非均质多孔介质气体输运拓扑网络传热特性研究

The essence of the coal spontaneous combustion is the result of the combined effect of continuous oxygen supply in the airflow field, the heat storage of coal and the heat accumulation in the coal mine goaf. Thus, studying the heat transfer law under the solid and gas coupling in the gas transport process is the basic theory of the prevention and control technology of coal spontaneous combustion. Using the qualitative and quantitative test method to analysis the structure of pore network, the conducting pore structure distribution is researched in the fracturing area of goaf, the conduction pore network topology model of variable scale is established based on the combination of mathematical statistics and fractal theory, in addition, the characteristic parameters of airflow and heat transfer is proposed to represent the features of the gas transport network in goaf. By presenting the gas transport and heat transfer experimental platform, and using the combined method of numerical simulation and physical similarity simulation, the gas transport and heat transfer law is studied under the multi field coupling of goaf. Furthermore, in order to acquire the characteristic parameters of air flow field and temperature field, the heat transfer model of gas transport network is established and the simplified rules model is formulated in goaf. The research findings have important theoretical significance for enriching the gas flow theory and the of heat transfer theory in porous media.

采空区遗煤自燃灾害发生的实质是采空区风流场持续供氧、遗煤蓄热、热量积聚综合作用的结果，研究采空区气体输运过程中固气耦合作用下热量传递规律是煤自燃灾害防治技术的基础理论。项目采用定性、定量方法测试分析采空区孔隙网络结构，研究采空区遗煤压裂区域导通孔隙结构分布特征，建立基于数理统计与分形理论相结合的可变尺度导通孔隙网络拓扑结构模型，提出表征采空区气体输运网络的风流和传热特征参数；采用数值模拟和物理相似模拟相结合的方法，建立采空区气体输运传热研究实验平台，研究采空区多场耦合作用下气体输运及热量传递规律；建立采空区气体输运拓扑网络传热模型，制定模型的等效简化规则，求解采空区的风流场、温度场特征参数。项目研究成果对丰富多孔介质内的气体流动理论和热量传递理论具有重要的理论意义。

本项目针对导通孔隙网络基本拓扑结构，采用煤样电镜扫描实验，分析了采空区遗煤的孔隙分析特征，确定了影响采空区遗煤孔隙结构的主要影响因素，提出了表征煤体等效孔隙网络拓扑结构的方法。.通过对姚桥煤矿、宏景塔一矿和红树梁煤矿煤样进行工业分析、导热系数和气体输运网络传热等相关煤自燃实验研究，以砌体梁理论和“O”型圈理论为基础，研究了采空区孔隙率分布规律，根据Ergun方程建立了采空区Y型和U型工作面采空区渗透率的三维分布数学模型，采用数值模拟方法分析了采空区风流场和浓度场分布规律，提出了采空区横向氧化带平行四边形面积判定法，将横向氧化带与工作面夹角和非留巷侧采空区氧化带宽度构成的平行四边形面积作为横向氧化带范围。.理论推导了煤的导热系数计算方法，设计研发了导热系数测定装置，分析了不同粒径和不同供风量条件下煤体温度与热源温度的变化关系，得出了煤体导热系数与外部热源成反比的关系。此外，设计研发了采空区气体输运与煤自燃传热动态平衡实验装置，研究了多孔介质气体输运过程中固气耦合作用下热量传递规律，煤样从常温状态加热到70℃，漏风供氧促进煤自燃，在漏风主通道上的煤温变化明显；煤温在70~175℃时，煤氧化能力加剧，漏风散热作用减弱。.基于以上实验结果，结合多孔介质扩散渗流理论、多孔介质气体流动模型、漏风场数学模型、氧浓度数学模型和温度场数学模型，构建了采空区气体输运网络传热数学模型，研究了模型的求解方法，可对采空区风速、氧浓度、温度分布进行计算。项目研究成果对丰富多孔介质内气体流动理论和热量传递理论具有重要的意义。