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研究采空区煤岩堆积条件热电偶准确测温

来源:原创中版四柱预测彩图网 添加时间:2019-09-24

安全工程硕士毕业中版四柱预测彩图热门推荐6篇之第三篇:研究采空区煤岩堆积条件热电偶准确测温

摘要

  热动力灾害是煤矿安全生产的主要威胁之一。为提高我国煤矿热动力灾害防治水平,国内学者搭建了众多模拟实验装置;但由于热电偶轴向导热等自身特性,温度测值通常存在较大误差,难以精确反映采空区热动力灾害的演变进程。中版四柱预测彩图依托国家重点研发计划课题"煤矿热动力灾害预警技术与装备",针对采空区煤岩堆积条件热电偶准确测温为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法,专门开展温度实时、高精度测量方法应用研究。取得的主要成果有:

  (1)通过对相关实验测试技术的调研,结合模拟采空区高温点热电偶测温误差的理论分析,总结出热电偶直径、插入角度、外露端长度是对模型内部热流场产生明显干扰、影响测温精度的主要因素;

  (2)开展了颗粒堆积体渗流传热及热电偶测温精度的数值模拟,模拟结果表明:插入热电偶后,颗粒堆积体内部高温区域温度降低,而热电偶自身及其周边温度升高;热电偶直径越大,对模型内部热流场产生的干扰越明显,且沿自身轴向的导热量也越大,热电偶测温误差越大;并基于颗粒堆积体渗流模拟结果,将Blake-Kozeny经验公式的系数由150修正为165;

  (3)基于多孔介质模型,利用修正后Blake-Kozeny公式,采用数值模拟方式,测算了5组采空区热电偶测温算例,证实了模拟采空区高温点热电偶测温技术的可行性,得到了提高测温精度的途径。

  关键词:热动力灾害;热电偶;多孔介质;采空区测温;数值模拟

煤岩堆积

Abstract

  Thermodynamic disasters are one of the main threats to coal mine safety production. In order to improve the level of prevention and control of thermal power disasters of coal mines in China, domestic scholars have built many simulation experimental devices. However, due to the self-characteristics such as the axial heat conduction of the thermocouple, the temperature measurement usually has a large error, and it it difficult to accurately reflect the evolution of the thermal dynamic disaster in the goaf. Relying on the national key research and development project "Coal mine thermal prower disater early warning technology and equipment", this paper aims at accurately measuring the temperature of coal and rock accumulation conditions in goaf by thermocouple, and adopts the research method of combining theoretical analysis with numerical simulation, specially carries out the appllication research of real-time temperature and high-precision measurement methods. The main achievements are:

  (1) Based on the investigation of relevant experimental testing technology, combined with the theoretical analysis of the temperature error of the high temperature point thermocouple in the simulated goaf, it is concluded that the diameter of thermocouple, different insertion angles and length of exposed end are the main factors affecting the accuracy of temperature measurement.

  (2) The numerical simulation of the seepage heat transfer and thermocouple temperature measurement accuracy of particle accumulation is carried out. The results show that the larger the diameter of thermocouple, the more obvious the interference to the internal heat flow field of the model, and the greater the heat along the thermocouple itself, the thermocouple temperature measurement error is large. Based on the seepage simulation results of granular accumulation, the coefficients of the Blake-Kozeny empirical formula are revised from 150 to 165.

  (3) Based on the porous medium model,using the modified Blake-Kozeny formula and numerical simulation method, five groups of goaf thermocouple temperature measurement examples are calculated. The feasibility of the high temperature measurement technology in the simulated goaf was confirmed and the way to improve the accuracy of temperature measurement.

  Keywords: thermodynamic disasters; thermocouple; porous medium; temperatur

目录

  1绪论

  1.1研究背景及意义

  我国是煤炭生产大国,同时也是煤矿热动力灾害非常严重的国家[1,2].随着矿井开采深度和强度的增加,热动力灾害更是表现出发生频率高、破坏性大的特点。例如仅在2010至2014年的五年间,我国发生了61起由热动力灾害引发的煤矿重特大事故,导致1050人死亡[3].

  其中,2013年3月29日,吉林省八宝煤矿由于采空区煤自燃引发多次瓦斯爆炸,造成53人死亡;2013年5月11日,四川省桃子沟煤矿发生重大瓦斯爆炸事故,造成28人死亡、18热受伤、直接经济损失3737万元;2014年4月21日,云南省红土田煤矿发生重大瓦斯爆炸事故,造成14人死亡[4-5].采空区是由煤层回采后顶板岩层冒落形成的多孔介质区域,由于全部为破碎的煤岩体构成,人员无法进入,也无法采用现有监测手段覆盖整个区域,使得煤矿热动力灾害的发生、发展都极具有隐蔽性,不易较早发现隐患,也无法明确采空区高温区域所在位置,尚没有合理有效的预警措施对采空区热动力灾害进行早期控制,以致难以避免事故的发生。

  为提高我国煤矿热动力灾害防治水平,并建立灾害演变及预警模型,国内学者搭建了众多采空区模拟实验装置,通过模拟实验考察各类监测预警指标与灾害演变进程的关系。在模拟实验过程中,需实时采集模型内部温度场、其是高温点温度的变化,以反映采空区热动力灾害的演变进程。但由于采空区内部渗流传热传质过程的复杂性,在采用热电偶这类接触式测温元件进行温度测量时,插入的探头可能对模型内部热流场产生明显干扰,同时由于探头自身导热等原因还可能导致温度测值偏低、产生较大误差。目前虽然有大量利用热电偶进行温度测量的实验研究,但对于在采空区这种由煤岩碎块构成的多孔介质体内采用热电偶测温时可能存在的问题,却鲜有具体分析。国家重点研发计划项目"煤矿热动力灾害防控技术与装备"于2018年获批立项;该项目设置6个课题,其中包括"煤矿热动力灾害预警技术与装备".

