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
4.2 CFD模拟和场模拟原理 85
4.2.1 数值模拟 85
4.2.2 CFD模拟 85
4.2.3 场模拟 86
4.3 FLUENT软件概述 87
4.3.1 FLUENT软件模块和Tecplot后处理软件 88
4.3.2 FLUENT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