采空区自然发火数值模拟

1 绪论

1.1 采空区自然发火概况

1.2 采空区自然发火研究概述

1.3 数值模拟方法概述

2 采空区自然发火理论模型

2.1 基本概念

2.2 静坐标下的采空区自然发火微分模型

2.3 移动坐标下的采空区自然发火微分模型

2.4 移动坐标下的采空区自然发火积分模型

2.5 采空区自然发火的边界条件

2.6 采空区自然发火模型

本章小结

3 采空区自然发火模型参数测定

3.1 煤（岩）导热系数测定

3.2 煤的氧化升温实验

3.3 煤的耗氧速率分析

3.4 煤的放热强度分析

3.5 采空区渗流参数分析

本章小结

4 有限体积法基础

4.1 有限体积法的发展及基本思想

4.2 二维导热问题有限体积法研究

4.3 三维导热问题有限体积法研究

本章小结

5 二维采空区自然发火计算模型离散

5.1 采空区气体流场模型离散

5.2 采空区氧气浓度场模型离散

5.3 采空区温度场模型离散

本章小结

6 二维采空区自然发火数值模拟

6.1 程序设计

6.2 软件界面及功能介绍

6.3 采空区自然发火参数确定

6.4 不同推进速度下的采空区自然发火规律

6.5 不同工作面供风量下采空区自然发火规律

6.6 采空区“三带”划分

本章小结

7 采空区注氮防灭火数值模拟

7.1 采空区防灭火技术

7.2 采空区注氮设计

7.3 注氮下的采空区自然发火数值模拟

7.4 注氮点深度确定

本章小结

8 三维采空区自然发火计算模型离散

8.1 采空区气体流场模型离散

8.2 采空区氧气浓度场模型离散

8.3 采空区温度场模型离散

本章小结

9 三维采空区自然发火数值模拟

9.1 程序设计

9.2 自燃参数确定及软件界面

9.3 同忻矿首采工作面自然发火模拟

本章小结

参考文献2100433B

《采空区自然发火数值模拟》全面阐述了煤矿开采采空区自然发火理论及数值模拟研究最新进展，系统、详细地讲述了采空区自然发火多场耦合理论模型和基于有限体积法的数值求解及软件开发。全书共分9章，主要内容包括采空区自然发火多场耦合模型、采空区自然发火有限体积离散二维及三维计算模型及软件开发、数值模拟采空区内部多物理场量分布规律及注氮防灭火措施实施效果等。

《采空区自然发火数值模拟》可作为煤炭类高等院校的研究生教材，也可作为在这一领域进行科学研究和应用的科技工作者的参考书。

采空区自然发火是井下重大灾害之一，也是煤矿安全生产领域重点研究的问题。本书在分析煤自燃特性参数及采空区内产热与散热规律的基础上，利用数值模拟技术提出了采空区自燃发火的能量迁移理论，阐述并揭示了采空区自然发火的多场耦合致灾过程和机理，建立了三维多场耦合数学模型；确定了四面体单元控制体的合理圈划方案，提出了一种具有较高精度的有限体积法的新算法；利用新算法离散自然发火模型，编制了“采空区自然发火三维仿真系统”，结合现场参数，模拟得到了注氮前后及停采状态下的采空区各场分布情况，分析了推进速度、 遗煤厚度及工作面风量等对自然发火的影响；提出了一种以工作面上隅角一氧化碳涌出量来定量评估采空区自然发火风险的新方法，提高了采空区自然发火早期预报的准确性，还自主研发了一种新型干冰快速升华装置，即干冰相变发生器，成功处置了井下的早期自然发火。

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 煤矿煤自燃灾害现状 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 煤自燃的相关理论研究 4

