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    煤自燃机理及探测新认识助力煤田火灾治理

    日期 2016-12-19   来源:工程与材料科学部   作者:张俊文 朱旺喜  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:50927403、51134020、51474216)等资助下,中国矿业大学王德明教授团队长期致力于煤火研究,在煤火产生机理和蔓延过程、地球物理探测及高效快速灭火降温方法等方面取得了一系列创新性成果。

      我国是世界上煤田火灾最为严重的国家,每年直接烧失的煤炭资源量高达2000万吨,而且煤田火灾还严重危害生态环境,局部地方已影响到居民的生命安全,故煤田火灾的防治十分重要和紧迫。

      煤自燃及贫氧燃烧机理是研究煤田火灾的基础。王德明教授团队从反应路径、结构及动力学特征等揭示了煤火引发的自由基链式循环反应动力学自燃机制,探明了火区碳氧和烃类指标气体产生的多链反应路径、煤结构特征和氧浓度选择机制;建立了煤火自燃引发的氧化动力学理论。基于着火机制、燃烧特性转变及表观动力学失衡,定量揭示了氧浓度影响火区阶段发展及残余复燃的过程机制,提出了煤火发展的极限氧浓度(2%~3%)及复燃指标;阐明了煤火贫氧燃烧着火机制、燃烧性能及动力学特征等主控基团及其转化机理,为防治火区快速发展及其复燃提供了理论基础。通过开展煤田火区的热流固化耦合数值模拟,发现在温度场的作用下,火区围岩的裂隙和渗透率均会随温度的升高呈上升的趋势,而渗透率的增高又促进了火区氧气的供给,进而加速了火区发展,温度场、裂隙场和气体浓度场三者相互耦合、相互影响,这一现象贯穿煤田火灾的整个过程。

      煤田火区的准确探测是制定火区治理方案的前提。该团队通过实验阐明了煤田火区磁、自然电位和电阻率异常产生机理;以数值模拟和物理模拟为手段,构建了相应的正演模型,明确了火区发展不同阶段的地球物理响应特征。在新疆煤田火区开展了磁法和自然电位法现场探测,并提出了基于磁和自然电位数据融合的火区综合指数来表征火区,克服了磁法和自然电位法单独探测火区的缺陷。在山西朔州安家岭等露天煤矿浅地表火区开展了高密度电法探测工作,准确定位了火区位置,为矿井的安全生产提供了保障。

      煤田火灾研究的目的是治理火区。根据煤田火灾具有燃烧历史长、燃烧面积大、火区煤岩温度高以及烧空区与塌陷区多等特点,针对高温大热容量煤岩快速降温的需要,提出了以多相介质与多种技术优化的综合灭火降温方法与技术,研究了不同灭火介质在火区煤岩中的渗流扩散、流动特性以及灭火降温特性,研发了大流量、高压力车载式多功能集成灭火系统和煤田火灾细水雾灭火系统,为煤田火灾的治理提供了高效的解决方案。该团队将这些研究成果应用于山西安太堡、安家岭、东露天以及河曲等煤火矿区,高效治理了这些矿区范围内的煤田火灾,取得了显著的经济和社会效益。

      研究成果在多学科交叉前沿领域实现了理论与实践的新突破,在Combustion and Flame(《燃烧与火焰》)、Fuel(《燃料》)、Energy & Fuels(《能源与燃料》)、Geophysical Journal International(《国际地球物理》)等国际著名期刊上发表SCI论文33篇,出版中英文学术专著5部,授权国家发明专利13项,获国家技术发明二等奖1项,省部级二等奖1项。

    图1 煤田火灾产生机理的链式循环反应体系。碳自由基的生成路径及其参与的主干反应构成了此链式循环反应体系。

    图2 新疆和什托洛盖火区综合指数平面等值线图。火区综合指数体现出了火区的连续带状分布,并与地表踏勘所圈定的火区范围相吻合。

    图3 山西安家岭火区明火巷道治理前后效果对比。(a)在治理前火区燃烧剧烈,火焰从被揭露巷道中蹿升;(b)经过灌注多相灭火介质之后,火区被成功扑灭。




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