煤矿火区发展蔓延尺度上联方法研究:从单煤颗粒尺度到采空区尺度

煤矿高温火区发展蔓延过程具有明显的介尺度特性。基于第一性原理,讨论煤矿高温火区发展过程中,介尺度对微观传热机理与宏观能量迁移现象的关联作用,有助于推动煤自燃及热动力灾害领域的深入研究。首先,采用离散元方法(DEM)模拟煤颗粒下落、堆积及压实过程,建立数字堆积结构;基于单煤颗粒尺度与采空区尺度之间的介尺度Ⅱ,建立煤颗粒堆积体内流动及换热过程的计算模型,经过实验验证该模型温度场预测平均误差小于1.77%,具有较高精度。其次,以所建立的颗粒堆积结构及相关数值计算为基础,发展了适用于煤矿隐蔽火源发展蔓延规律研究的有效导热系数尺度上联方法。此方法以温度场数值计算结果为基础,以最小二乘优化算法为核心,有效导热系数计算结果可以准确预测真实温度分布,有效地实现了单煤颗粒尺度到采空区尺度的信息传递。再次,计算了有效导热系数在颗粒雷诺数(Re_(p))介于3~6000区间内的变化规律,结果表明有效导热系数在该范围内与Re_(p)成线性关系。最后,提出了采空区内有效导热系数尺度上联经验公式。在其适用范围内(3<Re_(p)<6000),该公式平均误差为7.17%;针对采空区内实际情况(Re_(p)<200),该公式平均误差为4.50%。

煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。