1.2.2 煤自燃过程的实验研究 5

1.2.3 采空区自然发火数值模拟研究 6

1.2.4 研究发展趋势 8

第2章 煤低温氧化实验方法 10

2.1 煤低温氧化实验系统 10

2.2 煤自燃的特性参数 12

2.2.1 标准耗氧速率 12

2.2.2 标准CO生成速率 13

2.2.3 标准放热强度 14

2.3 遗煤粒度分布特征 15

2.4 氧气浓度的影响 17

2.4.1 煤样制备及实验过程 18

2.4.2 实验结果及分析 18

2.4.3 讨论及验证 21

2.4.4 采空区耗氧速率与CO生成速率 21

2.5 粒度的影响 22

2.5.1 煤样及实验过程 22

2.5.2 实验结果及分析 22

2.5.3 混合煤样耗氧速率 23

2.5.4 讨论 25

2.6 挥发分的影响 25

2.6.1 煤样及实验过程 25

2.6.2 实验结果及分析 26

2.6.3 讨论 28

2.7 本章小结 29

第3章 采空区自然发火多场耦合致灾机理 30

3.1 采空区自然发火的能量迁移理论 30

3.1.1 采空区移动坐标系 30

3.1.2 采空区自然发火的能量迁移理论 32

3.1.3 采空区最高温度预判方程 33

3.2 采空区自然发火的多场耦合机理 36

3.2.1 采空区中“场” 的概念 37

3.2.2 采空区内的产热与散热规律 37

3.2.3 采空区多场耦合作用的机理及过程 38

3.3 采空区自然发火的多场耦合数学模型 39

3.3.1 方向导数与梯度 39

3.3.2 采空区流场数学模型 40

3.3.3 采空区渗流参数 44

3.3.4 采空区氧气浓度场模型 46

3.3.5 采空区冒落煤岩固体温度场模型 49

3.3.6 采空区气体温度场数学模型 52

3.3.7 采空区自然发火的多场耦合三维模型 54

3.4 本章小结 55

第4章 三维模型离散方法 56

4.1 导热微分方程 56

4.1.1 控制方程 56

4.1.2 边界条件 57

4.2 有限单元法离散 58

4.2.1 导热的有限单元方程 59

4.2.2 插值函数 61

4.2.3 第一类边界及内部单元的离散化 63

4.2.4 第二类边界单元的离散化 66

4.2.5 第三类边界单元的离散化 68

4.2.6 有向曲面的热通量 70

4.2.7 导热积分方程的推导 72

4.2.8 边界条件 73

4.3 有限体积法离散 74

4.3.1 四面体网格节点的控制体 74

4.3.2 导热的有限体积方程 76

4.3.3 插值函数 78

4.3.4 第一类边界及内部单元控制体的离散化 79

4.3.5 第二类边界单元控制体的离散化 82

4.3.6 第三类边界单元控制体的离散化 83

4.4 有限单元法与有限体积法对比 84

4.5 本章小结 86

第5章 自然发火模型的离散及求解 87

5.1 模型中的参数离散处理 87

5.1.1 采空区气体密度 87

5.1.2 采空区孔隙率"para" label-module="para">

5.2 采空区流场模型的离散 88

5.2.1 控制体与插值函数选取 89

5.2.2 采空区流场方程离散 90

5.2.3 流场边界处理 91

5.2.4 采空区速度方程的离散 92

5.3 采空区氧气浓度场模型的离散 92

5.3.1 控制体与插值函数选取 92

5.3.2 采空区氧气浓度场方程离散 93

5.3.3 氧气浓度场边界处理 95

5.4 采空区温度场模型离散 95

5.4.1 控制体与插值函数选取 96

5.4.2 冒落煤岩固体温度场离散 96

5.4.3 气体温度场离散 99

5.4.4 温度场边界处理 101

5.5 采空区解算区域及网格划分 104

5.5.1 解算区域 104

5.5.2 网格划分 104

5.5.3 节点编号及坐标 105

5.6 线性方程组的求解 107

5.6.1 节点线性方程的总体合成 107

5.6.2 系数矩阵的压缩与存储 108

5.6.3 系数矩阵的求解方法 111

5.7 程序设计 113

5.8 本章小结 114

第6章 采空区自然发火三维数值仿真 115

6.1 采空区自然发火三维仿真系统 115

6.1.1 基础参数输入 116

