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《煤田火区裂隙渗流耦合动力学》可供安全科学与工程、矿业工程、煤火灾害领域的广大科技工作者和院校师生参考.
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| 內容簡介： |
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《煤田火区裂隙渗流耦合动力学》系统综述了煤田火区煤岩体裂隙场的多场耦合作用过程的基础理论,发展了三维情况下的损伤基本方程;基于CT三维扫描测试研究了煤岩体在热固耦合作用下的裂隙扩展分布规律及其三维重建;开展了煤体、岩体、煤岩组合体在热固耦合作用下的数值模拟研究;采用MTS测试研究了煤岩体在不同加载模式下单轴、三轴、温度的全应力应变过程以及全应力应变过程的渗透性,构建了煤田火区煤岩体的热-流-固多场耦合动力学模型;根据乌达煤田火区实际,数值模拟煤田火区的形成演化过程,并开展了火区的监测和分析.《煤田火区裂隙渗流耦合动力学》针对煤田火区灾害实际中迫切需要解决的问题,在实验、理论、数值模拟和应用等方面形成了系统成果.
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| 目錄：
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前言
1绪论1
1.1煤火灾害现状及研究意义1
1.1.1世界各国1
1.1.2中国7
1.1.3研究意义9
1.2国内外研究动态及发展趋势10
1.2.1煤岩体和岩土体热破坏过程研究10
1.2.2煤田火区煤岩体裂隙渗流特性研究13
1.2.3煤田火区煤岩体流-固-热耦合数学模型16
1.2.4问题的提出17
1.3研究的主要内容18
参考文献19
2煤田火区煤岩体裂隙场多场耦合过程基础理论研究30
2.1煤岩体温度场30
2.1.1煤氧复合作用及其热效应30
2.1.2煤燃烧化学场32
2.2煤岩体裂隙场33
2.2.1温度应力33
2.2.2煤岩体热损伤演化34
2.2.3煤体燃烧后上覆岩层形成垮落裂隙35
2.3煤岩体渗流场37
2.3.1热力风压37
2.3.2气体非稳态渗流39
2.4煤田火区煤岩体多场耦合作用过程41
2.4.1煤火灾害的热动力特性41
2.4.2煤岩体多场耦合作用的热力学过程42
参考文献44
3煤岩体热破坏裂隙扩展CT实验研究46
3.1煤岩样CT扫描实验方法46
3.1.1CT扫描原理46
3.1.2实验装置47
3.2实验条件与过程49
3.2.1试样选取与制备49
3.2.2试验过程50
3.3煤岩热破坏裂隙扩展特征51
3.3.1无烟煤试样热破坏裂隙演化特征52
3.3.2泥岩试样热破坏裂隙演化特征57
3.4三维重建及其裂隙扩展分布61
3.4.1无烟煤试样热破坏裂隙演化规律61
3.4.2泥岩试样热破坏孔裂隙演化规律64
参考文献68
4煤田火区煤岩体破坏的热固耦合模型及数值模拟69
4.1煤岩体材料属性69
4.2耦合数学模型及有限元分析70
4.3热固耦合作用下煤岩体热破裂数值模拟73
4.3.1数值模拟的物理力学参数73
4.3.2砂岩的裂隙扩展分布74
4.3.3煤的裂隙扩展分布75
4.3.4煤岩组合体的裂隙扩展分布78
参考文献80
5煤岩体全应力应变过程的渗透性试验研究82
5.1实验装置及原理82
5.1.1瞬态法实验原理82
5.1.2Darcy流的渗透性84
5.1.3非Darcy流的渗透性84
5.2煤岩体单轴和三轴应力应变特征85
5.2.1煤岩体单轴应力应变86
5.2.2煤岩体三轴应力应变88
5.3煤岩体在温度影响下的三轴应力应变特征90
5.4煤岩体全应力应变过程渗透试验92
5.4.1实验程序及步骤92
5.4.2煤样的渗透特性94
5.4.3煤样非Darcy流渗透性97
参考文献100
6煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学模型102
6.1煤田火区煤岩体双重孔隙介质属性102
