描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030437242
编辑推荐
《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.
内容简介
《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.
目 录
前言
1 绪论
1.1 煤火灾害现状及研究意义
1.1.1 世界各国
1.1.2 中国
1.1.3 研究意义
1.2 国内外研究动态及发展趋势
1.2.1 煤岩体和岩土体热破坏过程研究
1.2.2 煤田火区煤岩体裂隙渗流特性研究
1.2.3 煤田火区煤岩体流-固-热耦合数学模型
1.2.4 问题的提出
1.3 研究的主要内容
参考文献
2 煤田火区煤岩体裂隙场多场耦合过程基础理论研究
2.1 煤岩体温度场
2.1.1 煤氧复合作用及其热效应
2.1.2 煤燃烧化学场
2.2 煤岩体裂隙场
2.2.1 温度应力
2.2.2 煤岩体热损伤演化
2.2.3 煤体燃烧后上覆岩层形成垮落裂隙
2.3 煤岩体渗流场
2.3.1 热力风压
2.3.2 气体非稳态渗流
2.4 煤田火区煤岩体多场耦合作用过程
2.4.1 煤火灾害的热动力特性
2.4.2 煤岩体多场耦合作用的热力学过程
参考文献
3 煤岩体热破坏裂隙扩展CT实验研究
3.1 煤岩样CT扫描实验方法
3.1.1 CT扫描原理
3.1.2 实验装置
3.2 实验条件与过程
3.2.1 试样选取与制备
3.2.2 试验过程
3.3 煤岩热破坏裂隙扩展特征
3.3.1 无烟煤试样热破坏裂隙演化特征
3.3.2 泥岩试样热破坏裂隙演化特征
3.4 三维重建及其裂隙扩展分布
3.4.1 无烟煤试样热破坏裂隙演化规律
3.4.2 泥岩试样热破坏孔裂隙演化规律
参考文献
4 煤田火区煤岩体破坏的热固耦合模型及数值模拟
4.1 煤岩体材料属性
4.2 耦合数学模型及有限元分析
4.3 热固耦合作用下煤岩体热破裂数值模拟
4.3.1 数值模拟的物理力学参数
4.3.2 砂岩的裂隙扩展分布
4.3.3 煤的裂隙扩展分布
4.3.4 煤岩组合体的裂隙扩展分布
参考文献
5 煤岩体全应力应变过程的渗透性试验研究
5.1 实验装置及原理
5.1.1 瞬态法实验原理
5.1.2 Darcy流的渗透性
5.1.3 非Darcy流的渗透性
5.2 煤岩体单轴和三轴应力应变特征
5.2.1 煤岩体单轴应力应变
5.2.2 煤岩体三轴应力应变
5.3 煤岩体在温度影响下的三轴应力应变特征
5.4 煤岩体全应力应变过程渗透试验
5.4.1 实验程序及步骤
5.4.2 煤样的渗透特性
5.4.3 煤样非Darcy流渗透性
参考文献
6 煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学模型
6.1 煤田火区煤岩体双重孔隙介质属性
6.2 煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学机制
6.2.1 基本假定
6.2.2 煤岩体热-固-流耦合数学模型及边界条件
6.3 裂隙气体渗流动力学分析
6.3.1 齐次数值解法
6.3.2 非齐次柯西解法
参考文献
7 乌达煤田火区演化发展过程数值模拟
7.1 工程背景
7.1.1 乌达煤田概况
7.1.2 含煤地层
7.1.3 煤火特征
7.2 模型的建立
7.2.1 模拟思路
7.2.2 模型构建
7.2.3 网格划分
7.2.4 物理参数选择
7.2.5 边界条件确定
7.3 数值模拟及结果分析
7.3.1 应力应变?位移场分布
7.3.2 垮落前后的位移场变化
7.3.3 温度场?应力场随时间的变化
7.3.4 流场分布
参考文献
8 乌达煤田火区监测结果及分析
8.1 煤火成因
8.2 高光谱热红外遥感监测
8.2.1 红外光谱
8.2.2 高光谱遥感成像特点
8.2.3 乌达煤火遥感监测
8.3 测氡法探测
8.3.1 探测原理
8.3.2 测氡方法及仪器装置
8.3.3 乌达6号火区探测结果
8.4 红外线测温结果
8.5 裂隙间距
参考文献
1 绪论
1.1 煤火灾害现状及研究意义
1.1.1 世界各国
1.1.2 中国
1.1.3 研究意义
1.2 国内外研究动态及发展趋势
1.2.1 煤岩体和岩土体热破坏过程研究
1.2.2 煤田火区煤岩体裂隙渗流特性研究
1.2.3 煤田火区煤岩体流-固-热耦合数学模型
1.2.4 问题的提出
1.3 研究的主要内容
参考文献
2 煤田火区煤岩体裂隙场多场耦合过程基础理论研究
2.1 煤岩体温度场
2.1.1 煤氧复合作用及其热效应
2.1.2 煤燃烧化学场
2.2 煤岩体裂隙场
2.2.1 温度应力
2.2.2 煤岩体热损伤演化
2.2.3 煤体燃烧后上覆岩层形成垮落裂隙
2.3 煤岩体渗流场
2.3.1 热力风压
2.3.2 气体非稳态渗流
