新疆地区煤火燃烧系统热动力特性研究

煤火是伴生煤炭资源开发的一种严重灾害。本课题针对新疆地区煤火燃烧系统开展热动力特性研究，主要内容：1.火区控制体范围及其属性特征研究：定量研究作为供氧物理通道的火区控制体裂隙场分布特征及其与应力场、温度场的耦合关系，建立火区等效透气率计算模型；2.火区条件下煤燃烧特性及火区与外部环境热量传递过程研究：定量研究火区条件下煤燃烧状态、放热量与火区供氧量的关系及其影响因素，研究火区与外部环境的传导传热、对流传热、辐射传热和传质传热过程，建立火区煤燃烧放热、火区持续燃烧供氧动力、火区与外部环境热传递及基于热动力特性分析的火区火源温度耦合计算等相关模型，确定相关参数量值范围。通过本课题研究，可有效揭示新疆地区煤火燃烧系统热动力过程本质，为提高新疆地区煤火治理效率、优化煤火治理工艺、开发高效煤火治理技术和科学定量评价煤火环境影响提供基础依据，可为新疆地区地下煤火火源识别与精确定位技术的开发提供依据。

1.项目背景.煤火是伴生煤炭资源开发的一种灾害，在世界主要产煤国普遍存在。煤火不仅燃烧损失大量煤炭资源，还对区域环境产生严重影响。本项目以新疆地区煤火为研究对象，初次系统地从煤火赋存物理边界、火区持续燃烧供氧动力、火区煤燃烧放热特性与传热特性等方面开展了其燃烧系统热动力特性研究。.2.主要研究内容.1）火区控制体范围及其属性特征研究：定量研究作为供氧物理通道的火区控制体裂隙场分布特征及其与应力场、温度场的耦合关系，建立火区等效透气率计算模型；2）火区条件下煤燃烧特性及火区与外部环境热量传递过程研究：定量研究火区条件下煤燃烧状态、放热量与火区供氧量的关系及其影响因素，研究火区与外部环境的传导传热、对流传热、辐射传热和传质传热过程，建立火区煤燃烧放热、火区持续燃烧供氧动力、火区与外部环境热传递及基于热动力特性分析的火区火源温度耦合计算等相关模型，确定相关参数量值范围。.3.重要结果.应用岩层控制理论分析了火区空间特征，提出了确定火区控制体物理空间边界的方法，初步构建了火区控制体模型；在火区控制体模型研究基础上，结合火区内孔隙介质透气率、裂隙介质透气率，提出了火区等效透气率计算模型；结合火区控制体模型，研究了火区控制体孔隙介质围岩导热率的计算方法；通过对火区烟气流动特性的研究，描述了火区煤持续燃烧供氧动力-火风压的形成机制；应用燃烧学理论对火区煤燃烧状态进行了分析，提出了火区控制体煤燃烧放热计算模型，即火区控制体热源强度模型；应用传热学理论研究了火区与外部环境的热量传递方式，提出了煤火火源温度计算模型；建立了火区控制体单位时间散热量和累积散热量计算模型；构建了地下煤火综合实验装置。.4.关键数据.实验室对火区等效透气率模型进行了实验验证及数值模拟，其结果在趋势上及数量级上与理论计算趋于一致；开展了基于火区控制体模型、火区烟气流动模型、火区热源强度模型的煤火热动力演化多场耦合分析。.5.科学意义.初次构建了煤火热动力特性基本模型，为定量研究煤火热动力演化规律提供了理论基础；构建的地下煤火综合实验装置为研究基于热动力演化的地下煤火典型污染物产出规律提供了实验手段。