6.2煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学机制104
6.2.1基本假定104
6.2.2煤岩体热-固-流耦合数学模型及边界条件106
6.3裂隙气体渗流动力学分析109
6.3.1齐次数值解法111
6.3.2非齐次柯西解法113
参考文献114
7乌达煤田火区演化发展过程数值模拟115
7.1工程背景115
7.1.1乌达煤田概况115
7.1.2含煤地层116
7.1.3煤火特征118
7.2模型的建立122
7.2.1模拟思路122
7.2.2模型构建125
7.2.3网格划分126
7.2.4物理参数选择126
7.2.5边界条件确定127
7.3数值模拟及结果分析129
7.3.1应力应变?位移场分布129
7.3.2垮落前后的位移场变化144
7.3.3温度场?应力场随时间的变化145
7.3.4流场分布146
参考文献148
8乌达煤田火区监测结果及分析150
8.1煤火成因150
8.2高光谱热红外遥感监测150
8.2.1红外光谱151
8.2.2高光谱遥感成像特点153
8.2.3乌达煤火遥感监测154
8.3测氡法探测159
8.3.1探测原理159
8.3.2测氡方法及仪器装置163
8.3.3乌达6号火区探测结果168
8.4红外线测温结果169
8.5裂隙间距170
参考文献172
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| 內容試閱：
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1 绪 论
1.1 煤火灾害现状及研究意义
1.1.1 世界各国
煤田火灾是因为地表煤层露头燃烧由浅部不断向深部发展而形成大面积的火区，现已成为全球性的灾难[1~4]，严重威胁着人类健康?生态自然环境和煤矿安全生产，造成巨大的资源损失和环境污染[5~7].据统计，仅中国的煤火所释放出的CO2占全球CO2排放量的2%~3%[2~4].图1.1[8]是世界煤田火灾的分布图，中国?美国?印度?俄罗斯?澳大利亚?新西兰?印度尼西亚?南非等国家和地区煤田火灾普遍存在.
1美国
美国煤火燃烧了数百万年，烧掉了数百亿吨煤炭，主要分布在西部[9，10].目前，据AMLISAbandonedMineLandPro-ram Office文档记录，美国共有106处地下煤火，主要分布在科罗拉多?肯塔基?马里兰?新墨西哥?宾夕法尼亚?犹他?弗吉尼亚?西弗吉尼亚?怀俄明州;86处地表煤火，主要分布在亚拉巴马?阿拉斯加?科罗拉多?伊利诺斯?堪萨斯?肯塔基?新墨西哥?俄亥俄?宾夕法尼亚?田纳西?弗吉尼亚?西弗吉尼亚?怀俄明州.图1.2为美国肯塔基州东部的煤矿井下火灾，巨大的烟从井下运输大巷漫出.
2印度
印度的煤层地质条件复杂，随着开采深度和时间的增加，煤火灾害亦越趋严重[11].被报道的煤火既包括地表煤田火，又有地下煤火[12].其中，贾里煤田JhariaCoalfield火是最严重的一个，数量超过65个，面积达450km2[13].如图1.3所示，火区中心的火焰高度达7m.
3印度尼西亚
印度尼西亚拥有超过17000个岛屿，位于澳大利亚和东南亚之间的赤道南和北.其煤火既出现在没有开采的煤炭中，也出现在开采过的煤炭中.在东加里曼丹KalimantanTimur地区的未采动煤层中，由于受到人类活动并非煤炭开采的影响，煤火灾害产生的数量众多，并且频繁发生.现有数目超过3000 个，从1980年以来就开始出现了[14].图1.4为印度尼西亚东加里曼丹Kalimantan Timur煤火，主要在巴厘巴板-三马林达Balikpapan-Samarinda公路的中北部巴厘巴板港市24.1km 的范围内，附近的三处房屋有倒塌的危险，给当地人民带来了交通中断和消极的经济冲击.煤火始于1997年9月的2.8m 厚的一号煤层露头火，到1998年12月，火灾达到0.8hm2，并以每个月5m 的速度推进[图1.4a]，工人在清理植被[图1.4b]，通过剥挖以隔离和扑灭煤火[图1.4c]，用黏土和不燃性材料回填[图1.4d].