  本中版四柱预测彩图依托该国家重点研发计划课题,针对采空区煤岩堆积条件热电偶准确测温为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法,专门开展温度实时、高精度测量方法应用研究。

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  1.2国内外研究现状
  1.3存在的问题
  1.4研究内容及技术路线

  2模拟采空区高温点热电偶测温误差来源分析
  2.1冷端误差
  2.2导热误差
  2.3本章小结

  3颗粒堆积体渗流传热及热电偶测温精度数值模拟
  3.1多孔介质测温模型
  3.2数值模拟流程
  3.3热电偶测温模型的三维建模
  3.4FLUENT基础知识

  3.5数值分析模型
  3.6数值模拟分析步骤
  3.7数值模拟结果分析
  3.8本章小结

  4基于多孔介质模型的采空区热电偶测温数值模拟
  4.1采空区几何模型4.2网格划分
  4.3各类参数设定
  4.4数值模拟结果分析
  4.5本章小结

  5 结论与展望

  5.1 结论

  本文采用理论分析与数值模拟相结合的手段开展了模拟采空区高温点热电 偶测温误差分析及可行性研究,取得的研究成果概括如下:

  (1) 通过对相关实验测试技术的调研,结合模拟采空区高温点热电偶测温误 差来源的理论分析,总结出热电偶直径、插入角度、外露端长度等是模型内部热 流场产生明显干扰、影响测温精度的主要因素;

  (2) 开展了颗粒堆积体渗流传热及热电偶测温精度的数值模拟,结果表明: 插入热电偶后,颗粒堆积体内高温区域温度降低,而热电偶自身及其周边温度升 高;热电偶直径越大,对堆积体内部热流场的干扰越明显,且沿热电偶自身轴向 的导热量也越大,热电偶测温误差越大;其中 1 mm 和 2 mm 直径热电偶测温精 度比 0.5 mm 相对偏低 0.5~1 %;

  (3) 基于颗粒堆积体渗流模拟结果,将 Blake-Kozeny 经验公式系数由 150 修 正为 165,修正后公式能更好的适用于由颗粒堆积体构成的多孔介质渗流模型; (4) 基于多孔介质模型,利用修正后 Blake-Kozeny 公式,针对"采空区热动 力灾害模拟及探测试验平台"的采空区模型部分开展了热电偶测温模拟:

  1) 分别模拟了直径为 0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm 和 5 mm 的热电 偶;其中,0.5 mm 热电偶测温精度最高,可达 99.2 %,在高于其他直径规格热 电偶 4~9 倍的成本差额下仅提升 0.2~1.3 %的测量精度,除对测温精度有严格要 求外,其他情况不推荐使用;本次单价调研中 3 mm 热电偶价格最低,超过该尺 寸的热电偶,随着直径增加,成本升高,测量精度却降低,所以也不推荐使用; 而 1~3 mm 直径热电偶较 0.5 mm 规格测温精度仅偏低不到 1 %,价格更为合理, 因此建议根据实验需求在直径 1~3 mm 范围内酌情选取;

  2) 分别模拟了温度为 200 ℃、400 ℃、600 ℃和 800 ℃的单一高温热源情 况,为补偿导线的应用提供一些指导;例如,测量 200 ℃的模拟高温点时,外 露端长度为500~550 mm范围内的热电偶在工作中均可测量出较高的工作端温度 值和两端温差值,此时热电偶测温效果较好;若继续延长冷端长度,冷端温度几 乎不发生改变,反而导致热电偶工作端温度降低,不利于采空区温度的测量;

  3) 分别模拟了距离热源 1 mm 和 5 mm 的测点;测点离热源越近,热电偶两 端温差越大,测温精度越高,距离热源 1 mm 处热电偶测温精确度比 5 mm 处高 0.2~0.4 %,温差大 10 ℃;

  4) 分别模拟了从不同角度插入的测温热电偶;其中由回风侧插入的测温热 电偶测温精度比进风侧高 0.1 %; 5) 分别模拟了直径为 1 mm、2 mm 和 3 mm 热电偶测量 200 ℃和 400 ℃模 拟采空区高温点的算例,模拟结果显示:热电偶直径越小,对模型内部热流场影 响越小,所选直径热电偶对原始热流场均无明显干扰,其中 1 mm 热电偶产生的 干扰甚微,几乎可忽略不计;热电偶直径越小,测量精度越高,本次模拟均为测 量精度 98.5 %以上的高精度测温情况,且 1 mm 热电偶的测温精度高达 99.2 %, 可真实反应模型内部温度场及高温点温度的变化;本次模拟验证了利用热电偶测 温技术进行采空区测温是可行的,但仍应注意插入热电偶对热流场的干扰。

  5.2 创新点

  (1) 通过模拟分析了热电偶直径、测点与热源距离、外露端长度及插入角度 等因素对模拟采空区高温点热电偶测温效果的影响,为提高测温精度提供了有效 的途径;

  (2) 基于颗粒堆积体渗流数值模拟结果,对 Blake-Kozeny 经验公式的系数进 行了修正。

  5.3 研究展望

  本文主要开展了模拟采空区高温点热电偶测温误差的初步分析及可行性研 究,今后还应针对所作工作的不足,从以下方面开展进一步的研究工作:

  (1) 数值模拟中只考虑了单一高温点的情况,因此在以后的研究中还需根据 采空区热动力灾害实验模拟的需要,针对多高温点并存的情况加以进一步研究;

  (2) 为体现采空区煤岩散体堆积的复杂性,将来可考虑针对多尺度颗粒组合 堆积的情形加以深入研究。

  参考文献

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