采空區(qū)自然發(fā)火多場(chǎng)耦合理論及應(yīng)用

目錄

前言

第1章 緒論 1

1.1 煤礦煤自燃災(zāi)害現(xiàn)狀 1

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3

1.2.1 煤自燃的相關(guān)理論研究 4

1.2.2 煤自燃過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究 5

1.2.3 采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬研究 6

1.2.4 研究發(fā)展趨勢(shì) 8

第2章 煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)方法 10

2.1 煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 10

2.2 煤自燃的特性參數(shù) 12

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率 12

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)CO生成速率 13

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)放熱強(qiáng)度 14

2.3 遺煤粒度分布特征 15

2.4 氧氣濃度的影響 17

2.4.1 煤樣制備及實(shí)驗(yàn)過(guò)程 18

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 18

2.4.3 討論及驗(yàn)證 21

2.4.4 采空區(qū)耗氧速率與CO生成速率 21

2.5 粒度的影響 22

2.5.1 煤樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程 22

2.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 22

2.5.3 混合煤樣耗氧速率 23

2.5.4 討論 25

2.6 揮發(fā)分的影響 25

2.6.1 煤樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程 25

2.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 26

2.6.3 討論 28

2.7 本章小結(jié) 29

第3章 采空區(qū)自然發(fā)火多場(chǎng)耦合致災(zāi)機(jī)理 30

3.1 采空區(qū)自然發(fā)火的能量遷移理論 30

3.1.1 采空區(qū)移動(dòng)坐標(biāo)系 30

3.1.2 采空區(qū)自然發(fā)火的能量遷移理論 32

3.1.3 采空區(qū)最高溫度預(yù)判方程 33

3.2 采空區(qū)自然發(fā)火的多場(chǎng)耦合機(jī)理 36

3.2.1 采空區(qū)中“場(chǎng)” 的概念 37

3.2.2 采空區(qū)內(nèi)的產(chǎn)熱與散熱規(guī)律 37

3.2.3 采空區(qū)多場(chǎng)耦合作用的機(jī)理及過(guò)程 38

3.3 采空區(qū)自然發(fā)火的多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型 39

3.3.1 方向?qū)?shù)與梯度 39

3.3.2 采空區(qū)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 40

3.3.3 采空區(qū)滲流參數(shù) 44

3.3.4 采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)模型 46

3.3.5 采空區(qū)冒落煤巖固體溫度場(chǎng)模型 49

3.3.6 采空區(qū)氣體溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 52

3.3.7 采空區(qū)自然發(fā)火的多場(chǎng)耦合三維模型 54

3.4 本章小結(jié) 55

第4章 三維模型離散方法 56

4.1 導(dǎo)熱微分方程 56

4.1.1 控制方程 56

4.1.2 邊界條件 57

4.2 有限單元法離散 58

4.2.1 導(dǎo)熱的有限單元方程 59

4.2.2 插值函數(shù) 61

4.2.3 第一類邊界及內(nèi)部單元的離散化 63

4.2.4 第二類邊界單元的離散化 66

4.2.5 第三類邊界單元的離散化 68

4.2.6 有向曲面的熱通量 70

4.2.7 導(dǎo)熱積分方程的推導(dǎo) 72

4.2.8 邊界條件 73

4.3 有限體積法離散 74

4.3.1 四面體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的控制體 74

4.3.2 導(dǎo)熱的有限體積方程 76

4.3.3 插值函數(shù) 78

4.3.4 第一類邊界及內(nèi)部單元控制體的離散化 79

4.3.5 第二類邊界單元控制體的離散化 82

4.3.6 第三類邊界單元控制體的離散化 83

4.4 有限單元法與有限體積法對(duì)比 84

4.5 本章小結(jié) 86

第5章 自然發(fā)火模型的離散及求解 87

5.1 模型中的參數(shù)離散處理 87

5.1.1 采空區(qū)氣體密度 87

5.1.2 采空區(qū)孔隙率"para" label-module="para">

5.2 采空區(qū)流場(chǎng)模型的離散 88

5.2.1 控制體與插值函數(shù)選取 89

5.2.2 采空區(qū)流場(chǎng)方程離散 90

5.2.3 流場(chǎng)邊界處理 91

5.2.4 采空區(qū)速度方程的離散 92

5.3 采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)模型的離散 92

5.3.1 控制體與插值函數(shù)選取 92

5.3.2 采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)方程離散 93

