基于全尺寸火灾实验的单室轰燃温升模型

基于全尺寸室内实体火灾实验,建立单室轰燃温升模型。在徐州市某化工厂一办公室内进行轰燃火灾实验,观察实验中的轰燃现象并记录室内温度变化;选取房间内烟气为研究对象,分析热量平衡关系建立单室轰燃温升模型;利用数值方法求解该模型并与实验结果比较,判定单室轰燃温升模型的准确性。结果表明:将室内烟气视为均匀体所建立的单室轰燃温升模型能够准确模拟室内火灾温升过程,为轰燃后建筑物材料和结构的受损评估提供依据。

新元煤矿瓦斯抽采系统优化

针对新元煤矿瓦斯抽采系统长期存在瓦斯抽采体积分数低、抽采负压不合理等问题,优化并建立了一套瓦斯抽采系统评价指标体系及模型。通过测定矿井瓦斯抽采系统参数,并基于实测参数分析,总结出该矿井瓦斯抽采系统的运行规律,同时运用层次分析法、模糊评价法建立了评价指标体系及模型,并对矿井进行评价。最后结合矿井的评价结果及运行状态、规律的分析提出了相应的优化措施,成功解决了煤矿瓦斯抽采系统存在瓦斯抽采体积分数较低、处于爆炸极限范围等问题,提高了瓦斯抽采的效率及安全性。

嘉宾论坛模式及对我国新高等工程教育的启示——以澳大利亚昆士兰大学为例

在澳大利亚昆士兰大学的工科课程体系中,嘉宾论坛是课堂教学的重要组成部分。通过聘请特定的嘉宾走进专业课程的课堂讲授专业课程的核心内容及其应用,构建了嘉宾论坛进课堂模式,形成了以"情景性"实践教学为核心的工程教育体系,促进了产学研在课堂的融合、贯通。嘉宾论坛模式在提高学生学习的积极性和专业认同感、拓宽就业途径等方面对我国新高等工程教育的改革发展具有重要的借鉴意义。

煤自燃气体特征及其对瓦斯爆炸下限影响实验研究

现有研究大多从煤自燃单组分气体或部分组分混合气体角度对瓦斯爆炸极限进行分析,而对煤自燃过程中不同阶段产生的混合气体对瓦斯爆炸极限的影响分析不足,对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合致灾开展的实验研究较少。针对上述问题,通过模拟煤自燃实验装置研究了煤自燃过程中气体生成特征规律;采用20L球形爆炸装置对瓦斯混合煤自燃各个阶段生成气体进行实验,研究了煤自燃气体对瓦斯爆炸下限的影响。实验结果表明,实验煤样自燃过程中产生的可燃性气体主要为CH4,CO,C2H4,C2H6,C2H2等,其中CH4和CO体积分数最高,最高体积分数分别为0.75%和0.37%;煤自燃不同阶段产生的可燃性气体含量随自燃时间的增加和温度的升高均呈现增大趋势,煤自燃加热初期,温度小于80℃主要产生了CH4,CO可燃性气体,CO可以作为煤自燃缓慢氧化阶段的标志气体;随着自燃时间的持续,温度超过80℃后,开始产生C2H4和C2H6,随后逐渐产生C3H8气体,C2H4的出现表明煤氧化进入了加速阶段;煤氧化自燃后期,大约到220℃时出现C2H2,此时煤进入激烈氧化阶段;低体积分数的CO能抑制瓦斯爆炸,高体积分数CO能促进瓦斯爆炸,导致爆炸压力变大,爆炸下限降低;煤自燃过程中产生的混合气体增大了瓦斯爆炸压力,爆炸下限最大降低了0.55%,瓦斯爆炸的危险性变大。