2.4 煤田火区煤岩体多场耦合作用过程
2.4.1 煤火灾害的热动力特性
2.4.2 煤岩体多场耦合作用的热力学过程
参考文献
3 煤岩体热破坏裂隙扩展CT实验研究
3.1 煤岩样CT扫描实验方法
3.1.1 CT扫描原理
3.1.2 实验装置
3.2 实验条件与过程
3.2.1 试样选取与制备
3.2.2 试验过程
3.3 煤岩热破坏裂隙扩展特征
3.3.1 无烟煤试样热破坏裂隙演化特征
3.3.2 泥岩试样热破坏裂隙演化特征
3.4 三维重建及其裂隙扩展分布
3.4.1 无烟煤试样热破坏裂隙演化规律
3.4.2 泥岩试样热破坏孔裂隙演化规律
参考文献
4 煤田火区煤岩体破坏的热固耦合模型及数值模拟
4.1 煤岩体材料属性
4.2 耦合数学模型及有限元分析
4.3 热固耦合作用下煤岩体热破裂数值模拟
4.3.1 数值模拟的物理力学参数
4.3.2 砂岩的裂隙扩展分布
4.3.3 煤的裂隙扩展分布
4.3.4 煤岩组合体的裂隙扩展分布
参考文献
5 煤岩体全应力应变过程的渗透性试验研究
5.1 实验装置及原理
5.1.1 瞬态法实验原理
5.1.2 Darcy流的渗透性
5.1.3 非Darcy流的渗透性
5.2 煤岩体单轴和三轴应力应变特征
5.2.1 煤岩体单轴应力应变
5.2.2 煤岩体三轴应力应变
5.3 煤岩体在温度影响下的三轴应力应变特征
5.4 煤岩体全应力应变过程渗透试验
5.4.1 实验程序及步骤
5.4.2 煤样的渗透特性
5.4.3 煤样非Darcy流渗透性
参考文献
6 煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学模型
6.1 煤田火区煤岩体双重孔隙介质属性
6.2 煤田火区煤岩体热-流-固多场耦合动力学机制
6.2.1 基本假定
6.2.2 煤岩体热-固-流耦合数学模型及边界条件
6.3 裂隙气体渗流动力学分析
6.3.1 齐次数值解法
6.3.2 非齐次柯西解法
参考文献
7 乌达煤田火区演化发展过程数值模拟
7.1 工程背景
7.1.1 乌达煤田概况
7.1.2 含煤地层
7.1.3 煤火特征
7.2 模型的建立
7.2.1 模拟思路
7.2.2 模型构建
7.2.3 网格划分
7.2.4 物理参数选择
7.2.5 边界条件确定
7.3 数值模拟及结果分析
7.3.1 应力应变?位移场分布
7.3.2 垮落前后的位移场变化
7.3.3 温度场?应力场随时间的变化
7.3.4 流场分布
参考文献
8 乌达煤田火区监测结果及分析
8.1 煤火成因
8.2 高光谱热红外遥感监测
8.2.1 红外光谱
8.2.2 高光谱遥感成像特点
8.2.3 乌达煤火遥感监测
8.3 测氡法探测
8.3.1 探测原理
8.3.2 测氡方法及仪器装置
8.3.3 乌达6号火区探测结果
8.4 红外线测温结果
8.5 裂隙间距
参考文献
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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AMLIS(AbandonedMineLandPro-ramOffice)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(KalimantanTimur)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1.4(a)]，工人在清理植被[图1.4(b)]，通过剥挖以隔离和扑灭煤火[图1.4(c)]，用黏土和不燃性材料回填[图1.4(d)].
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，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
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AMLIS(AbandonedMineLandPro-ramOffice)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(KalimantanTimur)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1.4(a)]，工人在清理植被[图1.4(b)]，通过剥挖以隔离和扑灭煤火[图1.4(c)]，用黏土和不燃性材料回填[图1.4(d)].
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，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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