採空區氣體多場耦合理論及應用（簡體書）

與採空區有關的瓦斯災害和火災頻發，是我國礦業發展中亟待解決的重大問題。尤其是採空區大量存在的遺煤易自燃，為瓦斯爆炸提供了長期存在的火源，致使災害後果十分嚴重。本書是關於採空區氣體(主要是瓦斯)運動和相互轉化規律的專著,對於防治煤礦自燃火災、一般瓦斯災害具有十分重要的指導意義。本書以某煤礦採空區實測數據為基礎展開，詳細分析和介紹了採空區瓦斯、空氣混合氣體的組成、相互作用規律和機理，對採空區瓦斯抽放、遺煤自燃以及繼發性瓦斯爆炸的防治具有重要的指導意義。
本書可供礦業工程領域的設計、研發人員閱讀，也可供礦業相關專業師生參考。

《采空區氣體多場耦合理論及應用》可供礦業工程領域的設計、研發人員閱讀，也可供礦業相關專業師生參考。

煤礦采空區存在的大量遺煤容易自燃而引發火災。采空區火災具有發生突然、發展迅猛、影響面廣、施救困難、易誘發瓦斯爆炸的特點，容易釀成重大災害事故，嚴重威脅生命財產安全。因此，預防和治理采空區自燃尤為重要，就要求人們對采空區遺煤自燃機理和發展規律有深入的了解。
《采空區氣體多場耦合理論及應用》是作者車強攻讀博士期間的科研成果，內容豐富，理論性和實用性較強，是一部采空區遺煤自燃理論研究與實踐的佳作。該專著首先綜述采空區自燃研究現狀，綜合應用理論分析、滲透率實驗和采空區滲流和傳熱實驗、數值模擬技術對比現場觀測，闡明了采空區遺煤自燃機理，揭示自燃前後瓦斯空氣混合氣體的三維滲流場、濃度場和溫度場的多場耦合變化規律，提出自燃防治機制，為采空區自燃防治提供理論和技術支持。書中提出的一些新見解，對于采空區瓦斯抽放、遺煤自燃以及繼發性瓦斯爆炸防治的理論研究與應用實踐具有啟示意義。該專著展示的具有創新性的研究成果豐富了采空區火災防治理論和技術研發的研究，不失為一部好的著作。它的出版，可為從事煤礦安全領域特別是煤礦自燃防治方向的大專院校教師和科研院所專業技術人員以及現場技術管理人員提供理論技術新穎、實用價值高、針對性強的借鑒。
作為著者的博士生指導教師，衷心希望該專著能在我國煤礦自燃防治領域的科研、教學和生產實踐中發揮其應有的作用。
周心權

第1章緒論1
1.1研究背景和意義3
1.2國內外研究現狀綜述4
1.2.1采空區氣體流動研究現狀4
1.2.2瓦斯燃燒爆炸研究現狀7
1.3研究內容、研究方法和技術路線8
1.3.1主要研究內容8
1.3.2研究方法8
1.3.3技術路線9

第2章采空區氣體滲流規律研究11
2.1引言13
2.2采空區介質及其滲流特性13
2.2.1采空區介質13
2.2.2多孔介質的基本參數14
2.2.3采場裂隙形成理論15
2.2.4滲流和滲流速度21
2.3采空區內主要氣體組分22
2.4瓦斯涌出和運移規律23
2.4.1采空區瓦斯涌出源分析24
2.4.2采動卸壓瓦斯運移和積聚規律26
2.4.3瓦斯擴散運動規律27
2.4.4瓦斯升浮現象31
2.4.5瓦斯積聚32
2.5采空區氣體滲流模型33
2.5.1連續性方程34
2.5.2動量守恒方程36
2.5.3湍流輸運模型41
2.5.4組分守恒方程47
2.5.5狀態方程47
2.6采空區氣測滲透率的測量實驗48
2.6.1實驗目的和方案48
2.6.2滲透率計算理論48
2.6.3實驗裝置和試樣制備50
2.6.4實驗步驟51
2.6.5實驗結果和分析53
2.6.6采空區多孔介質滲透率與孔隙率的關系方程57
2.6.7主要結論59
2.7本章小結59

第3章采空區瓦斯滲流和傳熱的大尺寸實驗研究61
3.1引言63
3.2實驗目的和方案63
3.3實驗裝置63
3.3.1實驗臺機械系統63
3.3.2實驗臺瓦斯供氣系統65
3.3.3實驗臺液壓系統65
3.3.4實驗臺電氣系統66
3.3.5實驗臺數據信息采集分析系統67
3.4實驗步驟和結果68
3.4.1實驗模型設計68
3.4.2實驗步驟70
3.4.3實驗結果和分析70
3.4.4孔隙率的空間分布方程72
3.4.5滲透率的空間分布方程75
3.5現場觀測76
3.5.1工作面概況76
3.5.2測點布置76
3.5.3觀測參數和檢測儀器儀表76
3.5.4現場觀測的結果和分析77
3.6實驗結果與現場觀測結果的比對分析79
3.7本章小結81

第4章采空區氣體滲流場和濃度場耦合數值模擬研究83
4.1引言85
4.2CFD模擬和場模擬原理85
4.2.1數值模擬85
4.2.2CFD模擬85
4.2.3場模擬86
4.3 FLUENT軟件概述87
4.3.1FLUENT軟件模塊和Tecplot後處理軟件88
4.3.2FLUENT軟件在本書數值模擬中的應用89
4.4采空區氣體滲流場和濃度場耦合數值模擬90
4.4.1物理模型構建和邊界條件設定90
4.4.2基本守恒方程組92
4.4.3方程組的離散和數值解算方法93
4.4.4氣體壓力分布規律93
4.4.5氣體流場規律95
4.4.6氣體組分濃度分布規律96
4.4.7采空區遺煤氧化自燃帶的確定104
4.5本章小結106

第5章采空區氣體傳熱理論109
5.1引言111
5.2采空區傳熱的基本形式111
5.2.1熱傳導111
5.2.2熱對流112
5.2.3熱輻射114
5.3采空區的高溫源116
5.3.1采空區高溫源產生機理116
5.3.2高溫源位置117
5.4溫度引起的瓦斯升浮現象117
5.5化學反應模型118
5.5.1化學反應模型理論118
5.5.2常用的化學反應模型119
5.6采空區自燃前後氣體組分的變化120
5.6.1主要氣體的組分濃度變化120
5.6.2火源燃燒狀態的氣體判別指標122
5.7采空區多孔介質能量方程124
5.7.1簡單情況下的多孔介質能量方程124
5.7.2較為復雜情況下的多孔介質能量方程125
5.7.3采空區多孔介質的能量方程126
5.8采空區滲流場、濃度場和溫度場耦合模型127
5.9本章小結128

第6章采空區氣體多場耦合數值模擬研究129
6.1高溫源和邊界條件的設定131
6.2物理模型構建和假設131
6.3計算模型的選取132
6.4方程組的離散和數值解算方法132
6.5計算結果和討論133
6.5.1受自燃影響的氣體壓力分布規律133
6.5.2受自燃影響的氣體滲流場規律135
6.5.3受自燃影響的氣體溫度分布規律135
6.5.4受自燃影響的氣體組分濃度分布規律141
6.6實驗、現場觀測與模擬結果的比對分析143
6.7研究成果對煤礦安全的指導意義145
6.8本章小結146

第7章主要結論和展望147
7.1主要研究工作和結論149
7.2研究工作展望150參考文獻152