煤田火地下高温区强迫对流提热降温特性及技术研究

摘要

煤田火灾是全球性灾害，在各主要采煤国家均有分布。我国是世界上煤火最为严重的国家。煤火在烧毁大量煤炭资源的同时产生了巨大的热能，长期以来，煤田火区的治理均将火区热能作为一种灾害源去消除，未从热能提取利用的角度考虑，导致火区蕴含的热能全部废弃，造成巨大的能量损失，而火区现有的提热方法主要以热管或者是钻孔换热器为主，单孔降温半径较小，对大面积煤火高温区的治理难度大。为实现火区提热和降温治理的有效结合，本文提出了煤田火区强迫对流提热降温方法，通过向煤火地下高温区压注热提取媒质（热媒）并对其进行抽采以实现对地下热能的提取和高温煤岩的降温治理。基于该思路和方法，本文从贫氧条件下煤的反应动力学特性出发，构建了煤田火区多场耦合模型，开展了高温煤体内强迫对流提热降温特性的模拟和实验研究，开发了强迫对流提热降温技术并进行了火区现场提热降温试验，取得的主要成果和结论如下： 揭示了贫氧条件下煤反应动力学特性随氧气浓度的变化规律。测试了不同贫氧浓度下煤氧化燃烧过程的热重、热流变化，分析了不同反应阶段、不同氧浓度下煤的反应动力学参数（表观活化能和指前因子）。研究表明：水分蒸发阶段煤的表观活化能和指前因子随转化率的增大呈先降低后逐渐稳定的趋势，同一转化率下表观活化能与氧气浓度满足线性函数关系，指前因子与氧气浓度满足三次函数或指数函数关系；在吸氧增重阶段和高温燃烧阶段，表观活化能和指前因子随转化率的增大保持相对稳定，相同转化率下表观活化能、指前因子与氧气浓度分别满足线性函数关系和指数函数关系。 构建了煤田火区热-流-化多场耦合数学模型。基于煤田火区温度场、渗流场、煤氧化燃烧化学反应以及火区孔隙率、渗透率之间的耦合关系，结合贫氧条件下煤氧化燃烧动力学参数随氧浓度的变化规律，构建了煤田火区热-流-化多场耦合数学模型，并构建煤火演化实验系统对该模型进行了验证。结果表明基于该模型所得的煤火燃烧锋面等效平均蔓延速度与实验结果符合较好，该模型可弥补火区现有模型在反映煤贫氧反应动力学特性和煤岩渗透性变化方面的不足，能更贴合实际地反映煤田火灾的演化过程。该模型的构建为分析大面积煤田火区的强迫对流提热降温过程提供了切实可行的研究手段。 阐明了高温煤体内强迫对流提热降温特性。基于煤田火区热-流-化多场耦合数学模型，首先研究了煤田火区氮气强迫对流提热降温方法的钻孔布置方式、强迫对流对火区温度场的影响以及热提取量的变化规律。在此基础上，提出了在氮气热媒中添加细水雾以提高其换热性能的方法，研究了不同氮气流量、不同煤体渗透率条件下细水雾-氮气混合热媒对高温煤体的降温效果。研究表明：采用多孔压入导向式的钻孔布置方式较适合煤田火区的强迫对流提热降温。抽采的热媒温度随注氮流量的增加而减小，热媒注入流量较小时热提取功率较为稳定。采用氮气热媒的强迫对流能有效降低高温煤岩温度并抑制煤火的发展，使火区呈现“逆向演化”的趋势，火区最高温度、遗煤带平均温度与提热降温时间分别呈三次和二次函数关系。不同注氮流量和煤体渗透率条件下添加细水雾均能有效提高氮气的降温性能，细水雾的降温增幅效果随作用时间的增加呈先增大后减小的趋势，氮气流量较低时细水雾的降温增幅效果较为显著。降温初期细水雾-氮气混合热媒在高渗透率煤体中的降温效果较好，随换热时间的增加在低渗透率煤体中的降温速率增大、降温效果更显著。 开发了煤田火区强迫对流提热降温技术。研发了适用于细水雾-氮气强迫对流的自吸气式细水雾发生装置，对装置的结构参数和工况参数进行了优化，实现了在较低供水压力、无外部压风条件下对水的高效雾化。在此基础上构建了煤田火区细水雾-氮气强迫对流提热降温系统，该系统主要由细水雾制备系统、低温氮气转换系统以及热能提取系统构成，结合数值模拟研究中提出的多孔压入导向式热媒压注和抽取方式，在新疆米泉三道坝煤田火区成功开展了现场试验。实践表明：采用细水雾-氮气混合热媒进行强迫对流10h后，提热降温中心区地表最高温度降幅56.6%，一深部钻孔（55m）全孔平均温度降幅61.0%，并在一压注钻孔实现了全孔温度降至100℃以下（最大降温量246℃），有效抑制了煤火的燃烧、治理了火区，同时实现了对火区热能的提取，抽采热媒的平均温度上升197.6℃（最大升温值203℃），热提取功率约1.24×104W。

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变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义（Research Background Significance）

1.2 国内外研究现状（State of the art）

1.3 煤田火区强迫对流提热降温方法的提出（The Proposed Forced Convective Heat-exaction and Cooling Method in Coal Fire Areas）

1.4 研究内容及技术路线（ Research Contents and Technical Approach）

2 煤氧反应动力学特性随氧浓度变化规律

2.1 贫氧条件下煤氧化燃烧全过程实验（ Experiments of coal oxidation and combustion under lean-oxygen condition）

2.2 煤反应表观活化能与氧气浓度的关系（ The Relationship Between Apparent Activation Energy of Coal Samples and Oxygen Concentration）

2.3 煤反应指前因子与氧气浓度的关系（The Relationship between Pre-exponential Factor of Coal Samples and Oxygen Concentration）

2.4 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

3 氮气热媒强迫对流提热降温特性

3.1 煤田火区热-流-化多场耦合模型（ Thermal–Hydraulic–Chemical Multi-field Coupled Model in Coal Fire Areas）

3.2 煤田火地下高温区氮气强迫对流提热降温特性（ Heat-exaction and Cooling Characteristics using Forced Convection of Nitrogen in High-temperature Zones of Underground Coal Fires）

3.3 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

4 细水雾-氮气联合强迫对流降温特性与雾化装置

4.1 细水雾-氮气联合强迫对流降温特性（Cooling Characteristics of Water Mist and Nitrogen Combined Foreced Convection）

4.2 自吸气式细水雾发生装置（ Self-suctioning Water Mist Generator）

4.3 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

5 煤田火区强迫对流提热降温系统构建及现场试验

5.1 煤田火区强迫对流提热降温系统（ Forced Convective Heat-extraction and Cooling System）

5.2 煤田火区强迫对流提热降温现场试验（ Field Tests of the Forced Convective Heat-extraction and Cooling Technology in Coal Fire Areas）

5.3 本章小结（Brief Summary of This Chapter）

6 全文总结

6.1 主要结论（Main Conclusions）

6.2 创新点（Innovations）

6.3 后续研究展望（Prospects of Future Investigations）

参考文献

作者简历

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