不同变质程度煤体瓦斯解吸迟滞特征实验研究

煤体瓦斯解吸过程与吸附过程相比不具有完全可逆性,解吸相对吸附存在迟滞特征,需要对瓦斯解吸迟滞特征及其相关影响因素进行系统研究。在合理选择拟合模型的基础上,利用煤体瓦斯吸附与解吸动力学实验装置分别开展了煤样在不同变质程度、不同含水率、不同温度和不同粒径下的瓦斯吸附和解吸实验,得到了瓦斯吸附和解吸曲线,计算了不同条件下煤体瓦斯的解吸迟滞系数。结果表明:随着变质程度增加,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积先减小后增大,解吸迟滞程度呈现“U”型变化;随着煤样水分含量增大,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着实验温度升高,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着煤样粒径减小,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱。解吸迟滞特征会对瓦斯含量直接法测定和吸附常数测定产生负面影响。

含瓦斯煤受载损伤演化声发射特性实验研究

搭建了含瓦斯煤单轴压缩信息采集系统,测试了煤样受载破坏过程中声发射及力学特性参数的变化,并对煤岩损伤演化模型及声发射特性进行了深入的分析研究。研究结果表明,含瓦斯煤在受载破坏过程中能够产生声发射信号,在受载前期声发射信号较少,受载后期较多,载荷峰值附近声发射信号达到最大值;声发射脉冲数及能量与载荷的变化趋势一致,能够直观地反映含瓦斯煤损伤程度;基于声发射特性参数的损伤演化模型,根据声发射脉冲数及能量所计算的损伤值与实测值变化趋势基本一致;作为前兆信息,声发射信号能够表征煤岩损伤演化规律,反映煤岩受载破坏状态。该研究成果将为现场煤岩瓦斯动力灾害的监测及预防提供参考。信号能够表征煤岩损伤演化规律,反映煤岩受载破坏状态。该研究成果将为现场煤岩瓦斯动力灾害的监测及预防提供参考。

赵官煤矿瓦斯地质逐级控制及主控因素分析

针对赵官煤矿瓦斯分布不均,局部瓦斯积聚的情况,从区域煤田到矿区地质再到矿井瓦斯地质,应用瓦斯地质逐级控制理论,较好的阐述了赵官煤矿的瓦斯富集区域及其井田瓦斯赋存特点。通过对影响赵官煤矿瓦斯赋存规律各主控因素的综合分析,得出煤层埋藏深度、岩浆岩侵入状况、断层基本形态、煤层顶底板岩性是影响瓦斯赋存规律的主要因素,并提出了针对性的区域瓦斯灾害防治技术措施。

厚煤层沿底掘进工作面瓦斯涌出及防治技术

为了解决厚煤层沿底煤巷掘进过程中绝对瓦斯涌出量过高的问题,首先推导了煤壁绝对瓦斯涌出量的理论计算公式,基于理论公式,对成庄矿4219煤巷绝对瓦斯涌出量进行了预测,根据瓦斯涌出量预测值与实测值的对比结果表明当巷道掘进长度越大时,公式预测值越接近于实测值。瓦斯涌出量预测值和实测值均说明4219煤巷在今后的掘进过程中煤壁瓦斯涌出量处于居高不下的态势,为了降低煤壁瓦斯涌出量,实施了双巷掘进迈步式抽放系统。根据瓦斯含量测定结果,瓦斯含量较以往大大降低,为巷道的安全掘进提供了保障。

泊里煤矿煤层自燃分级预警体系研究

泊里煤矿15#煤层属Ⅱ类自燃煤层。为了精准预测预报煤层自燃情况,做好矿井火灾防治工作,需要建立适用于泊里煤矿的煤层自燃分级预警体系。以泊里煤矿15#煤层煤样为研究对象,进行煤自燃实验,分析实验的气体产物及其浓度、比值随温度的变化规律,确定煤层自燃的标志气体及其临界值。实验结果表明,煤氧化自燃过程不同阶段的反应特征和气体产物存在差异,经过分析选取CO、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(4)/C_(2)H_(6)作为预测预报的标志气体,提出了对应的煤层自燃分级预警体系,为矿井煤层自燃进程预测预报和主动防控工作提供了理论依据。

