煤田火区煤岩裂隙发育与火区扩散的耦合规律及机理研究

The coal fire is one of the disasters which threat the safety of human-being and environment at present. And the fracture of coal rocks provides the air supply channel. Yet the characteristic of the oxygen supply to the coalfire area have not been gained the systematic research, and so the coupling relationship between fracture development and diffusion of coalfire area has not. Therefore, the project analyses the generation and development characteristic of rock coal fracture in coalfire area, and researches the flaming rules of the coalfire area effected by the fracture deformations, discusses the rules of fracture deformations with the coalfire development, and studies the coupling laws between the fracture deformations and combustion characteristic of coal, and finally elaborates the features of the coal heat conduction and the low of coalfire diffusion. And the results of the study would provide the scientific basis and theoretical guidance for controlling the coal fire.

煤田火是目前威胁着人类和环境安全的主要灾害之一，而浅地表煤岩裂隙的产生和发育为煤田火的燃烧扩散提供了持续可靠的的供氧通道。但是目前煤岩裂隙对火区的供氧规律、煤岩裂隙发育特征与煤田火区燃烧扩散之间的关系仍然没有得到系统深入的研究。因此，本项目拟通过对煤田火区浅地表煤岩裂隙的产生和发育特征分析，研究煤岩裂隙发育特征对煤田火区燃烧的影响规律；通过对不同供氧浓度/燃烧温度情况下的煤岩裂隙变形特征的归纳分析，研究煤岩裂隙发育与煤体燃烧特性之间的耦合规律，采用理论与模拟手段阐述煤田火区热传导特征与火区燃烧扩散规律，从而为煤田火区的治理提供科学依据和理论指导。

本项目完善并改进了大型煤自燃试验平台，同时搭建了新的煤氧化动力学实验平台。选取典型矿区神东矿区煤样，测试分析了煤田火区供氧条件下的煤体氧化升温规律和氧气在煤岩裂隙介质中的输送参数与输送动力。开展了不同氧浓度/粒径/水分下的煤自燃程序升温实验，并对其升温速率，耗氧速率以及交叉点温度进行了分析。利用傅里叶变换红外光谱仪进行了煤样测试，得到煤在供氧条件下的原位红外光谱三维显示图，得到了对煤低温氧化过程中官能团变化规律，利用电子自旋共振测谱仪(ESR)研究分析了氧化过程中自由基变化特性。基于交叉点温度法，构建了贫氧环境烟煤升温能量守恒及质量守恒方程，提出了煤自燃低温阶段划分方法，利用求解的动力学参数研究得到了交叉点法煤氧化过程关键特征参数，并创造性地提出了交叉点温度的产生条件并进行了相应证明。总结原有采空区自燃传热传质规律，应用煤自燃、传质、传热学等理论初步建立了采空区传热传质的三维数学模型，并利用数值模拟和现场实测方法分析了煤火火源气体产物CO的运移扩散特性。在本项目的资助下，课题组共计发表论文12篇，其中SCI收录4篇，EI检索3篇；申请国家发明专利6项，获授权实用新型专利3项。