煤田火区煤岩裂隙演化过程中温度的分布与变化规律

The understanding about distribution rule of temperature in coalfield fire is the basis of both fire area recognition and optimization of management technology. The crack variation of coal-rock mass change the oxygen supplying condition and heat transfer path, which has a great effect on temperature field in coalfield fire. Aimed at this character, based on the tests of fracture process in nonisothermal condition and parameters of mechanics and thermophysical property of coal-rock sample, meanwhile by using particle flow code and discrete element method, the project will study crack evolution process and variation rule of coal-rock permeability in preheating zone, burning zone and burnout zone under the effect of heat, analyze the relationship of crack and permeability along with temperature in every zone throughout the development process of coalfield fire, on the bases of these works, we will build the unsteady state mathematical model reflecting coordinated variation relationship of chemical reaction- crack- transfusion- temperature, carry out the contrastive analysis between numerical simulation and actual measured results of crack and temperature distribution in typical coalfield fire, optimize mathematical model and computing method, form the unsteady state analytical method of temperature field which can reflect multi-field coupling relationship, study the spatio-temporal variation rule of temperature in the process of coal rock-crack evolution, and take the intensive study to urgent problems in coalfield fire, including the relationship between surface crack area and underground high-temperature region, and spatial distribution of underground high-temperature in fire area. The study in this project will provide the scientific basis for formulating targeted solution scheme to coalfield fire management.

认识煤田火区温度场的分布规律是火区识别和治理工艺优化的基础。煤火发展过程中火区煤岩裂隙的变化改变了火区的供氧条件和热传递路径，对火区温度场影响很大。本项目针对这一特征，在测试火区煤岩样变温条件下的破裂过程及其力学与热物性参数的基础上，运用颗粒流理论，采用离散元方法研究热力作用下火区预热区、燃烧区和烧空区煤岩体的裂隙演化过程及渗透性变化规律，分析煤火发展过程中各区域裂隙、渗透率与温度的关系，在此基础上构建体现化学反应-裂隙-渗流-温度之间协同变化关系的煤火非稳态模型，开展典型火区煤岩裂隙与温度分布的数值模拟和实测结果的对比分析，优化数学模型和计算方法，形成反映火区各参数耦合关系的温度场非稳态分析方法，研究煤田火区煤岩裂隙演化过程中温度的时空变化规律，对煤火治理急需解决的问题，包括火区地表裂隙与地下高温区的关系，火区地下高温区的空间分布等进行深入研究,为制定有针对性的煤火治理方案提供依据。

本项目测试了火区覆岩的力学参数和热物性参数，掌握了不同温度条件下粉砂岩力学参数和热物性参数的变化规律；在此基础上，根据微观参数标定准则，通过数值模拟与实验结果的对比分析，得到了不同温度下火区覆岩的微观力学参数。以新疆某火区为原型，分析了煤火演化过程中覆岩裂隙及渗透率的变化规律，结果表明：随着火区温度的升高，覆岩各区域裂隙数及渗透率都呈增大的趋势，煤火发展不同阶段控制覆岩裂隙发育的主要因素不同，在煤初始低温氧化阶段和高温燃尽阶段覆岩裂隙发育主要受力学参数的控制，在遗煤燃烧阶段覆岩裂隙发育受煤烧损和力学参数共同控制。 . 基于煤田火区多场耦合关系的分析，构建了包含氧气消耗源相、煤燃烧产热、煤岩孔隙率演化、煤岩流通阻力演化、气固换热以及气体密度演化特性的煤田火区多场耦合非稳态数学模型；运用C语言将煤田火区多场耦合非稳态数学模型编译成了用户自定义函数（UDF），基于CFD解算平台，形成了基于多场耦合的煤田火区温度场非稳态分析方法，并对其准确性开展了现场对比分析。. 采用构建的煤田火区多场耦合非稳态数学模型和分析方法，研究了矿井火-地表火共存火区的发生发展过程，结果表明：矿井采空区遗煤发生自燃后，高温烟气由井上下连通通道扩散至地表，烘烤浅部风化程度较高的露头煤，导致露头煤燃烧，并随着燃烧加剧逐渐向四周扩张，形成矿井-地表贯通型共存火区。在此基础上，研究得到了煤燃烧熄灭的极限氧浓度，揭示了浅部封堵灭火渗透条件，构建了浅部封堵控氧窒息技术体系，并在新疆火区进行了现场试验，实现了共存火区的高效治理。. 本项目研究成果经第三方评价达到国际领先水平，获新疆维吾尔自治区科技进步二等奖1项（已公示），第六届安全生产科技成果三等奖1项；发表高水平论文11篇，其中SCI收录8篇，EI收录1篇，出版专著1部；授权国家发明专利4项，软件著作权1项，培养硕士研究生7人。