5.3.3 氧氣濃度場(chǎng)邊界處理 95

5.4 采空區(qū)溫度場(chǎng)模型離散 95

5.4.1 控制體與插值函數(shù)選取 96

5.4.2 冒落煤巖固體溫度場(chǎng)離散 96

5.4.3 氣體溫度場(chǎng)離散 99

5.4.4 溫度場(chǎng)邊界處理 101

5.5 采空區(qū)解算區(qū)域及網(wǎng)格劃分 104

5.5.1 解算區(qū)域 104

5.5.2 網(wǎng)格劃分 104

5.5.3 節(jié)點(diǎn)編號(hào)及坐標(biāo) 105

5.6 線性方程組的求解 107

5.6.1 節(jié)點(diǎn)線性方程的總體合成 107

5.6.2 系數(shù)矩陣的壓縮與存儲(chǔ) 108

5.6.3 系數(shù)矩陣的求解方法 111

5.7 程序設(shè)計(jì) 113

5.8 本章小結(jié) 114

第6章 采空區(qū)自然發(fā)火三維數(shù)值仿真 115

6.1 采空區(qū)自然發(fā)火三維仿真系統(tǒng) 115

6.1.1 基礎(chǔ)參數(shù)輸入 116

6.1.2 運(yùn)行及解算過(guò)程 116

6.2 采空區(qū)的自然發(fā)火模擬 117

6.2.1 模擬參數(shù)選取 118

6.2.2 采空區(qū)壓力場(chǎng)分布 119

6.2.3 采空區(qū)速度場(chǎng)分布 120

6.2.4 采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)分布 122

6.2.5 采空區(qū)氣體及固體溫度場(chǎng)分布 123

6.3 工作面推進(jìn)速度的影響 126

6.3.1 推進(jìn)速度對(duì)氧氣濃度場(chǎng)的影響 126

6.3.2 推進(jìn)速度對(duì)固體溫度場(chǎng)的影響 127

6.4 遺煤厚度的影響 129

6.4.1 遺煤厚度對(duì)氧氣濃度場(chǎng)的影響 129

6.4.2 遺煤厚度對(duì)固體溫度場(chǎng)的影響 130

6.5 工作面供風(fēng)量的影響 132

6.5.1 工作面供風(fēng)量對(duì)氧氣濃度場(chǎng)的影響 132

6.5.2 工作面供風(fēng)量對(duì)固體溫度場(chǎng)的影響 133

6.6 最小防火推進(jìn)速度 135

6.6.1 解算結(jié)果 135

6.6.2 合理性分析 136

6.7 本章小結(jié) 137

第7章 注氮后采空區(qū)自然發(fā)火仿真 138

7.1 采空區(qū)注氮設(shè)計(jì) 138

7.1.1 注氮量確定及注氮設(shè)備選型 138

7.1.2 注氮位置確定及管路管徑選型 140

7.1.3 注氮管路布置 140

7.2 采空區(qū)開(kāi)區(qū)注氮數(shù)學(xué)模型及離散 141

7.2.1 采空區(qū)開(kāi)區(qū)注氮數(shù)學(xué)模型 141

7.2.2 模型離散 142

7.3 采空區(qū)防火注氮數(shù)值模擬 143

7.3.1 注氮后的采空區(qū)壓力場(chǎng) 143

7.3.2 注氮后的采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng) 144

7.3.3 注氮后的采空區(qū)溫度場(chǎng) 145

7.4 采空區(qū)溫度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)驗(yàn)證 147

7.4.1 測(cè)溫系統(tǒng) 147

7.4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫方案及過(guò)程 149

7.4.3 現(xiàn)場(chǎng)溫度觀測(cè)結(jié)果 150

7.4.4 觀測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比 151

7.4.5 采空區(qū)綜合防火技術(shù)措施 152

7.5 本章小結(jié) 152

第8章 停采后采空區(qū)自然發(fā)火仿真 153

8.1 停采后采空區(qū)自然發(fā)火模型 153

8.2 停采數(shù)學(xué)模型的離散 154

8.2.1 停采后流場(chǎng)方程離散 154

8.2.2 停采后氧氣濃度場(chǎng)模型的離散 157

8.2.3 停采后溫度場(chǎng)模型離散 160

8.3 方程組求解及程序設(shè)計(jì) 165

8.4 數(shù)值模擬結(jié)果 166

8.4.1 停采下的采空區(qū)壓力場(chǎng)分布 167

8.4.2 停采狀態(tài)下的采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)分布 168

8.4.3 停采狀態(tài)下的采空區(qū)溫度場(chǎng)分布 169

8.5 影響因素分析 172

8.5.1 原始工作面推進(jìn)速度 172

8.5.2 遺煤厚度 174

8.6 本章小結(jié) 175

第9章 采空區(qū)自然發(fā)火定量化預(yù)報(bào)技術(shù) 176

9.1 采空區(qū)一氧化碳濃度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型 178

9.1.1 采空區(qū)一氧化碳生成與運(yùn)移 178

9.1.2 多場(chǎng)耦合下一氧化碳濃度場(chǎng)模型 179

9.1.3 模型離散 181

9.2 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證 184

9.2.1 解算軟件升級(jí) 184

9.2.2 模擬示例與參數(shù)設(shè)置 184

9.2.3 模型驗(yàn)證 185

9.3 采空區(qū)一氧化碳運(yùn)移影響因素 187

9.3.1 工作面推進(jìn)速度 187

9.3.2 工作面風(fēng)量 188

9.3.3 遺煤厚度 189