4澳大利亚
澳大利亚每年生产超过4亿t煤，绝大多数都采用露天开采方法，其中的一些矿井开采每年超过1500万t，同时，也带来了大量煤炭的损毁和废弃，自燃灾害十分严重[3，15]图1.5.煤自燃灾害散发出大量有气味和有毒的气体[16]以及温室气体[17，18]，并且高温和持续加热也会毁坏修复过的地面.
5俄罗斯
俄罗斯的库兹涅斯克Kuznetsk盆地含有可燃性的变质岩包括似熔岩和接触变质煤和矿物，形成于煤火发生的更新世时期，处于西西伯利亚平原与南西伯利亚山区之间，是最大的甲烷和煤炭生产地.在2008年煤炭产量达1.845亿t，甲烷超过1.3×1013m3[19，20].在该盆地中，因古代煤火形成了二叠纪含煤变质沉积岩以及可燃性的变质岩.目前，最大的煤火分布在四个区域:克麦罗沃Kemerovo?萨莱尔Salair和孔多马Kondoma位于盆地的边缘和厄尔乌拉科沃Erunakovo位于盆地的中心.图1.6所示为俄罗斯西伯利亚西南部的煤火及其裂隙分布，图中小山体的圈划区域为可燃性的变质岩，中部地表因地下煤的燃烧而使其沿着结构性软弱区域下沉.
6波兰
波兰井下煤炭开采始于1767年，当时是在南部城市卡托维兹开采烟煤和亚烟煤.在19 世纪欧洲工业革命期间，煤炭开采发展成为波兰的一个主要工业[21~25].但是，平均开采1t的煤就会产生0.3~0.6t的煤矸石，其中比较典型的质量含量为8%~10%的有机物，有的甚至高达30%[26~28].因此，波兰的煤矸石自燃比较严重，其中最大的矸石山位于上西里西亚煤盆地，几乎一半的范围都在持续燃烧着.图1.7为波兰马塞拉Marcele煤矿矸石山自燃的现场，其成锥体状烟高达15m.
图1.7 波兰马塞拉Marcel煤矿矸石山自燃[25]
7南非
南非煤炭由欧洲人于1838年最早报道.到1860年，在邓迪Dundee煤田的煤层露头部分开始小规模开采，至1880年才开始大规模的开采[29].目前，主要集中在南非中部盆地的威特班克Witbank?海菲尔德Hi-hveld和埃尔默洛Ermelo三个煤田进行煤炭开采，2010年，南非的硬煤包含烟煤和无烟煤产量达2.8亿t，位列世界第五.其用于电力生产的比例高达93%.但由于自燃或其他因素引起的煤层火灾在南非十分普遍，消耗了大量的煤炭资源.Witbank煤田在19世纪末矿井开始开采后就出现煤火灾害，直到1953年该矿关闭后都还在持续燃烧图1.8.萨索尔堡Sasolbur-煤田于1985年首次报道煤火灾害出现在新法尔NewVaal煤矿的未开采煤层，伴随着中部煤层开采后的工作面暴露，就爆发了大规模的煤火灾害[30].
8葡萄牙
葡萄牙西部部的杜罗Douro煤田在NW-SE方向绵延53km，煤炭开采始于1795年，结束于1994年.在开采过程中形成的矸石堆发生自燃，并造成了严重的大气污染?块体坡移?酸性矿物排水[31~35].形成的矸石堆有S.PedrodaCova?Lomba和Mid?es，其中，S.PedrodaCova矸石堆大约28000m2，有70~80m 高，距离S.PedrodaCova村庄约500m;Lomba矸石堆有7300m2，20~30m 高，位于杜罗河DouroRiver南岸，距离Lomba村庄2km;Mid?es矸石堆面积大约为200m2，高5~8m.这些矸石堆都存在烧过和未烧过的区域.图1.9所示为葡萄
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