6.1.2 运行及解算过程 116

6.2 采空区的自然发火模拟 117

6.2.1 模拟参数选取 118

6.2.2 采空区压力场分布 119

6.2.3 采空区速度场分布 120

6.2.4 采空区氧气浓度场分布 122

6.2.5 采空区气体及固体温度场分布 123

6.3 工作面推进速度的影响 126

6.3.1 推进速度对氧气浓度场的影响 126

6.3.2 推进速度对固体温度场的影响 127

6.4 遗煤厚度的影响 129

6.4.1 遗煤厚度对氧气浓度场的影响 129

6.4.2 遗煤厚度对固体温度场的影响 130

6.5 工作面供风量的影响 132

6.5.1 工作面供风量对氧气浓度场的影响 132

6.5.2 工作面供风量对固体温度场的影响 133

6.6 最小防火推进速度 135

6.6.1 解算结果 135

6.6.2 合理性分析 136

6.7 本章小结 137

第7章 注氮后采空区自然发火仿真 138

7.1 采空区注氮设计 138

7.1.1 注氮量确定及注氮设备选型 138

7.1.2 注氮位置确定及管路管径选型 140

7.1.3 注氮管路布置 140

7.2 采空区开区注氮数学模型及离散 141

7.2.1 采空区开区注氮数学模型 141

7.2.2 模型离散 142

7.3 采空区防火注氮数值模拟 143

7.3.1 注氮后的采空区压力场 143

7.3.2 注氮后的采空区氧气浓度场 144

7.3.3 注氮后的采空区温度场 145

7.4 采空区温度现场观测验证 147

7.4.1 测温系统 147

7.4.2 现场测温方案及过程 149

7.4.3 现场温度观测结果 150

7.4.4 观测结果与模拟结果对比 151

7.4.5 采空区综合防火技术措施 152

7.5 本章小结 152

第8章 停采后采空区自然发火仿真 153

8.1 停采后采空区自然发火模型 153

8.2 停采数学模型的离散 154

8.2.1 停采后流场方程离散 154

8.2.2 停采后氧气浓度场模型的离散 157

8.2.3 停采后温度场模型离散 160

8.3 方程组求解及程序设计 165

8.4 数值模拟结果 166

8.4.1 停采下的采空区压力场分布 167

8.4.2 停采状态下的采空区氧气浓度场分布 168

8.4.3 停采状态下的采空区温度场分布 169

8.5 影响因素分析 172

8.5.1 原始工作面推进速度 172

8.5.2 遗煤厚度 174

8.6 本章小结 175

第9章 采空区自然发火定量化预报技术 176

9.1 采空区一氧化碳浓度场数学模型 178

9.1.1 采空区一氧化碳生成与运移 178

9.1.2 多场耦合下一氧化碳浓度场模型 179

9.1.3 模型离散 181

9.2 计算结果及验证 184

9.2.1 解算软件升级 184

9.2.2 模拟示例与参数设置 184

9.2.3 模型验证 185

9.3 采空区一氧化碳运移影响因素 187

9.3.1 工作面推进速度 187

9.3.2 工作面风量 188

9.3.3 遗煤厚度 189

9.4 采空区自然发火定量预报函数 191

9.5 本章小结 192

第10章 干冰相变惰化防灭火技术 193

10.1 干冰快速相变技术简介 195

10.2 基本性能测试 196

10.2.1 二氧化碳产气量及衰减 196

10.2.2 承压测试 197

10.3 现场应用 198

10.3.1 停采面高温区域定位 199

10.3.2 支架后部高温区处置 199

10.3.3 巷道顶煤高温区处置 201

10.4 本章小结 203

参考文献 204

后记 213 2100433B

《煤层自然发火预测预报及防治技术》在分析煤层自然发火基本概念和理论的基础上，研究了煤层自燃倾向性的鉴定方法、煤层自然发火危险程度的综合评价、煤层自然发火预测预报指标气体分析方法；建立了煤层自然发火预测预报系统、开发了煤自然发火预测预报模糊系统；最后介绍了煤层自然发火的防治技术。《煤层自然发火预测预报及防治技术》主要供矿山企业的工程技术人员及管理干部使用，也可作为科研院所科研人员、矿业类专业大学本科生及研究生参考用书。

《煤层自然发火预测预报及防治技术》由冶金工业出版社出版。