9.4 采空區(qū)自然發(fā)火定量預(yù)報(bào)函數(shù) 191

9.5 本章小結(jié) 192

第10章 干冰相變惰化防滅火技術(shù) 193

10.1 干冰快速相變技術(shù)簡(jiǎn)介 195

10.2 基本性能測(cè)試 196

10.2.1 二氧化碳產(chǎn)氣量及衰減 196

10.2.2 承壓測(cè)試 197

10.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 198

10.3.1 停采面高溫區(qū)域定位 199

10.3.2 支架后部高溫區(qū)處置 199

10.3.3 巷道頂煤高溫區(qū)處置 201

10.4 本章小結(jié) 203

參考文獻(xiàn) 204

后記 213 2100433B

采空區(qū)自然發(fā)火是井下重大災(zāi)害之一，也是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問(wèn)題。本書在分析煤自燃特性參數(shù)及采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)熱與散熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬技術(shù)提出了采空區(qū)自燃發(fā)火的能量遷移理論，闡述并揭示了采空區(qū)自然發(fā)火的多場(chǎng)耦合致災(zāi)過(guò)程和機(jī)理，建立了三維多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型；確定了四面體單元控制體的合理圈劃方案，提出了一種具有較高精度的有限體積法的新算法；利用新算法離散自然發(fā)火模型，編制了“采空區(qū)自然發(fā)火三維仿真系統(tǒng)”，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，模擬得到了注氮前后及停采狀態(tài)下的采空區(qū)各場(chǎng)分布情況，分析了推進(jìn)速度、 遺煤厚度及工作面風(fēng)量等對(duì)自然發(fā)火的影響；提出了一種以工作面上隅角一氧化碳涌出量來(lái)定量評(píng)估采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)的新方法，提高了采空區(qū)自然發(fā)火早期預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，還自主研發(fā)了一種新型干冰快速升華裝置，即干冰相變發(fā)生器，成功處置了井下的早期自然發(fā)火。

《采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬》全面闡述了煤礦開(kāi)采采空區(qū)自然發(fā)火理論及數(shù)值模擬研究最新進(jìn)展，系統(tǒng)、詳細(xì)地講述了采空區(qū)自然發(fā)火多場(chǎng)耦合理論模型和基于有限體積法的數(shù)值求解及軟件開(kāi)發(fā)。全書共分9章，主要內(nèi)容包括采空區(qū)自然發(fā)火多場(chǎng)耦合模型、采空區(qū)自然發(fā)火有限體積離散二維及三維計(jì)算模型及軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)值模擬采空區(qū)內(nèi)部多物理場(chǎng)量分布規(guī)律及注氮防滅火措施實(shí)施效果等。

《采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬》可作為煤炭類高等院校的研究生教材，也可作為在這一領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究和應(yīng)用的科技工作者的參考書。

《垃圾填埋氣體運(yùn)移的多場(chǎng)耦合理論及應(yīng)用》重點(diǎn)介紹了作者在垃圾填埋氣體運(yùn)移過(guò)程多場(chǎng)耦合效應(yīng)方面的研究成果，包括在垃圾填埋氣體釋放傳輸過(guò)程中生物、化學(xué)、熱、滲流和應(yīng)力耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理，垃圾填埋氣體運(yùn)移的滑脫效應(yīng)、滲流、應(yīng)力耦合效應(yīng)，垃圾填埋氣體運(yùn)移的水、氣兩相滲流機(jī)理及模型，垃圾填埋氣體運(yùn)移過(guò)程溫度、滲流、應(yīng)力耦合效應(yīng)、生物、滲流耦合效應(yīng)、生物、滲流、應(yīng)力耦合效應(yīng)以及生物、滲流、熱耦合效應(yīng)。全書最后以我國(guó)南方某垃圾填埋場(chǎng)為背景，對(duì)垃圾填埋氣體抽排發(fā)電工程的可行性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

《垃圾填埋氣體運(yùn)移的多場(chǎng)耦合理論及應(yīng)用》可供環(huán)境工程、巖土工程、固體廢棄物處置工程以及新能源科學(xué)與工程等專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生教學(xué)及閱讀使用，亦可供相關(guān)科研和工程設(shè)計(jì)人員參考。

趙延林、曹平、王衛(wèi)軍編著的《裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合理論及工程應(yīng)用》內(nèi)容提要：本書詳細(xì)介紹了裂隙巖體滲流一損傷一斷裂耦合理論及其在相關(guān)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：滲流應(yīng)力作用下裂隙巖體斷裂力學(xué)特性研究，類巖材料多裂紋體斷裂破壞實(shí)驗(yàn)與巖石斷裂韌度測(cè)試、裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合本構(gòu)模型研究、基于雙重介質(zhì)裂隙巖體滲流-損傷-斷裂耦合模型有限元分析、裂隙巖體滲流損傷-斷裂耦合的擴(kuò)展FLAC3D分析、高壓預(yù)注水致裂軟化煤層的工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值研究。