露头煤层自燃相似实验研究及热释放速率计算

为了研究露头煤层自燃发火过程以及判定火灾发展状态与趋势,自主设计了露头煤层自燃过程相似模拟系统实验装置。通过分析相似模拟实验数据,得到火区气体CO_2,CO,O_2体积分数与温度之间的变化关系具有良好的相关性,可作为判定火灾状态的标志性气体,并拟合出O_2体积分数与温度之间的关系方程。根据氧消耗原理及相关理论,得到了煤在干燥环境中阴燃状态下的热释放速率简化关系方程,为煤田火灾的研究和防治提供了参考依据。     

煤田火区塌陷区渗透系数分布研究

通过分析煤田火区地表下沉量和破碎岩块孔隙率的关系,对地表下沉量进行测量,分析计算得到火区破碎岩块孔隙率的分布方程。在实验室中测量不同孔隙率破碎岩块的渗透系数,拟合建立渗透系数和孔隙率的关系方程,利用求得的关系方程和通过地表下沉量测量法得到的孔隙率分布方程,求得煤田火区塌陷区破碎岩块的渗透系数分布方程。     

煤田火区影响下工作面安全开采评估方法研究

为有效解决煤田火区对下覆工作面安全开采威胁程度的评估难题,基于多孔介质理论,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,建立了采空区与上覆煤田火区之间的三维几何模型,模拟了O2、CO和CO2浓度场分布,研究了煤田火区与工作面之间复合裂隙群中气体的流动规律,推导出火区下采煤工作面不受火区影响时的最小安全相对静压计算公式,提出了受限流场条件下的上覆煤田火区气体对工作面安全开采影响程度评估方法。运用该评估方法将煤田火区下工作面安全开采威胁程度划分为安全、一般安全和危险三个等级,并在神华乌海能源公司部分矿井得到成功应用,为煤田火区下工作面能否安全开采提供了科学理论依据。     

国家自然科学基金“煤田火区自燃气体滞留机制及早期探测技术研究”(51874313)研究进展

煤田火区自燃气体滞留机制及早期探测技术研究,是中国矿业大学(北京)承担的国家自然科学基金项目。课题成果可为地下煤火自燃的早期识别、煤火治理与综合利用以及火区生态恢复提供重要的理论和实验基础。     

煤田火区温室气体排放通量及其影响因素研究

煤田火区温室气体的排放速率在时间和空间上由于影响因素而存在差异,本研究在对目前气体排放通量研究基础上,采用空气动力学法对神府矿区活鸡兔火区排放CO2、CH4气体和风速、温度以及气压等环境参数进行原位监测,测试结果表明,CO2和CH4通量的变化规律一致,火区内CO2、CH4排放通量变化范围为3.88~30.46 mg/(m2·s)和0.12~1.36 mg/(m2·s);通过相关性分析,环境因素对两种温室气体的排放影响很大,火区CO2、CH4的排放与风速、温度以及气压均呈显著正相关,相关性大小依次为风速＞温度＞气压,论证了所建的浓度梯度模型对煤田火区温室气体排放通量的适用性,进而为煤田火区有害气体污染治理提供了思路。     

采空区开区注氮灭火温度场冷却过程的数值模拟

为研究开区注氮条件下,采空区遗煤自燃被抑制和熄灭作用复杂力学过程(原理),由非均质多孔介质中的渗流连续性方程、气体弥散方程和综合传热方程的联立,建立了注氮采空区煤自燃的非定常数值模型。结合实例,用迎风格式有限元方法求解。计算在不同情况下采空区自燃高温点熄灭过程,以图形方式给出了采空区的漏风流态、氮气流态,描绘灭火降温过程中,采空区氧、CO和温度分布的动态变化过程。提出了对自燃早期火灾施行开区注氮灭火的方法和适用的判定准则。理论计算得到开区注氮灭火分为两个阶段过程,即原火源熄灭和新自燃氧化区形成并自燃。指出实施开区注氮灭火应准确把握注氮时机和防止新自燃氧化区形成的工作面开采推进时机;并配合降低漏风措施条件下进行注氮。     

固体微粒气溶胶灾火剂的改性研究

固体微粒气溶胶灾火剂作一种新型灾火剂具有优越的抑制火灾的性能,但其应用和推广的关键在于降低灾火气溶胶形成时的温度,本文利用ＴＧ方法分析了灾火剂的热分解过程,并通过测定固体微粒交灾火剂的释放速度、释放区温度分布及灾火性能,研究了固体微粒气溶胶灾火剂的降温消焰技术。同时对气溶胶的成分和固体粒子粒度分布进行了分析。     

