采空區(qū)氣體多場耦合理論及應(yīng)用

前言

煤礦采空區(qū)存在的大量遺煤容易自燃而引發(fā)火災(zāi)。采空區(qū)火災(zāi)具有發(fā)生突然、發(fā)展迅猛、影響面廣、施救困難、易誘發(fā)瓦斯爆炸的特點(diǎn)，容易釀成重大災(zāi)害事故，嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，預(yù)防和治理采空區(qū)自燃尤為重要，就要求人們對采空區(qū)遺煤自燃機(jī)理和發(fā)展規(guī)律有深入的了解。 《采空區(qū)氣體多場耦合理論及應(yīng)用》是作者車強(qiáng)攻讀博士期間的科研成果，內(nèi)容豐富，理論性和實(shí)用性較強(qiáng)，是一部采空區(qū)遺煤自燃理論研究與實(shí)踐的佳作。該專著首先綜述采空區(qū)自燃研究現(xiàn)狀，綜合應(yīng)用理論分析、滲透率實(shí)驗(yàn)和采空區(qū)滲流和傳熱實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬技術(shù)對比現(xiàn)場觀測，闡明了采空區(qū)遺煤自燃機(jī)理，揭示自燃前后瓦斯空氣混合氣體的三維滲流場、濃度場和溫度場的多場耦合變化規(guī)律，提出自燃防治機(jī)制，為采空區(qū)自燃防治提供理論和技術(shù)支持。書中提出的一些新見解，對于采空區(qū)瓦斯抽放、遺煤自燃以及繼發(fā)性瓦斯爆炸防治的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐具有啟示意義。該專著展示的具有創(chuàng)新性的研究成果豐富了采空區(qū)火災(zāi)防治理論和技術(shù)研發(fā)的研究，不失為一部好的著作。它的出版，可為從事煤礦安全領(lǐng)域特別是煤礦自燃防治方向的大專院校教師和科研院所專業(yè)技術(shù)人員以及現(xiàn)場技術(shù)管理人員提供理論技術(shù)新穎、實(shí)用價(jià)值高、針對性強(qiáng)的借鑒。 作為著者的博士生指導(dǎo)教師，衷心希望該專著能在我國煤礦自燃防治領(lǐng)域的科研、教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 周心權(quán)

