自吸氧效应促进地下煤火高温区域移动的非线性特征研究

The formation and development mechanism of underground coal fire has been a hot and difficult point in mine safety, which are affected and controlled by oxygen supply and heat transfer. Thus, it is of great scientific and practical significance to study nonlinear-movement characteristics of high-temperature area in underground coal fire. Those characteristics are affected by oxygen supply and heat transfer, which could reveal the mechanism of formation and development of underground coal fire and predict the spread trend. This project is including three parts. Firstly, a semi-closed experimental system is constructed to simulate the development of underground coal fire. The distribution of oxygen during spontaneous combustion in coal field are studied by the system. Moreover, oxygen supply mechanism is analyzed and calculation model of oxygen self-absorption is established with the consideration of reality. As a result, the oxygen self-absorption effect is revealed during formation and development process of underground coal fire. Secondly, based on the spread theoretical model of coal fire, the movement regulation of high-temperature area, which is promoted by oxygen self-absorption, is researched. The nonlinear relationship between velocity and influence factors, as the amount of oxygen self-absorption, are acquired. Lastly, control mechanism of high temperature area spread in underground coal fire is studied under the command of temperature and concentration field. Furthermore, the quantitative judging index for controlling the spread of high-temperature area is obtained.

地下煤火形成演化机理一直是矿山安全领域研究的热点与难点，地下煤火的形成发展受到供氧和传热的控制与影响，因此，研究“自吸氧效应”促进地下煤火高温区域移动的非线性特征，对揭示地下煤火形成演化机理、判定发展趋势，具有重要的科学与实际意义。项目主要研究：1）改进自行研制的半封闭地下煤火非控燃烧发展模拟实验系统，研究地下煤火火区发展燃烧过程中氧气的分布特征，分析氧气供给机制，结合实际，建立自吸氧量计算模型，揭示地下煤火演化发展过程的“自吸氧效应”；2）基于地下煤火蔓延发展的理论模型，研究不同供氧环境和火区温度条件下，“自吸氧效应”作用下高温区域的移动规律，掌握高温区域移动速度与自吸氧量等的非线性关系；3）研究温度场与浓度场共同作用下，地下煤火高温区域蔓延发展的控制模型，得出控制地下煤火高温区域蔓延的量化判定指标。

地下煤火的形成机理与防控技术一直是国内外研究的热点与难点，主要有高温火源识别、火区有效防控和灭火效果的评估三大方面的难题，其中高温火源识别的核心问题是高温区域的移动规律与探测。本项目提出并验证了“地下煤火氧气和热能综合控制高温区域移动假说”；自主搭建了半封闭地下煤火非控燃烧发展模拟实验系统；掌握了煤体非控持续自燃过程中氧气的分布规律及供给机制；确定了煤体非控持续自燃过程中高温区域的空间移动轨迹和非线性关系模型；构建了地下煤火高温火区蔓延的理论模型，建立了控制地下煤火蔓延的量化判定指标。通过对氧气浓度与温度迁移数据的分析可以表明煤火发展演化模拟实验装置能够良好的模拟和再现煤自燃“自吸氧”过程；煤体自身“自吸氧效应”为其燃烧提供动力，促使煤体内部氧气浓度发生改变。随着煤层纵深增加，氧气浓度下降开始时间逐渐增加，“自吸氧强度”不断减弱。实验发现，氧气浓度变化是温度变化的前提条件，温度变化时间滞后于氧气浓度变化，其滞后时间差随煤层纵深变化的增加而增加。在水平方向上高温区域迁移趋势主要受煤体内部裂隙与孔隙分布的影响。松散煤体煤火发展过程中，高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分（风流进风侧），高温区域纵深移动方向呈现非线性规律；随着煤火纵深蔓延发展，高温区域关键点峰值温度呈依次降低的趋势，关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长，关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降；温度下降阶段，高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢；高温区域各关键点氧浓度均随温度升高而降低，且下降到极限氧浓度（1%-3%）的时间与其达到燃点温度时间相近，关键点氧浓度快速下降过程所经历的时间尺度随着纵深的加深逐渐增大。分析结果可知，高温区域半封闭的微弱裂隙环境导致热量较难向外扩散，扩散的效率较低，能够渗入的氧气量较少，浓度较低，发生竞争吸氧，在一定程度上促进了煤的燃烧产热和传热扩散，促进煤火向下发展，但由于煤的不良导热性，煤氧热反应推进较慢，造成纵向温度层层降低的现象；其次，由于这个热微弱裂隙环境，推动了热量的主动运输，造成高温区域不断向纵深蔓延；半封闭环境下向外扩散热量始终小于内部燃烧产生的热量，煤氧热反应循环进行，形成了热氧耦合互促高温区域发展过程，推动煤火不断非线性发展演化。研究结果为地下煤火火源识别和反演奠定了一定的理论基础，为煤火灾害防治提供了有理论依据。