阻封材料对煤堆自燃的防治

煤堆放在露天储存场,因其自身内部结构以及与空气中的氧气发生氧化反应最终导致自燃,拟采用一种阻封材料来治理煤堆自燃。通过对湖南长安电力益阳电厂煤堆进行实地对比试验,观察新型阻封材料对煤堆的温度变化影响。结果表明,阻封材料具有良好的封堵性能,可明显降低煤堆温度,保持了煤堆边坡的完整性,从而验证了阻封材料防治煤堆自燃的有效性。

煤自燃过程特性及防治技术研究进展

煤炭是我国的主体能源,但煤炭开采面临着有煤自燃灾害的严重威胁。煤自燃不仅烧毁大量煤炭资源,还易引发瓦斯燃烧、爆炸等重特大事故,造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡。为了进一步提高煤矿企业对煤自燃灾害的防控能力,推动我国煤炭资源的安全高效开采,分析了煤自燃理论的研究现状,总结了煤自燃监测预警的主要方法和技术,对比分析了煤矿常规的防灭火技术,介绍了煤自燃防治技术的最新发展及应用效果,并提出了煤自燃过程特性及防治技术的未来研究方向。较详细地阐述了煤自燃过程及特性理论基础,主要包括煤自燃的低温氧化过程机制、煤自燃分段过程特性及特殊条件下的煤自燃特性;较全面地总结了包括标志性气体方法、测温法等多种煤自燃监测预警技术的原理以及各类技术的优缺点。在上述煤自燃理论和监测预警基础上,针对常规注浆、注惰气等技术对煤自燃防控效果有限、难以满足矿井安全高效开采的问题,研发了三相阻化泡沫、凝胶泡沫、无机固化泡沫、稠化砂浆等防灭火技术,同时介绍了液氮(液态二氧化碳)快速灭火降温技术。此外,为了满足煤矿智能化、精准化开采对矿井煤自燃防治的新要求,在矿井火灾监测指标信息化与预警智能化、火源辨识与防治技术控制精准化、防灭火材料绿色化等方面提出了下一步的研究展望。

高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理研究

为解决高瓦斯易自燃煤层安全生产过程中的关键难题,结合阳泉矿区石港矿实际情况,利用实验室试验、理论分析和现场实测相结合的方法对高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理进行研究。结果表明:高瓦斯易自燃煤体在含瓦斯风流不同瓦斯体积分数条件下,氧化产物总体上呈现"滞缓效应",而在等温条件下,随着CH4体积分数的增加煤自燃氧化产物总体上呈现"抑制效应";立体抽采条件下采空区漏风使得自燃"三带"范围变宽,同时利用高抽巷和尾巷CO体积分数可进行采空区自然发火预测,将自然发火划分为两个阶段;高瓦斯易自燃采空区立体抽采条件下散热带可采用氧气氮气体积比等于0.221来进行划分,自燃带仍可采用氧气体积分数5%来进行划分。

综掘工作面干式过滤除尘技术实验研究及实践

煤矿粉尘易诱发严重的矿工尘肺病和煤尘爆炸,然而现有的湿式除尘技术净化效率普遍不高。针对煤矿综掘工作面环境条件特点,分析认为应用于综掘工作面的干式除尘技术的主要影响因素为空气喷雾、清灰均匀性以及清灰策略等。为此,构建了干式过滤除尘实验系统和样机,测试发现适度的喷雾量(2 200 m L/min)有利于提高过滤性能;滤筒内安装正椎体或柱锥体可以改善喷吹流场;而正序和逆序清灰策略则分别更有利于改善清灰效果和降低粉尘排放浓度。研制了KCG-200D干式除尘器并应用于葛泉煤矿,现场全尘和呼尘除尘效率分别为97.39%和96.41%。

