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煤最短自然发火期测试及煤堆自燃防治技术研究

作　者: 杨永良
导　师: 李增华
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 煤炭自燃氧化放热强度基本参数煤最短自然发火期数值模拟实验模拟煤堆自燃抑制方法现场试验
分类号: TD752
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 5次
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内容摘要

煤自燃火灾严重威胁着煤炭生产和储运的安全,给煤炭产业带来极大的安全隐患。为有效的防治煤炭自燃,研究煤炭自燃特性,确定煤最短自然发火期,并提出合理的煤自燃防治技术是非常有必要的。准确测定煤自燃过程中的基本参数是进行自然发火规律研究的前提。本文依据传热学、传质学及渗流力学理论,建立了一整套煤低温氧化过程中主要参数测试的理论方法及相关实验系统,包括煤体氧化放热强度、导热系数、氧气扩散系数、渗透系数、耗氧速率及活化能等参数。其中,自行设计组建的煤氧化放热强度测试实验系统,实现了快速准确测定的目标。利用实验系统准确测定了各参数,分析了粒度、温度、煤变质程度等因素对上述参数的影响,并给出了影响函数,为不同条件下煤自燃特性研究提供了基础。以绝热圆柱形煤柱为物理模型,建立了煤实验条件下最短自然发火期计算模型。利用实测的煤自燃基本参数,通过解算分析各影响因素与自然发火期的正交关系,准确测定了煤最短自然发火期。结果基本与煤体自然发火实际情况一致,验证了测试结果的准确性。该方法耗时短,适用于大批量煤样测试的要求。建立了煤堆二维空间自热升温数学模型,采用FLUENT软件进行了数值解算,研究了煤堆的自热氧化规律,模拟所需参数均为实验测得;结果揭示在自热过程中气流均从煤堆下部流入,上部流出,并掌握了煤堆内部高温点分布规律;在模拟结果的基础上提出了合理的抑制煤堆自燃新方法——煤堆下部表面覆盖细煤预防自燃。为考察细煤覆盖煤堆下部表面抑制自燃效果,对细煤覆盖煤堆进行了数值模拟。模拟分析了细煤覆盖煤堆内部的气体渗流及氧气分布规律,通过与原煤堆比较分析,综合考察了细煤覆盖对煤堆自热规律的影响。同时建立了煤堆升温实验台,对覆盖不同厚度细煤煤堆沿水平方向的空气扩散和沿竖直方向的空气热对流的二维空间传热、传质规律进行了实验研究。实验与数值分析结果表明覆盖细煤阻碍了煤堆内部的氧气补充,从而有效的抑制了煤堆自燃。最后,将细煤覆盖煤堆自燃抑制方法应用到现场进行了大型煤堆试验,成功抑制了神华最易自燃煤堆的发火。没有覆盖细煤的煤堆在很短的时间内(18 d)即发生了自燃,而覆盖1 m厚细煤的煤堆历时123 d最高温度仅为59.9℃。并得出了煤堆高温区域移动规律,分析了环境温度及大气风速对煤堆自燃的影响。该论文有图79幅,表23个,参考文献137篇。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-22
1 前言  22-36
  1.1 选题依据与研究意义  22-24
    1.1.1 选题依据  22-23
    1.1.2 研究意义  23-24
  1.2 国内外研究现状  24-33
    1.2.1 煤自然发火期研究状况  24-26
    1.2.2 煤低温氧化过程基本参数研究状况  26-30
    1.2.3 煤堆自燃防治技术研究现状  30-33
  1.3 研究内容  33-36
2 松散煤体氧化放热强度及热物性参数测试方法  36-69
  2.1 引言  36
  2.2 松散煤体氧化放热强度及导热系数测试方法  36-60
    2.2.1 氧化放热强度及导热系数测试原理  36-42
    2.2.2 氧化放热强度及导热系数测试实验系统  42-45
    2.2.3 导热系数测试过程及结果分析  45-49
    2.2.4 氧化放热强度测试过程及结果分析  49-60
  2.3 松散煤体内氧气扩散系数实验研究  60-62
    2.3.1 氧气扩散系数实验测定原理  61
    2.3.2 氧气扩散系数实验结果分析  61-62