內(nèi)容概要

　　與采空區(qū)有關(guān)的瓦斯災(zāi)害和火災(zāi)頻發(fā)，是我國礦業(yè)發(fā)展中亟待解決的重大問題。尤其是采空區(qū)大量存在的遺煤易自燃，為瓦斯爆炸提供了長期存在的火源，致使災(zāi)害后果十分嚴(yán)重。《采空區(qū)氣體多場耦合理論及應(yīng)用》是關(guān)于采空區(qū)氣體（主要是瓦斯）運(yùn)動(dòng)和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的專著，對于防治煤礦自燃火災(zāi)、一般瓦斯災(zāi)害具有十分重要的指導(dǎo)意義。本書以某煤礦采空區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開，詳細(xì)分析和介紹了采空區(qū)瓦斯?空氣混合氣體的組成、相互作用規(guī)律和機(jī)理，對采空區(qū)瓦斯抽放、遺煤自燃以及繼發(fā)性瓦斯爆炸的防治具有重要的指導(dǎo)意義。　　《采空區(qū)氣體多場耦合理論及應(yīng)用》可供礦業(yè)工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、研發(fā)人員閱讀，也可供礦業(yè)相關(guān)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 研究背景和意義1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.2.1 采空區(qū)氣體流動(dòng)研究現(xiàn)狀1.2.2 瓦斯燃燒爆炸研究現(xiàn)狀1.3 研究內(nèi)容、研究方法和技術(shù)路線1.3.1 主要研究內(nèi)容1.3.2 研究方法1.3.3 技術(shù)路線第2章 采空區(qū)氣體滲流規(guī)律研究2.1 引言2.2 采空區(qū)介質(zhì)及其滲流特性2.2.1 采空區(qū)介質(zhì)2.2.2 多孔介質(zhì)的基本參數(shù)2.2.3 采場裂隙形成理論2.2.4 滲流和滲流速度2.3 采空區(qū)內(nèi)主要?dú)怏w組分2.4 瓦斯涌出和運(yùn)移規(guī)律2.4.1 采空區(qū)瓦斯涌出源分析2.4.2 采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移和積聚規(guī)律2.4.3 瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.4.4 瓦斯升浮現(xiàn)象2.4.5 瓦斯積聚2.5 采空區(qū)氣體滲流模型2.5.1 連續(xù)性方程2.5.2 動(dòng)量守恒方程2.5.3 湍流輸運(yùn)模型2.5.4 組分守恒方程2.5.5 狀態(tài)方程2.6 采空區(qū)氣測滲透率的測量實(shí)驗(yàn)2.6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?.6.2 滲透率計(jì)算理論2.6.3 實(shí)驗(yàn)裝置和試樣制備2.6.4 實(shí)驗(yàn)步驟2.6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析2.6.6 采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率與孔隙率的關(guān)系方程2.6.7 主要結(jié)論2.7 本章小結(jié)第3章 采空區(qū)瓦斯?jié)B流和傳熱的大尺寸實(shí)驗(yàn)研究3.1 引言3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?.3 實(shí)驗(yàn)裝置3.3.1 實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械系統(tǒng)3.3.2 實(shí)驗(yàn)臺瓦斯供氣系統(tǒng)3.3.3 實(shí)驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)3.3.4 實(shí)驗(yàn)臺電氣系統(tǒng)3.3.5 實(shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)信息采集分析系統(tǒng)3.4 實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果3.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)3.4.2 實(shí)驗(yàn)步驟3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析3.4.4 孔隙率的空間分布方程3.4.5 滲透率的空間分布方程3.5 現(xiàn)場觀測3.5.1 工作面概況3.5.2 測點(diǎn)布置3.5.3 觀測參數(shù)和檢測儀器儀表3.5.4 現(xiàn)場觀測的結(jié)果和分析3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果的比對分析3.7 本章小結(jié)第4章 采空區(qū)氣體滲流場和濃度場耦合數(shù)值模擬研究第5章 采空區(qū)氣體傳熱理論第6章 采空區(qū)氣體多場耦合數(shù)值模擬研究第7章 主要結(jié)論和展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：本書不考慮采空區(qū)的動(dòng)態(tài)變化，而將某個(gè)回采時(shí)刻的進(jìn)深較大的采空區(qū)作為研究對象。此時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部CH4組分含量較高，且還在不斷產(chǎn)生。采空區(qū)外部的空氣各組分以及工作面和巷道處的CH4通過漏風(fēng)流漏入采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的；部分CH4組分則通過漏風(fēng)口或抽放鉆孔流出采空區(qū)。不考慮鄰近層和抽放鉆孔的影響，瓦斯一空氣混合氣體在采空區(qū)、工作面和巷道等構(gòu)成的整個(gè)工作面內(nèi)流動(dòng)。2.4 瓦斯涌出和運(yùn)移規(guī)律在采空區(qū)瓦斯災(zāi)害研究中，瓦斯是最引人關(guān)注的氣體成分。因此，本節(jié)專門研究瓦斯的涌出和運(yùn)移規(guī)律。瓦斯在采空區(qū)內(nèi)的運(yùn)移和積聚過程十分復(fù)雜。采空區(qū)瓦斯涌出主要包括遺煤釋放瓦斯、上下鄰近層涌出瓦斯、未采分層涌出瓦斯、圍巖涌出瓦斯和相鄰已采面老空區(qū)涌出瓦斯。對于單一煤層開采，采空區(qū)瓦斯主要來源于采空區(qū)遺煤瓦斯和少部分圍巖涌出瓦斯。而瓦斯在擴(kuò)散、升浮和滲流的動(dòng)力綜合作用下，會(huì)積聚在采空區(qū)的某一范圍內(nèi)。同時(shí)，在采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的影響下，積聚起來的瓦斯也會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)，形成流動(dòng)。根據(jù)一般的礦井通風(fēng)規(guī)律，風(fēng)流在巷道、采面和采空區(qū)之間流動(dòng)，絕大部分風(fēng)流流經(jīng)采面再流到回風(fēng)流中，而流入采空區(qū)的風(fēng)流很小，形成采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流。巷道和采面的瓦斯也隨漏風(fēng)風(fēng)流漏入采空區(qū)內(nèi)部。部分采空區(qū)瓦斯會(huì)隨著采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流從采空區(qū)中流出到回風(fēng)流中，其他采空區(qū)瓦斯會(huì)積聚在采空區(qū)內(nèi)部或通過其他漏風(fēng)口流出。從瓦斯流動(dòng)的角度來說，采空區(qū)、采面和巷道聯(lián)系緊密。本書從包括采空區(qū)、采面和巷道的整個(gè)工作面系統(tǒng)來綜合分析瓦斯的流動(dòng)情況。采空區(qū)垂直面上，上方的煤層和圍巖對下方的瓦斯壓力和瓦斯流動(dòng)也有較大影響。本書從瓦斯在煤層和圍巖中的流動(dòng)和聚集規(guī)律著手來研究采空區(qū)瓦斯流動(dòng)規(guī)律。瓦斯在煤巖體中的流動(dòng)和聚集過程不僅與采場空間形態(tài)、煤層及圍巖中的瓦斯賦存狀態(tài)和通風(fēng)方式有關(guān)，同時(shí)與圍巖的泄壓程度以及煤巖層的采動(dòng)裂隙演化過程有關(guān)。原始煤巖中，瓦斯處于高壓狀態(tài)中并保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，80%～90%的瓦斯以吸附狀態(tài)附著在煤巖體表面，其余瓦斯則以游離狀態(tài)存在于裂隙或孔隙中。隨著采動(dòng)作業(yè)的進(jìn)行，煤巖體暴露在采場作業(yè)空間中，相對封閉穩(wěn)定的煤巖層逐步松動(dòng)變形，產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而冒落。此時(shí)高壓瓦斯卸壓和解吸附，游離和解吸的瓦斯沿著裂隙或孔隙通道逐步運(yùn)移到采場空間。

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