煤炭学报

作者：梁运涛, 宋双林, 胡沛裕, 王继红, 王树刚, 蒋爽,

关键词：煤炭自然发火, 分析解, 颗粒尺度, 效率因子, 多尺度,

煤自然发火涉及多尺度研究，单煤颗粒是连接微观机理和宏观表征的关键尺度。现有研究在微观尺度和宏观尺度上均开展了大量的工作，但仍缺乏对颗粒尺度效应在煤自然发火中影响的定量分析和评价。首先基于等效球对称模型和煤氧化反应方程建立了第3类边界条件下单煤颗粒内部温度和氧气浓度扩散控制方程，对数学模型进行无量纲处理，推导得到单煤颗粒内部无量纲氧气浓度和温度分布的解析解，定义并得到判断颗粒尺度效应强弱的效率因子数学表达式。进一步，通过对比数值方法与解析解的计算结果验证了解析解的正确性。最后，分析了几个关键无量纲准则数对颗粒内部无量纲氧气浓度、温度分布和效率因子的影响。结果表明：颗粒内部无量纲浓度分布是蒂勒模数和传质毕渥数的函数，而无量纲温度分布则涉及蒂勒模数、传质毕渥数、传热毕渥数以及新得到的准则数4个无量纲准则数；效率因子与蒂勒模数和传质毕渥数有关；当蒂勒模数小于0.1且传质毕渥数大于0.1时，效率因子接近于1.0，此时完全可以忽略颗粒效应；当蒂勒模数大于2.0时，效率因子总是低于0.8，应考虑颗粒效应的影响。工程上可以依据所提出的表征颗粒尺度效应强弱的效率因子计算式进行估算，从而决定是否需要考虑颗粒尺度效应。研究成果为定量分析单煤颗粒微观特性对宏观表征的影响以及后续多尺度仿真模型的建立奠定了基础。

来源：2026年第1期

《煤炭学报》期刊编辑部

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