Чисельний аналіз моделі самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід

Abstract

Мета. Чисельний аналіз процесів самонагрівання ділянки вугільного масиву, віддаленої від вибою, на основі математичної моделі, що враховує випадок щільного контакту вугілля з породою на великих глибинах розташування пласта і умов, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) тільки за механізмом теплопровідності. Методика. Робота виконана на основі рішення рівнянь термодинаміки чисельними методами за допомогою математичних комп'ютерних програм. Результати. В результаті чисельного аналізу побудованої моделі самонагрівання вугілля в компактному гірському масиві підтверджено результати асимптотичного аналізу у тому, що температура вугілля зростає, хоча і повільно, але необмежено, і вихід на режим постійної температури відсутній при всіх значеннях коефіцієнта тепловіддачі і температуропровідності породи Наукова новизна. Шляхом чисельних методів, досліджено теоретичну модель самонагрівання вугілля у щільному масиві гірських порід, коли теплота хімічної реакції окислення вугілля передається в навколишнє середовище (уміщальні породи) за механізмом теплопровідності. Розрахунки проведені для випадку, коли уміщальні породи розігріваються поблизу поверхні їх контакту з вугіллям і густина теплового потоку з вугілля в породу визначається різницею приконтактних температур вугілля і породи. Практична значимість. Отримані результати можуть бути корисні для уточнення прогнозу пожежонебезпеки при відповідних зовнішніх умовах. Вони дозволяють описати процес низькотемпературного самонагрівання компактних вугільних шарів на широкому інтервалі зміни основних теплофізичних параметрів вугілля і порід, що вміщують, і можуть бути покладені в основу прогнозу ендогенної пожежонебезпеки на великих глибинах.

Цель. Численный анализ процессов самонагревания участка угольного массива на основе математической модели, учитывающей случай плотного контакта угля с породой на больших глубинах расположения пласта и условий, когда теплота химической реакции окисления угля передается в окружающую среду (вмещающие породы) только по механизму теплопроводности. Методика. Работа выполнена на основе решения уравнений термодинамики численными методами с помощью математических компьютерных программ. Результаты. В результате численного анализа построенной математической модели самонагревания угля в компактном угольном массиве при наличии источника кислорода вблизи пласта подтверждены результаты асимптотического анализа о том, что температура угля растет, хотя и медленно, но неограниченно, и выход на режим постоянной температуры отсутствует при всех значение коэффициента теплоотдачи и температуропроводности породы. Научная новизна. Путем численных расчетов исследована теоретическая модель самонагревания угля в плотном массиве горных пород, когда теплота химической реакции окисления угля передается во вмещающие породы только по механизму теплопроводности. Расчеты проведены для случая, когда вмещающие породы разогреваются вблизи поверхности их контакта с углем и плотность теплового потока из угля в породу определяется разницей приконтактных температур угля и породы. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны для уточнения прогноза пожароопасности при соответствующих внешних условиях. Они позволяют описать процесс низкотемпературного самонагревания компактных угольных пластов на широком интервале изменения основных теплофизических параметров угля и пород, и могут быть положены в основу прогноза эндогенной пожароопасности на больших глубинах.

Purpose. A numerical analysis of the processes of self-heating of a coal massif section on the basis of a mathematical model that takes into account the tight contact of coal with the rock at great depths of the formation and conditions when the heat of the chemical reaction of coal oxidation is transferred to the environment (enclosing rocks) only by the heat conduction mechanism. Methods. This work is based on solving the equations of thermodynamics by numerical methods using mathematical computer programs. Findings. As a result of a numerical analysis of the constructed mathematical model of coal self-heating in a compact coal mass in the presence of an oxygen source near the bed, the results of an asymptotic analysis confirming that the temperature of the coal rises, albeit slowly, but unlimitedly, and reaching the constant temperature mode for all, the value of the coefficient of heat transfer and thermal diffusivity of the rock is absent. Originality. By numerical calculations, the theoretical model of coal self-heating in a dense rock mass is studied, when the heat of the chemical reaction of coal oxidation is transferred to the host rocks only by the heat conductivity mechanism. The calculations were carried out for the case when the host rocks are heated near the surface of their contact with coal and the density of the heat flow from coal to rock is determined by the difference in the contact temperatures of coal and rock. Practical implications. The results obtained can be useful for updating the fire hazard forecast under appropriate environmental conditions. They allow us to describe the process of low-temperature self-heating of compact coal seams over a wide range of changes in the basic thermophysical parameters of coal and rocks, and can be the basis for predicting the endogenous fire hazard at great depths.