松散煤体内液态二氧化碳相变诱导渗流特性研究

For preventing and controlling spontaneous combustion of coal, liquid CO2 has dual characteristics of cooling and inerting in process of phase transition and diffusion in loose coal. Crucially, it failed to comprehend the complicated mechanism of transfer process, such as seepage, mass transfer, and heat transfer, which prevented engineering application. Based on induced seepage process of phase transition for liquid carbon dioxide in loose coal, in this project, the characteristics of phase transition and phase distribution will investigate by experimentation and IR thermography. The variation of infrared thermal image in process of phase transition will be revealed. The internal flow pattern and pressure difference characteristics in loose coal will be test by PIV and the effect of porous medium characteristics on seepage regularity for CO2 will be analyzed. The distribution characteristics of shear stress and velocity vector will be verified. The induced seepage model of phase transition for liquid CO2 in loose coal will be established and inversed. The induced seepage mechanism of phase transition heat and dynamics will be revealed. The research results can improve the understanding to the heat and mass transfer law for liquid CO2 in loose coal, also improve the effect of applied technology for fire prevention and extinguishing technology of liquid CO2.

松散煤体内液态二氧化碳相变扩散过程具有降温和隔氧的双重特性，能够针对性地防治煤自燃火灾。但目前这种复杂传递过程的机理仍然不清楚，如渗流、传质、传热等特性，成为制约其工程应用的主要瓶颈。本项目针对相变单一因素作用下，松散煤体内液态二氧化碳的渗流相变过程，采用红外热成像技术结合实验测试，研究液态二氧化碳在松散煤体内的相变特征和相态分布规律，揭示相变过程中红外热图像的变化规律。利用粒子图像测速技术（PIV），研究相变诱导下松散煤体内部流场形态及压差特性，分析多孔介质特性对二氧化碳渗流规律的影响，探明剪切应力和速度矢量的分布特征。构建并反演相变驱动下松散煤体内液态二氧化碳渗流模型，揭示相变动力、相变潜热对其渗流的影响机制。研究成果对于掌握松散煤体内液态二氧化碳热质传递规律，提升液态二氧化碳防灭火技术应用效果具有重要指导意义。

液态二氧化碳防灭火技术是煤矿防治内因火灾的重要手段，长期的工程实践表明：利用液态二氧化碳的吸热降温和扩散驱氧能够对采空区隐蔽高温点的治理发挥重要作用。本课题以揭示松散煤体环境下液态二氧化碳由液转气过程中的相态时空演化特征及相变诱导下的渗流机制为研究目标，基于自建的温压测试平台，以压注管路减压过程为对象，分析了管道内二氧化碳相变特征及相态分布规律；研究了液态二氧化碳泄放过程中温压变化特征以及干冰运移规律，分析了孔径及介质目数对泄放过程的相变渗流压力分布和降温特征的影响；基于二氧化碳渗流沿程压力分布与喷嘴距离间的函数关系，构建了液态二氧化碳相变渗流模型。此外，本课题对不同压力下的无烟煤、烟煤、褐煤对二氧化碳的吸附特性进行了研究。在本课题的资助下，对液态二氧化碳防灭火技术的工程应用中的重要基础科学问题进行了细致的研究，提出的渗流模型能够对预测和掌握复杂采空区环境下，液态二氧化碳的扩散、降温特征提供科学依据，研究成果为提高液态二氧化碳防灭火技术的应用效果，高效精准保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。