不同火源位置对封闭火区气体分布的影响规律

为分析火源位置对封闭火区内气体分布的影响,采用FLUENT软件对不同火源位置情况下的气体分布进行了数值分析,并在此基础上分析了封闭火区发生瓦斯爆炸的危险性,以确定进风侧防火墙位置。结果表明:火源处在封闭火区内不同位置时,会对火区中的气体浓度和分布产生不同的影响。火源位置距离进风侧防火墙越近时,火区内甲烷的积聚量越少,且由漏风导致的封闭火区内氧气浓度较高区域越小,对后续的封闭火区灭火和启封越有利,因此进风侧防火墙应尽量靠近火源建立。     

露天矿边坡残煤自燃温度场及燃深研究

为确定露天矿边坡内残煤发生自燃时内部温度分布及燃空区深度,以PFC3D作为模拟平台,借助其热力耦合模型,模拟了氧在裂隙中运动并与煤层反应且相互促进发展的过程,从而得到了边坡内温度场及燃空区发展深度;使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应,并通过FISH实现该过程。使用该模型模拟的结果表明,氧流通道的形成与煤层自燃是相互促进的,但燃空区的发展应该有一个最大深度。燃空区发展过中边坡内温场分布区域的变化可划分为3个阶段,分别是燃空区深度为60~70 m、70~120 m、120~170 m。海州露天矿边坡的残煤自燃的燃空区深度为165 m,与物探确定的150~200 m的距离相吻合。研究能估计燃空区的深度,从而为判断有残煤自燃情况下的边坡稳定性提供依据。     

煤矿水平巷道火区瓦斯爆炸易爆区域判定研究

为解决高瓦斯易自燃煤层火区封闭与启封时常发生瓦斯爆炸的问题,通过试验分析得出瓦斯爆炸界限影响因素,并采用COMSOL数值软件研究水平巷道火区气体分布规律,从中提取温度场与浓度场数据。根据试验数据,判定火区易爆点及易爆区域。结果表明:瓦斯爆炸界限随着温度的升高及CO的混入均扩大;注入N2与CO2后,失爆氧体积分数分别为13.4%和15.8%;火区封闭初期未形成易爆区域,随着火区封闭的进行,易爆点逐渐向爆炸三角形移动,当封闭至入口,风速为0.1 m/s时,易爆点移至三角形内部,火区形成易爆区域,其位于火源上风侧距火源点10.45 m处;温度对瓦斯爆炸界限影响较CO浓度影响大。     

北京地区近两年春季森林火险对比研究

火险等级预报系统已经成为现代林火管理的一个重要工具。本文根据北京地区的森林火险天气，采用加拿大火天气指数系统（FWI）评估北京地区的森林火险。根据北京地区12个气象站2004年和2005年3-5月的气温、相对湿度、降水、风速，利用SAS计算程序，计算各气象站每日的FWI各组分值。分析FWI系统各组分的数值分布特征，确定了北京地区FWI各指数的等级划分及其指示意义。利用内插方法建立可燃物湿度码与火天气指数的空间分布图，分析2004年和2005年春季实际发生的森林火灾与相关的火险指数，结果表明FWI系统能很好地反映森林火险的变化，可以用于评估和预测火险。火险期危险度表明2005年春季森林火险高于2004年春季。文章最后讨论了不同内插方法对研究结果的影响。     

活塞风影响下地铁火灾烟气运动规律的数值模拟研究

地铁车站及地铁列车为人流密集的公众聚集场所，一旦发生火灾事故伤亡损失往往非常惨重，因此深入开展地铁火灾安全的研究有助于地铁安全管理工作。在合理分析地铁站台和列车火灾荷载的基础上，采用数值模拟方法对活塞风情况下地铁区间隧道火灾问题进行了模拟计算和分析，研究了在活塞风影响下的烟气蔓延规律和温度分布情况，其结果有助于提高地铁车站的运营的安全管理和发生火灾后的疏散指挥能力。     

煤矿火灾烟气流动传播过程仿真研究

煤矿发生火灾后会生成大量有毒气体并产生火风压,烟气在火灾动力的影响下出现状态紊乱,研究煤矿火灾烟气流动传播过程对控制火情有着重要意义。基于国内外研究现状,对燃烧及风流特点进行分析,建立了煤矿火灾烟气流动数学模型,并利用CFD软件进行仿真。研究表明:无通风工况下的烟气为对称流动;随着风速增加,出口处温度降低,烟气向风流入口处的流速减小。     

