煤田火区多场耦合作用下火源中心形成与识别方法研究-安全技术及工程专业论文.docx

西安科技大学学位论 文独创性说 明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了感谢。学位论文作者签名：日期：学位论 文知识产 权声 明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西 安科技大学。必威体育官网网址论文待解密后适应本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日论文题目：煤田火区多场耦合作用下火源中心形成与识别方法研究专业：安全技术及工程博士生：马晓峰（签名）指导教师：邓军（签名）摘要我国现有煤田火区200多个，其中北方7省火灾总面积已经达到720km2，煤田火 灾严重污染大气环境，造成珍贵煤炭资源的烧失和冻结。为保障煤炭安全开采，保护生 态环境，开展煤田火区形成机理与识别方法研究具有十分重要的意义。煤田火区形成与演化是在温度场、化学场、应力场、流场等多场耦合作用下由浅部 向深部发展的循环动力学过程。本论文以实验研究为基础，结合理论分析、数值模拟和 数理统计等方法，根据火区煤氧化自燃特性及上覆岩层热力耦合特性，研究了煤田火区 火源中心形成与识别方法，主要研究内容和结论如下：通过煤自然发火实验，研究了火区煤样在低温氧化阶段的放热强度、升温速率、耗 氧速率、特征温度、最小浮煤厚度、下限氧浓度、上限漏风强度。根据实验结果拟合了 最高温度点与时间、煤样放热强度、煤样耗氧速度、CO、CO２产生率与温度的函数关系， 其中放热强度与温度服从指数关系。通过TG、DTG和DSC实验研究了火区煤样热分 解和燃烧阶段特性及发生发展的过程机理，得出氧化升温期间煤样质量随温度变化服从 Boltzmann曲线。采用MTS815.02 电液三轴伺服岩石力学实验系统，对火区煤岩试件从常温升至600℃过程中的力学特征曲线进行了研究。温度升高超过400℃后，峰值应力最大值从29.95MPa降到了15.65MPa，峰值应变增加57%；温度从250℃升至400℃，弹性模量 的下降幅度超过90%；岩样随温度从室温升至600℃的过程中产生裂隙形成供氧通道。 通过CT扫描获取了不同温度下煤岩样的二维断面图，分析了煤岩样在热应力作用下的 图像特点，拟合得出煤岩体各物理参数（应力、应变、弹性模量、泊松比）与温度之间 的函数关系。自主研发了煤田火区动态演化过程多参数正交试验相似模拟平台，基于该平台模拟 研究了火区在不同供风量、上覆岩层厚度、煤层厚度、燃烧深度和加热速率因素及不同 水平下的动态演化过程，对结果进行了因素敏感性分析。在A-A测试层，垂直位移量 最大为0.46m，应力最大为 24MPa；应变在燃烧面后变化较明显，最大值为 0.15。在 B-B测试层，垂直位移量最大为0.5m，应力最大为19MPa，应变最大为0.067。在C-C测试层，应力、应变、垂直位移量在燃烧深度为0.8m、煤层厚度为0.3m时变化最大，分别为32MPa、0.095 和0.095m。煤层厚度和燃烧深度对应力和垂直位移影响最大。 依据原型尺寸对火区温度场、化学场、传热、传质和动态ODEs 方程直接耦合，模拟了二维多场耦合条件下火区发展演化规律，在模拟时间达到400 小时后，渗透率最大 值从2.3226×10-10m2增加到9.0579×10-10m2，最小值从1.1724×10-10m2增加到4.0959×10-10m2；孔隙率的最大值从0.3667增加到0.4634，最小值从0.3581增加到0.3822。 以CT扫描所得的火区裂隙图片为基础建立了抽象化的三维模型，分析了火区在温度、 化学反应、传热、传质、结构应力等多场条件下的动态耦合演化过程。vonMises等效 主应力峰值达到60.392MPa，第一主应力的拉应力最大为23.5MPa，位移场的最大值为-3.2429×10-7m，负值表明烧空区发生下沉，这是由于火区煤燃烧前后体积变化较大， 形成了烧空区，上覆岩层产生垮落裂隙。通过火源中心温度红外成像测定实验，研究了火源中心温度场向地表传播的规律。 火源中心向地表传递过程持续4小时后，表面最高温度比1小时的最高温度升高近20℃；持续8小时后表面最高温度升高程度开始减少，持续32小时后，