  2.4 松散煤体渗透系数测定实验研究  62-67
    2.4.1 渗透系数测定原理  63-64
    2.4.2 渗透系数测定装置  64-65
    2.4.3 渗透系数实验结果及分析  65-67
  2.5 本章小结  67-69
3 煤低温氧化动力学参数测试实验  69-80
  3.1 引言（Intrduction）  69
  3.2 动力学参数计算模型(Calculating Model of Kinetic Parameters)  69-70
  3.3 实验研究方法(Experimental Method)  70-71
    3.3.1 实验设备(Experimental Device)  70-71
    3.3.2 实验过程(Experimental Process)  71
  3.4 松散煤体耗氧速率测试结果及分析  71-76
  3.5 化学动力学参数计算分析  76-79
  3.6 本章小结  79-80
4 煤最短自然发火期快速、定量测定方法研究  80-106
  4.1 概述  80-81
  4.2 煤最短自然发火期计算模型建立  81-90
    4.2.1 煤最短自然发火期计算物理模型  81-82
    4.2.2 煤最短自然发火期二维数学模型  82-90
  4.3 数学模型的解算方法  90-94
    4.3.1 差分方程建立  90-92
    4.3.2 边界条件确定  92-93
    4.3.3 煤自燃过程基本参数确定  93-94
  4.4 利用热重分析法测试煤自热过程中水分蒸发热  94-98
    4.4.1 实验方法(Experimental Method)  94-95
    4.4.2 水分蒸发速率实验结果与分析  95-97
    4.4.3 煤自热过程中水分蒸发热计算模型  97-98
  4.5 煤最短自然发火期数值解算及应用  98-104
    4.5.1 实验煤样矿井自然发火情况  98-99
    4.5.2 模型的解算  99-101
    4.5.3 煤最短自然发火期解算结果及分析  101-104
  4.6 本章小结  104-106
5 煤堆自燃规律数值模拟及防治技术实验研究  106-124
  5.1 煤堆二维空间自热升温数学模型  106-107
  5.2 煤堆自热氧化规律数值模拟研究  107-115
    5.2.1 煤堆数值模拟的几何模型建立  107-108
    5.2.2 煤堆自热数值模拟结果及分析  108-110
    5.2.3 煤堆自燃防治措施提出  110-111
    5.2.4 细煤覆盖煤堆数值模拟研究  111-115
  5.3 煤堆自燃防治技术模拟实验研究  115-122
    5.3.1 实验原理  115-116
    5.3.2 模拟实验装置  116-118
    5.3.3 煤堆升温氧化规律实验结果分析  118-122
  5.4 本章小结  122-124
6 煤堆自燃防治技术现场试验  124-136
  6.1 试验方案  124-125
    6.1.1 试验煤堆概况  124
    6.1.2 试验过程  124-125
  6.2 现场试验测试系统及其工作原理  125-126
    6.2.1 温度及气样测量管结构  125-126
    6.2.2 氧气及一氧化碳检测系统  126
  6.3 煤堆试验结果分析  126-134
    6.3.1 覆盖不同厚度细煤的煤堆试验结果对比  126-130
    6.3.2 细煤覆盖煤堆与未覆盖煤堆自热情况对比  130
    6.3.3 煤堆自热规律及影响因素分析  130-134
  6.4 本章小结  134-136
7 结论及展望  136-140
  7.1 主要结论  136-138
  7.2 主要创新点  138-139
  7.3 研究展望  139-140
参考文献  140-146
附录1  146-148
附录2  148-153
附录3  153-154
作者简历  154-157
学位论文数据集  157

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