采空区气体多场耦合理论及应用

第1章绪论1

1.1研究背景和意义3

1.2国内外研究现状综述4

1.2.1采空区气体流动研究现状4

1.2.2瓦斯燃烧爆炸研究现状7

1.3研究内容、研究方法和技术路线8

1.3.1主要研究内容8

1.3.2研究方法8

1.3.3技术路线9

第2章采空区气体渗流规律研究11

2.1引言13

2.2采空区介质及其渗流特性13

2.2.1采空区介质13

2.2.2多孔介质的基本参数14

2.2.3采场裂隙形成理论15

2.2.4渗流和渗流速度21

2.3采空区内主要气体组分22

2.4瓦斯涌出和运移规律23

2.4.1采空区瓦斯涌出源分析24

2.4.2采动卸压瓦斯运移和积聚规律26

2.4.3瓦斯扩散运动规律27

2.4.4瓦斯升浮现象31

2.4.5瓦斯积聚32

2.5采空区气体渗流模型33

2.5.1连续性方程34

2.5.2动量守恒方程36

2.5.3湍流输运模型41

2.5.4组分守恒方程47

2.5.5状态方程47

2.6采空区气测渗透率的测量实验48

2.6.1实验目的和方案48

2.6.2渗透率计算理论48

2.6.3实验装置和试样制备50

2.6.4实验步骤51

2.6.5实验结果和分析53

2.6.6采空区多孔介质渗透率与孔隙率的关系方程57

2.6.7主要结论59

2.7本章小结59

第3章采空区瓦斯渗流和传热的大尺寸实验研究61

3.1引言63

3.2实验目的和方案63

3.3实验装置63

3.3.1实验台机械系统63

3.3.2实验台瓦斯供气系统65

3.3.3实验台液压系统65

3.3.4实验台电气系统66

3.3.5实验台数据信息采集分析系统67

3.4实验步骤和结果68

3.4.1实验模型设计68

3.4.2实验步骤70

3.4.3实验结果和分析70

3.4.4孔隙率的空间分布方程72

3.4.5渗透率的空间分布方程75

3.5现场观测76

3.5.1工作面概况76

3.5.2测点布置76

3.5.3观测参数和检测仪器仪表76

3.5.4现场观测的结果和分析77

3.6实验结果与现场观测结果的比对分析79

3.7本章小结81

第4章采空区气体渗流场和浓度场耦合数值模拟研究83

4.1引言85

4.2CFD模拟和场模拟原理85

4.2.1数值模拟85

4.2.2CFD模拟85

4.2.3场模拟86

4.3 FLUENT软件概述87

4.3.1FLUENT软件模块和Tecplot后处理软件88

4.3.2FLUENT软件在本书数值模拟中的应用89

4.4采空区气体渗流场和浓度场耦合数值模拟90

4.4.1物理模型构建和边界条件设定90

4.4.2基本守恒方程组92

4.4.3方程组的离散和数值解算方法93

4.4.4气体压力分布规律93

4.4.5气体流场规律95

4.4.6气体组分浓度分布规律96

4.4.7采空区遗煤氧化自燃带的确定104

4.5本章小结106

第5章采空区气体传热理论109

5.1引言111

5.2采空区传热的基本形式111

5.2.1热传导111

5.2.2热对流112

5.2.3热辐射114

5.3采空区的高温源116

5.3.1采空区高温源产生机理116

5.3.2高温源位置117

5.4温度引起的瓦斯升浮现象117

5.5化学反应模型118

5.5.1化学反应模型理论118

5.5.2常用的化学反应模型119

5.6采空区自燃前后气体组分的变化120

5.6.1主要气体的组分浓度变化120

5.6.2火源燃烧状态的气体判别指标122

5.7采空区多孔介质能量方程124

5.7.1简单情况下的多孔介质能量方程124

5.7.2较为复杂情况下的多孔介质能量方程125

5.7.3采空区多孔介质的能量方程126

5.8采空区渗流场、浓度场和温度场耦合模型127

5.9本章小结128

第6章采空区气体多场耦合数值模拟研究129

6.1高温源和边界条件的设定131

6.2物理模型构建和假设131

6.3计算模型的选取132

6.4方程组的离散和数值解算方法132

6.5计算结果和讨论133

6.5.1受自燃影响的气体压力分布规律133

6.5.2受自燃影响的气体渗流场规律135

6.5.3受自燃影响的气体温度分布规律135

6.5.4受自燃影响的气体组分浓度分布规律141

6.6实验、现场观测与模拟结果的比对分析143

6.7研究成果对煤矿安全的指导意义145

6.8本章小结146

第7章主要结论和展望147

7.1主要研究工作和结论149

7.2研究工作展望150参考文献152

《采空区气体多场耦合理论及应用》可供矿业工程领域的设计、研发人员阅读，也可供矿业相关专业师生参考。《采空区气体多场耦合理论及应用》内容简介：与采空区有关的瓦斯灾害和火灾频发，是我国矿业发展中亟待解决的重大问题。尤其是采空区大量存在的遗煤易自燃，为瓦斯爆炸提供了长期存在的火源，致使灾害后果十分严重。《采空区气体多场耦合理论及应用》是关于采空区气体(主要是瓦斯)运动和相互转化规律的专著,对于防治煤矿自燃火灾、一般瓦斯灾害具有十分重要的指导意义。《采空区气体多场耦合理论及应用》以某煤矿采空区实测数据为基础展开，详细分析和介绍了采空区瓦斯?空气混合气体的组成、相互作用规律和机理，对采空区瓦斯抽放、遗煤自燃以及继发性瓦斯爆炸的防治具有重要的指导意义。