新疆地区煤火燃烧系统热动力特性研究

煤火是伴生煤炭资源开发的一种灾害，在世界主要产煤国普遍存在。煤火不仅燃烧损失大量煤炭资源，还对区域环境产生严重影响。煤火燃烧系统热动力特性是煤火研究领域的核心内容，其研究旨在揭示煤火热动力演化过程，为煤火高效治理、科学定量评价煤火环境影响提供基础。本论文以新疆地区煤火为研究对象，较系统地从煤火赋存物理边界、火区持续燃烧供氧动力、火区煤燃烧放热特性与传热特性等方面开展了其燃烧系统热动力特性研究。应用岩层控制理论分析了火区空间的状态特性，提出了确定火区控制体物理空间边界的方法，初步构建了火区控制体模型。火区控制体地表范围以走向、倾向最外层裂隙为界，地下区域范围以走向、倾向岩层移动角、煤层赋存底板等高线推断。在火区控制体模型研究基础上，结合火区内孔隙介质透气率、裂隙介质透气率，提出了火区等效透气率计算模型。火区控制体内存在燃烧垮落空区、裂隙区域。燃烧垮落空区透气率符合孔隙介质透气率计算模型，裂隙区域透气率符合裂隙透气率计算模型，火区等效透气率是孔隙、裂隙透气率的有效组合。根据火区等效透气率理论计算模型，初步构建了火区等效透气率实验方法，可用于火区控制体围岩不同介质组合透气率的模拟测试。结合火区控制体模型，研究了火区控制体孔隙介质围岩导热率的计算方法。通过对火区烟气流动特性的研究，揭示了火区煤持续燃烧供氧动力-火风压的形成机制，提出了煤田火区火风压的计算方法与参数确定方法。火区控制体内烟气属自然对流条件迫使下的气体流动，其与火区环境大气间的温度差产生的重力差是引起烟气流动的主要动力。地面覆盖前后火区控制体内烟气流动状态不同，覆盖前空气流经火区控制体内状态变化基本符合等压过程，覆盖后烟气在火区控制体内状态变化基本符合等容过程。在此基础上提出采用火区状态系数C表征火区覆盖前后空气/烟气流动状态的变化，并设计了火区状态系数C的实验装置和试验方法。应用燃烧学理论对火区煤燃烧状态进行了分析，提出了火区控制体煤燃烧放热计算模型，即火区控制体热源强度模型。火区过量空气系数是反映煤燃烧状态的参数之一，实际火区多属于富燃料燃烧。由于煤火的复杂性，采用煤燃烧反应动力学研究方法描述火区控制体内煤燃烧状态具有一定局限性。对于整体火区燃烧系统热动力特性规律研究而言，可采用单位质量煤燃烧需氧量、放热量和火区烟气流量计算火区控制体煤燃烧放热量。应用传热学理论研究了火区与外部环境的热量传递方式，提出了煤火火源温度计算模型。煤火热量传递包括火区控制体内围岩导热、火区地表与环境大气的对流传热、火区地表的辐射传热以及火区烟气的传质传热。其中火区内以导热方式传向地面的热量以对流和辐射方式散失。火区地表与空气的对流传热符合外掠平板自然对流模型，对流传热系数根据空气流动雷诺数确定的流动状态计算。建立了火区控制体单位时间散热量和累积散热量计算模型。以典型火区1-水西沟火区和典型火区2-托洛盖05火区为例，进行了火区煤燃烧系统热动力特性部分参数的计算。结果表明地表辐射散热量普遍高于对流散热和传质散热。由建模及实例分析，在煤火治理中需要强调的治理原则：一是首先应考虑置换火区热量，尤其需要置换火区高温区域热量以快速降低火区内外温度差，及时减少火区供氧动力；二是对非高温区域裂隙及时进行覆盖封堵，增加空气渗入火区的阻力，及时降低火区供氧量。通过本论文研究，首次较系统地构建了煤火燃烧系统热动力特性基本模型，为揭示新疆地区煤火燃烧系统热动力演化的本质提供了定量分析手段。