风速对高层建筑火灾时环境中烟气分布的影响

为了探究风速对高层建筑火灾时环境中温度、烟气浓度、CO浓度分布状态的影响,以央视北配楼火灾为模型背景,应用火灾动力学软件FDS,对火灾进行模拟与分析。通过讨论不同风速下火源温度中心、烟气浓度中心、CO浓度中心离着火面距离与高度之间的关系,得到风速一定时各中心的位置与高度之间的变化规律,以及该变化规律与风速之间的关系,风速小于3m/s时各中心位置随风速变化较明显;风速越大,温度、烟气浓度、CO浓度越高,当风速小于2m/s时各值增量随风速增加明显;与其他因素相比,温度对防火间距的影响最大。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素，利用COMSOL软件对火区进行数值模拟，建立巷道三维模型，得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件，分析火风压作用下，火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律，得出不同因素与临界风速的关系，为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时，巷道入口风速越低，火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部，随着风速增大，向巷道下部蔓延；风速较低时，在火区火风压的作用下，会产生烟流逆退现象，随着风速的增大，逆流层长度和厚度随之减小；巷道入口通风条件不变时，火区温度越高越容易产生烟流的逆退，影响范围越大；巷道高度越高、上行风坡度越小，越易发生逆退现象；不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系，其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象，影响范围较大；火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。     

基于不同风速下火旋风的数值计算及特性分析

基于大涡模拟(LES)技术,对不同风速下的火旋风进行数值模拟。运用最小二乘拟合方法研究不同风速下火旋风的中心漂移角速度的变化,其结果表明:随着风速的增加,中心漂移角速度的变化规律遵循某3次方多项式变化趋势,发现存在某一临界风速(3.18m/s)对火旋风中心漂移角速度的变化速率有较大影响。同时,对热量释放率及火焰温度场进行分析,认为随风速的增加,热量释放率逐渐增加且波动逐渐减小,火焰温度场分布梯度逐渐增加,高温区分布呈现连续纺锤面分布形式。     

基于Fluent的城镇中低压燃气管线喷射火事故的后果研究

为了对城镇中低压燃气管线喷射火事故进行有效的风险评估,根据典型事故案例创建了城镇路面埋地燃气管线泄漏场景,建立模型并划分网格,使用Fluent进行模拟计算,得到了不同泄漏口孔径、不同泄漏口形状、不同管内压力等工况下喷射火的火焰长度、火焰中心面温度分布和临近区域内的热流密度,并通过分析不同工况下的火焰形态和热辐射分布,探讨初始条件对事故后果的影响程度。结果表明:此类型喷射火长度可达数十米,火焰最高温度为2 000 K左右,最高温度位置的高度不超过火焰长度的30%;下风向的热流密度较其他方向更强;在50 mm的泄漏口孔径和0.38 MPa的管内压力下,泄漏口为梭子形,较泄漏口为圆形时的热流密度在下风向整体大15.2%。最后,根据模拟结果构建了快速风险评估模型。     

旋转火焰动力学特性的研究

在森林火灾中，出现旋转火焰的可能性很大。在大气环境中，由于局部温度的不均匀，从而导致气体的密度不均匀，这种气体密度的不均匀分布必然会在火焰内部和其周围环境之间产生一个压力差，引起气体的流动，同时由于火焰内部的斜压性，在受到地球Coriolis力的影响时，使火焰产生旋转，形成旋转火焰；同时，Coriolis力也会影响到旋转火焰的方向性。     

纵向风对隧道火灾拱顶最高温度及其位置的影响

研究了燃烧风洞内不同纵向风速、不同火源功率条件下,隧道近火源区顶部温度沿纵向分布情况。结果表明,纵向风对不同尺寸火源条件下的顶部温度的影响呈不同特征。对较小尺寸火源,隧道顶部温升随风速增加而减小至稳定值;而对较大尺寸火源,顶部温升随风速增加先增加后减小。对于矩形火源,当纵向风较小(0.5~1.5m/s)时,长边平行于纵向风时顶部最高温升大于长边垂直于纵向风的情况;而当纵向风较大(≥2 m/s)时,两种油盘放置方式的顶部最高温升一致。纵向风作用下,顶部最高温升位置向下游呈现"两次移动"特征,即随着纵向风速增加该位置先向下游移动,当风速达到某一值时,隧道拱顶的加热机制由对流和辐射共同主控转变为辐射单独主控,最高温升位置突变回到上游后再次逐渐向下游移动。