基于多孔介質(zhì)理論建立采空區(qū)遺煤自燃模型

李季 段嘉敏

摘要：采空區(qū)作為煤炭發(fā)生自燃的主要場(chǎng)所，遺煤自燃一直是研究的重點(diǎn)，而煤炭的自燃過(guò)程與多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理相類似。為了更好地說(shuō)明采空區(qū)遺煤的自燃過(guò)程，本文通過(guò)研究多孔介質(zhì)模型的特征參數(shù)及其傳熱傳質(zhì)理論，建立了采空區(qū)遺煤的多孔介質(zhì)模型以及采空區(qū)遺煤自燃過(guò)程中的質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳遞方程，進(jìn)一步解釋了采空區(qū)遺煤的自燃過(guò)程，為采空區(qū)遺煤的自燃防治提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì);采空區(qū)遺煤;孔道網(wǎng)絡(luò);傳質(zhì)傳熱

由于火災(zāi)具有長(zhǎng)期性、動(dòng)態(tài)性和影響范圍大的特征，礦井火災(zāi)尤其是采空區(qū)自燃又通常是內(nèi)外因火災(zāi)救災(zāi)中難度最大、技術(shù)性最強(qiáng)且危險(xiǎn)性最大的。近年來(lái)，隨著綜采放頂煤開(kāi)采工藝的大范圍推廣，雖然大大提高了煤的產(chǎn)量和效率，但也導(dǎo)致采空區(qū)留有較多遺煤，極大地增加了采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的可能性。

從17世紀(jì)人們開(kāi)始探索研究煤炭自燃的起因和過(guò)程開(kāi)始，各國(guó)學(xué)者先后提出了各種假說(shuō)，目前煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)已被國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)同。根據(jù)對(duì)煤氧復(fù)合學(xué)說(shuō)的分析，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)遺煤自燃的過(guò)程為物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，與多孔介質(zhì)的熱質(zhì)傳遞機(jī)理類似。并且在煤的多孔介質(zhì)模型構(gòu)建研究中，我國(guó)學(xué)者金毅等人分析了煤巖介質(zhì)滲透率的主要影響因素，并描述了在流體運(yùn)移達(dá)到平衡狀態(tài)之前的演化模式。祝一搏系統(tǒng)分析了多孔介質(zhì)物理模型參數(shù)對(duì)其滲透率的影響，提出了一種采用均質(zhì)泰森多邊形迭代法模擬煤巖多孔介質(zhì)并分析了裂-孔性多孔介質(zhì)中物性參數(shù)對(duì)滲透率的影響。方義利用格子Boltzmann方法來(lái)模擬煤孔隙內(nèi)煤層氣微觀流問(wèn)題，用LBM模擬孔隙內(nèi)氣體滲流問(wèn)題，達(dá)西定律計(jì)算結(jié)構(gòu)的滲透率。在對(duì)煤的多孔介質(zhì)模型構(gòu)建中，多數(shù)為研究煤層孔隙中氣體滲流問(wèn)題，并沒(méi)有針對(duì)采空區(qū)遺煤自燃多孔介質(zhì)模型的研究;因此，為了研究采空區(qū)的遺煤自燃的根本性問(wèn)題，本文基于多孔介質(zhì)理論建立了采空區(qū)遺煤的自燃模型。

一、多孔介質(zhì)理論

多孔介質(zhì)可以定義為由固體物質(zhì)與其內(nèi)部孔隙組成的物質(zhì)，在一種物質(zhì)中散布著空而無(wú)物的間隙，煤也是一種較為典型的雙重性多孔介質(zhì)，即裂隙一孔隙雙重介質(zhì)。

利用分形幾何學(xué)對(duì)多孔介質(zhì)的特征參數(shù)進(jìn)行描述。

（一）多孔介質(zhì)模型的特征參數(shù)

多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)作為多孔介質(zhì)材料的主要特征，是研究的重點(diǎn)。反應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括孔隙率（孔隙度）、顆粒直徑、孔隙直徑、比表面積、滲透率等。

四、結(jié)語(yǔ)

（一）基于多孔介質(zhì)模型、孔道網(wǎng)絡(luò)模型的理論研究，建立了采空區(qū)遺煤的二維規(guī)則孔道網(wǎng)絡(luò)多孔介質(zhì)模型。

（二）基于達(dá)西定律、傅里葉定律以及質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律，建立了采空區(qū)遺煤自燃過(guò)程中的質(zhì)量傳遞方程、熱量傳遞方程以及動(dòng)量傳遞方程，共同構(gòu)成采空區(qū)遺煤自燃的傳質(zhì)傳熱數(shù)學(xué)模型。

（三）通過(guò)建立采空區(qū)遺煤多孔介質(zhì)模型，為分析采空區(qū)遺煤自燃影響因素及火災(zāi)防治提供理論支持。

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