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煤炭资源与安全开采国家重点实验室2008年自主研究课题结题报告 电子邮箱： wdmcumt@163.com 通讯地址：徐州大学路1#中国矿业大学矿业中心 资助金额： 50 万元 执行年限： 2008 年1月—— 2012年12月 填表日期： 年 月 日 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室制表2012.10 《结题报告》学术及被引用情况（不包括自引情况）专利相关证书复印件煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题管理办法。 四、注意事项 1、 请以宋体、小四、行距20磅填写申请书的各项内容，要求实事求是，逐条认真填写，表达明确严谨，字迹清晰易辨； 课题摘要（限500字）： 关键词(不超过5 个，用分号分开): 煤自燃 火源位置 探测 防灭火泡沫 流动 报告正文 ，提出了基于热电复合的大面积煤火区域煤自燃火源探测技术，并在煤火治理过程中进行了成功应用 五、采用现场灌注试验的方法研究了隐蔽火源治理的防灭火介质----三相泡沫在采空区的渗流特性，得到了三相泡沫的堆积高度和扩散宽度及其影响因素。 六、采用实验室实验的方法研究了三相泡沫的基本渗流特性，得出了三相泡沫渗流规律的理论计算方法。在理论分析、实验研究的基础上，建立了三相泡沫在采空区渗流的三维数学模型，采用对现场灌注试验进行数值模拟的方法对数值模拟的方法进行了验证。 七、建立了防灭火泡沫在采空区渗流的数学模型，提出了三相泡沫在采空区渗流的数值模拟方法，开展了三相泡沫在综放面采空区流动特性的数值模拟研究。 八、开展了防治煤炭自燃的稠化砂浆及其特性研究。 1.2 执行情况 项目基本按照计划进行，研究的成果主要反映在出版的2部专著、申请的5项专利，发表的14篇论文（含期刊论文、学位论文、会议论文等）中。 2 研究工作的主要进展和所取得的成果 2.1 开展了隐蔽自燃火源气体产物运移特征的数值模拟研究 采用数值模拟和现场实测的方法研究了采空区隐蔽火源自燃气体产物一氧化碳在采空区的运移、扩散特性。 2.1.1 隐蔽火源传质传热数学模型 应用煤自燃、传质、传热学等理论建立了采空区自然发火的三维数学模型。 1）主要控制方程: （2-1） 式中，为混合气体密度，i标记为（x，y，z），表示三维空间中的i方向，为时间，表示速度，为i（x, y, z）方向上的速度分量，采空区内气体质量增减量。p是气流微元上的压力，其中i,j标记为(x，y，z)，表示三维空间中的j方向，为分子粘性作用而产并作用在气体微元上的粘性应力张量，为i方向上的重力体积力，Si为i方向上气体在采空区多孔介质运移过程中附加的动量损失源项，由括粘性损失和惯性损失两部分构成，可表示为： (2-2) 式si中，为采空区气体的粘度；,分别为粘性损失系数、惯性损失系数矩阵。为速度在x，y，z三个坐标方向上的分量，由此可见当流动速度足够小时，式中惯性损失部分相对于粘性损失可看作无穷小项，附加动量损失源可简化为Dacy公式表示。式中，为组分s的体积浓度，是该组分的密度，为该组分的扩散系数，为采空区内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，为引入的矢量符号。 （2-3） 式中，为第种气体的扩散流量，主要由浓度梯度、热力梯度引起；为混合气体的扩散系数，为气体的质量分数；为热扩散系数；为温度。 对于非稀薄气体，式x可以采用多组分扩散公式代替，即： （2-4） 其中，是气体的分子量；是混合气体的分子量；是气体组分的多组分扩散系数。 氧气与浮煤发生物理吸附、化学吸附以及煤氧复合等物理化学变化，是采空区氧浓度不断下降的主要原因。低温氧化阶段（低于70°C）氧气的消耗速率可以采用下述公式来表示： （2-5） 式中，E为反应活化能，根据煤种的不同取12～95，本次数值试验取值64；A 是指前因子，依赖于煤级和测试方法；为常数，取值多在0.5～1之间；R 为气体常；T为热力学温度；[O2]是指氧气的体积浓度。 2.1.2 隐蔽火源火灾产物的数值模拟研究 1） 隐蔽火源可能分布范围研究 一般情况下隐蔽火源出现在采空区“自燃带”内，因此研究得到采空区“自燃带”的分布范围，即可掌握隐蔽火源可能分布区域。确定“自燃带”可能分布区域，是采用设置火源的方式研究火源产物运移分布特征的前提，因为只有在隐蔽火源可能存在范围内，利用“模拟火源（设置火灾气体释放源项）”展开火源特性研究，才具有实际