煤低温催化氧化及多参数时空耦合自燃机理研究

煤矿自燃火灾不仅会造成巨大经济损失和资源浪费，而且严重威胁着煤矿的安全生产。本项目在总结大量煤氧化实验基础上，提出煤低温催化氧化假说，拟采用新颖的实验方法对该假说进行验证和完善；根据采空区遗煤的多样性，实验研究煤的粒度、氧浓度、温度、孔隙率、含水量等因素对煤氧化速率的影响；在此基础上，探讨实际采空区多参数耦合时空演化规律，建立采空区自然发火的数学模型和有限体积法解算模型，编制可解算采空区漏风、温度、氧浓度、煤氧化生成气体浓度等参数分布的数值模拟软件；通过相似理论研究采空区自然发火的相似准则，改建采空区自然发火相似模拟实验台，进行相似模拟实验，研究采空区最短自然发火期；采用三线法钢丝缠绕埋管方法，观测实际采空区的温度，验证数值模拟和相似模拟结果。根据相似理论以及数值模拟和相似模拟结果，提出采空区自燃的区域预测无因次指标，指导矿井开采与通风设计；完善基于采空区上隅角气体成份的实时预测预报方法。

采空区自燃火灾是井下重大灾害之一，也是矿山安全领域重点研究的问题。本项目通过实验研究了氧浓度以及挥发份等对煤自燃特性的影响；分析了采空区内的产热与散热规律，提出了采空区自然发火的能量迁移理论，实现了采空区最高温度的理论预测；揭示了采空区自然发火的多场耦合机理与过程，建立了三维多场耦合数学模型；确定了四面体单元控制体的合理圈划方案，提出了精度很高的有限体积法新算法；利用新算法离散自然发火模型，编制了“采空区自然发火的三维仿真系统”，结合现场采空区的具体参数，模拟得到了采空区自然发火时空演化过程中各场的分布情况；研制了采煤工作面采空区温度观测系统，利用该系统现场布线观测了某矿采空区的温度变化，实测温度与模拟温度吻合较好，说明数值模拟结果较为可靠；完善了基于工作面上隅角CO浓度的采空区自然发火定量预测预报方法；提出采空区自然发火区域预测无因次判据。研究成果对防治采空区自然发火有重要的理论和实际意义。