基于热-湿-气耦合效应的松散煤体氧化高温点形成机制研究

In the process of low temperature oxidation of coal, the temperature, moisture and gas concentration influence on each other, which constitutes a complex heat-moisture-gas coupling effects and determines coal oxidation heating up to spontaneous combustion. It is a key scientific problem which should be solved to reveal the dynamic development of coal spontaneous combustion. In the project in the light of the characteristics of dynamic coupling of temperature, moisture andgas concentration during the development of loose coal spontaneous combustion, the oxidation characteristics and heat release rules of loose coal under different heat-moisture-gas concentration will be studied to establish mathematical models of heat production of coal oxidation. The developed thermophysical parameters test system will be used to study the change of thermal conductivity and specific heat capacity of loose coal with temperature in heat-moisture coupling conduction. The coal seepage experiment apparatus will be constructed to study heat transfer, moisture migration and the change of gas components and concentration in loose coal under heat-moisture-gas coupling effects, and seepage experiment of loose coal will be conducted under different temperature, moisture and gas concentration, so as to reveal the seepage heat transfer law of loose coal in the heat-moisture-gas coupling effects. Based on the dynamic characteristics of coal oxidation and the conservation of heat, moisture, and gas concentration, the mathematical model of coal low temperature oxidation under heat-moisture-gas coupling effects will be established to study the heat-mass change and heat evolution in the process of loose coal oxidation, based on which the formation mechanism of high temperature zone of coal oxidation will be revealed, which provides theoretical basis for coal fire control in coal mines.

煤低温氧化过程中温度-湿度-气体浓度三者相互影响，构成复杂的热-湿-气耦合效应，决定着煤氧化升温形成自燃，是揭示煤自燃动态发展亟待解决的关键科学问题。本项目针对煤自燃发展过程中温度、湿度和气体浓度动态耦合的特点，研究不同温-湿-气环境下松散煤体的氧化特征、热释放规律，建立煤氧化产热数学模型；利用研制的热物性参数测试系统，研究松散煤体导热系数、比热容的热-湿耦合变化规律；构建煤渗流实验装置，开展松散煤体不同温度、湿度及气体浓度下渗流实验，研究热-湿-气耦合作用下松散煤体的热量传递、水分迁移和气体变化规律，揭示热-湿-气耦合效应下松散煤体渗流传热规律；以煤氧化动力学特性和热量、湿度、气体浓度的守恒为基础，建立煤氧化热量、湿度和气体浓度耦合数学模型，研究松散煤体氧化过程中的热-质变化关系、热演变规律，揭示煤氧化高温点的形成机制，为煤矿防灭火提供理论依据。

煤低温氧化蓄热升温诱发自燃的机理是煤矿防灭火的难题。现有研究虽对煤氧化产热特性、散热特性、煤自燃发展环境因素、煤体内水分对自燃的影响等方面进行深入分析，然而受限于煤结构的复杂性，这一难题仍未能得到很好的解释。本项目研究中，自主搭建了松散煤体低温氧化试验系统，研究煤低温氧化过程的内外部条件，包括煤低温氧化的产热因素及产热量大小，煤体散热和蓄热特性随着氧化进程的变化特征，煤低温氧化过程中热量的释放特征、影响因素、宏观表现，煤低温氧化过程中煤中水分的蒸发、迁移与再吸附特性；以及煤低温氧化过程中煤体本身的传热与蓄热能力的变化特征及其影响因素。实验深入探讨了煤低温氧化过程中的热量-湿度-氧浓度相互耦合作用下煤低温氧化发展进程及其不同阶段的主控因素、相互耦合作用关系，详细揭示了煤低温氧化过程中热量的产生、传递、聚集特征。研究中将煤体水分与外部环境氧浓度的影响作为煤氧化产热的反馈因素作用煤氧化进程，并将这种影响以温度变化的形式进行分析，构建了煤低温氧化的热-湿-气耦合模型，研究了松散煤体氧化发展中高温点形成机制。研究发现，煤低温氧化过程中，煤体中水分会随着风流的流动而逐渐散失，迎风方向煤体发生干燥现象，但是湿风流继续在松散煤体中流动时，会出现加湿下风侧煤体现象。当煤体水分散失至一定程度后，煤导热能力降低、蓄热能力升高，此时煤氧化产热在宏观上会导致煤体温度的升高，并且随着温度的升高导热能力的降低和蓄热能力的升高会加强，这种结果会使得煤体温升加剧。但是煤体中水分的散失又会导致松散煤体周围氧浓度的降低，从而反作用于低氧区域煤体氧化进程的减慢。这种水分蒸发、氧化减慢、温度缓慢升高的过程与煤体的氧化产热速率密切相关，当产热速率达到一定程度后，煤体温升过程则较为明显。通过本项目的研究发现了松散煤体低温氧化发展中高温点的形成机制，为防治煤矿火灾提供了理论依据。