基于有限体积法采空区自然发火动态变化规律研究

There are an increasing number of computing method used on the research of mine fire with the development of computer,including the finite difference method and the finite element method used in the coal spontaneous combustion in goaf. But there are lots of question in application process because of their shortcoming.So the finite volume method is adopt by the project and better by selecting the control volume. After that,the coupling research on the flow field, the temperature field and the concentration field are studied based on the gas-solid coupling theory.what's more, the dynamic mathematical model of spontaneous combustion is found according to the constantly moving of working face, which is deal with the finite volume method. And then, the simulation software can describe the air leakage, temperature, oxygen concentration and so on in goaf. At last, ti is visualization to all the data so as to clearly find the dynamic regulation of every parameters in goaf, at a glance.. The research can provide significant technical guidance and theory basis for prediction, prevention spontaneous combustion in goaf.

随着计算机的飞跃发展，数值计算方法越来越多的应用到矿井火灾方面，其中有限差分和有限元法在采空区遗煤自燃方面已经得到应用和发展，但是由于其方法的局限性，在应用过程中存在诸多问题，因此本课题基于有限体积法思想，选择合理的控制体探寻一种高效的有限体积算法；根据工作面不断推进的特点和气-固耦合理论，对采空区流场、温度场、气体浓度场进行动态耦合分析，建立移动坐标系下采空区动态自然发火数学模型和有限体积法解算模型，编制采空区内漏风、温度和氧浓度等分布的解算软件，最后对数据进行可视化处理，以便清楚地、一目了然的研究采空区内部各点各参数的变化规律，为采空区自然发火的预测预报、火灾防治提供技术指导和重要的理论基础。

由于矿井火灾中采空区自然发火是主要灾害之一，其中采空区自然发火次数占火灾总数的60%，因此，研究采空区自然发火对于矿井安全生产和经济效益具有非常重要的意义。采空区自然发火是煤体放热和环境散热这对矛盾动态发展的过程，是一个极其复杂的物理化学过程，它不仅与煤自身的氧化性和放热性有关，还与漏风供氧和蓄热环境密切相关，是采空区内的渗流速度、气体温度、氧气浓度三者相互作用引起采空区气体和煤岩的温度变化而引起的。由于采空区情况复杂多变，火源位置又无法接近，给灭火工作带来很大的盲目性，造成了在灭火过程中人力、物力和财力的极大浪费，甚至冻结了大量的煤炭资源。.因而数值模拟越来越多的应用到矿山安全领域，本项目基于气-固耦合理论和有限体积法思想的“守恒性”原则，运用流体力学、渗流力学、矿井通风学、传质学、热力学、传热学等基础理论，采用现场调查、理论分析、实验室实验和数值结算相结合的研究方法，建立了采空区内流场、氧气浓度场和温度场数学模型；根据采煤工作面持续移动的特点，建立了移动坐标系下的采空区自然发火模型，使得采空区自然发火模型由静坐标下移动边界的非稳态的偏微分方程组变成了移动坐标下固定边界的稳态偏微分方程组，大大简化了采空区自然发火模型的求解；最后项目以Visual Basic 6.0为软件平台，结合Tecplot软件编制了采空区自然发火模拟软件，软件解算得到采空区各点的压力、流速、氧浓度、温度的数据文件，利用tecplot9.0软件对其解算数据进行分析，得到了采空区的压力、流速、氧浓度、温度的分布图，可视化显示数值结果，便于对自然发火预测预报的应用；并在此基础上编制了采空区注惰模拟软件，模拟注惰后“三场”的变化规律，解算出注惰的最佳注惰量、位置等参数，确保达到良好的注惰效果，并以林南仓为例对注惰效果进行了验证计算，确保了模拟结果的准确性和合理性。为采空区自然发火的防治具有重大意义。