结构建筑的火灾发展过程进行数值模拟,探索不同风速条件下的温度、热辐射通量密度的变化规律,揭示风速对木结构建筑防火间距的影响规律。结果 数值模拟计算结果表明：当燃烧时间为600 s时,木结构建筑进入燃烧充分发展阶段,且起火房间上方处的温度和热辐射通量密度值最高。木结构建筑防火间距随着风速的增加而增加,且在风速为4 m/s时出现极大值;当风速高于4 m/s时,热量加剧扩散并导致防火间距出现降低的趋势;对于采用不同品种建筑木材建造的木结构建筑,当风速为0～5 m/s时,数值模拟计算的木结构建筑防火间距值为4.24～8.22 m。结论 综合考虑地形、地势以及大气环境等不确定因素的影响,西南地区村镇木结构建筑的防火间距应大于12 m。     

东荣二矿煤自燃倾向性实验测试

采集东荣二矿17#煤层煤样,利用“XKⅢ型“煤低温自然发火实验台进行测试,模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度,依靠煤自身氧化放热升温,得出随煤温升高的耗氧速度、CO产生率、CO2产生率、放热强度、煤自燃极限参数等的变化规律,研究煤的低温氧化放热特性,预测煤的临界温度和干裂温度、实验最短自然发火期及自燃倾向性.实验表明:煤样起始温度为20℃时,最短自然发火期为46 d;临界温度为60～75℃、干裂温度为90～110℃、浮煤厚度小于0.7 m、下限氧浓度在60℃左右,浮煤不自燃.     

义马常村矿煤样自燃倾向性研究

利用大型煤自然发火实验台，模拟自燃过程的各种条件，向其中通入空气，使煤与氧发生氧化反应。煤氧复合发生氧化反应，并发出热量引起自然升温，最终引起自燃。通过测定耗氧速度、热释放速率，可算出实际自燃的极限参数。根据这些实验参数可以推算出义马常村矿煤层在不同条件下的最短自然发火期、煤特征温度和其他自燃特性参数等。     

采空区自燃隔离墙与氮气联合防火技术

为防止下沟煤矿下分层ZF1801工作面采空区自然发火,现场监测工作面实际供风量1 026 m3/min时的氧气体积分数和漏风速度.并基于采空区自燃"三带"划分标准和数值模拟的方法,采用FLUENT软件研究下分层ZF1801工作面采空区自燃带变化规律,确定自燃带的范围,得到采空区自燃带的拟合曲线,提出"堵漏降氧-惰化置换...