基于多孔介质理论建立采空区遗煤自燃模型

李季 段嘉敏

摘要：采空区作为煤炭发生自燃的主要场所，遗煤自燃一直是研究的重点，而煤炭的自燃过程与多孔介质的传热传质机理相类似。为了更好地说明采空区遗煤的自燃过程，本文通过研究多孔介质模型的特征参数及其传热传质理论，建立了采空区遗煤的多孔介质模型以及采空区遗煤自燃过程中的质量、热量、动量传递方程，进一步解释了采空区遗煤的自燃过程，为采空區遗煤的自燃防治提供了理论支持。

关键词：多孔介质;采空区遗煤;孔道网络;传质传热

由于火灾具有长期性、动态性和影响范围大的特征，矿井火灾尤其是采空区自燃又通常是内外因火灾救灾中难度最大、技术性最强且危险性最大的。近年来，随着综采放顶煤开采工艺的大范围推广，虽然大大提高了煤的产量和效率，但也导致采空区留有较多遗煤，极大地增加了采空区遗煤发生自燃的可能性。

从17世纪人们开始探索研究煤炭自燃的起因和过程开始，各国学者先后提出了各种假说，目前煤氧复合作用学说已被国内外广泛认同。根据对煤氧复合学说的分析，发现采空区遗煤自燃的过程为物理吸附、化学吸附和化学反应的过程，与多孔介质的热质传递机理类似。并且在煤的多孔介质模型构建研究中，我国学者金毅等人分析了煤岩介质渗透率的主要影响因素，并描述了在流体运移达到平衡状态之前的演化模式。祝一搏系统分析了多孔介质物理模型参数对其渗透率的影响，提出了一种采用均质泰森多边形迭代法模拟煤岩多孔介质并分析了裂-孔性多孔介质中物性参数对渗透率的影响。方义利用格子Boltzmann方法来模拟煤孔隙内煤层气微观流问题，用LBM模拟孔隙内气体渗流问题，达西定律计算结构的渗透率。在对煤的多孔介质模型构建中，多数为研究煤层孔隙中气体渗流问题，并没有针对采空区遗煤自燃多孔介质模型的研究;因此，为了研究采空区的遗煤自燃的根本性问题，本文基于多孔介质理论建立了采空区遗煤的自燃模型。

一、多孔介质理论

多孔介质可以定义为由固体物质与其内部孔隙组成的物质，在一种物质中散布着空而无物的间隙，煤也是一种较为典型的双重性多孔介质，即裂隙一孔隙双重介质。

利用分形几何学对多孔介质的特征参数进行描述。

（一）多孔介质模型的特征参数

多孔介质的孔隙结构作为多孔介质材料的主要特征，是研究的重点。反应孔隙结构的参数包括孔隙率（孔隙度）、颗粒直径、孔隙直径、比表面积、渗透率等。

四、结语

（一）基于多孔介质模型、孔道网络模型的理论研究，建立了采空区遗煤的二维规则孔道网络多孔介质模型。

（二）基于达西定律、傅里叶定律以及质量守恒定律、能量守恒定律，建立了采空区遗煤自燃过程中的质量传递方程、热量传递方程以及动量传递方程，共同构成采空区遗煤自燃的传质传热数学模型。

（三）通过建立采空区遗煤多孔介质模型，为分析采空区遗煤自燃影响因素及火灾防治提供理论支持。

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