基于千米钻机的“三软”煤层瓦斯治理技术及应用

在系统分析了三软煤层综放开采工作面超前支撑应力及采空区垂直区带划分的基础上,结合煤矿地质特点,提出了基于千米长钻孔技术的"三位立体"瓦斯综合治理技术措施,并进行了现场实际应用。研究结果显示:实施该技术措施后,51109工作面煤层瓦斯抽采率显著提高,达67.3%,风排瓦斯浓度降至0.3%,工作面瓦斯涌出不均匀系数由2.5降至1.6,瓦斯频繁超限的难题得到有效的解决,表明"三位立体"瓦斯综合抽采技术措施是一种适合该类地质条件的煤矿瓦斯综合治理技术方案。

煤与瓦斯突出远程智能监测预警系统研究

针对目前煤与瓦斯突出预警在自动化程度、准确性等方面的需求,开发了煤与瓦斯突出远程智能监测预警系统,介绍了系统构成及信号监测、干扰识别、信号传输、预警准则等关键技术。该系统以声发射、电磁辐射和瓦斯浓度为预警指标,可实现对突出演化过程声-电-瓦斯信号的远程监测和综合预警,并能够根据机电设备开停信息自动识别与滤除干扰信号,提高了煤与瓦斯突出预警的准确性。应用结果表明,该系统具有较高的预警准确性,可提前8~24h捕捉到煤与瓦斯突出危险信息。

综采长壁工作面推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制作用

基于采动裂隙椭抛带理论,确定了采动优势瓦斯通道带的上、下边界,构建了采动优势瓦斯通道带的时空形态理论模型。以淮北祁南矿34下采区为原型,开展了上覆岩采动瓦斯通道扩展数值仿真研究,发现优势瓦斯通道在上覆岩的空间位置随推进速度的增加而降低,发育高度、宽度和范围随推进速度的增加而减小等特征。以此为依据,对综采工作面推进速度加快后的高位钻孔参数进行了相应调整,并在祁南矿34下2工作面开展了卸压瓦斯抽采人工导流试验,现场试验结果验证了高位钻孔参数依据推进速度而进行的优化是合理的,从而也验证了本文提出的推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制规律是正确的。

基于热-流-固体系参数演变的煤与瓦斯突出能量演化

基于气固耦合作用条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程,从热力系统能量守恒的思想出发,探讨了突出过程中多变指数的实时演化,并根据动态变化的多变指数推导出了多变过程中的瓦斯膨胀能的计算方法,在此基础上讨论了突出过程中的能量释放问题。研究结果表明:煤体不同区域的应力变化在突出过程中共呈现3种类型,即:初始下降—波动升降—平稳回升型、初始上升—小幅下降—平稳回升型和小幅下降—平稳回升型;煤体内瓦斯压力变化过程呈现两种类型,即:初始下降—波动升降—平稳下降型与平稳下降型;煤体温度则在突出过程中表现为单一的持续下降过程。煤体卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的多变过程,突出中期为定温过程,突出后期为定温-定压相互转换多变的过程;应力升高区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期主要表现为定温过程;原岩应力区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期处于一个定温-定压-定熵相互转换的多变过程。突出过程中煤体的弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区,煤体内各区域的弹性应变能的释放都会经历一个下降随后回升的现象,且该过程中各区域的弹性能不会一次性完全释放。突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大,膨胀能的释放并不是一个连续的过程,而是呈现阶段波动式,这种波动在突出后期尤为明显。根据本文的研究,在煤体物理力学性质确定的前提下,单独释放弹性应变能或瓦斯膨胀能都可以达到降低突出发生风险的目的,若同时对两者进行处理,则突出风险降低的概率更大。

煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题

对我国煤矿发生的重特大事故进行统计表明,热动力灾害(火灾与爆炸)是煤矿重特大事故中占比最高、致灾最严重的灾害。当前对其成灾原因、致灾作用和救灾风险等还认识不足,导致对热动力重大灾害的预防和处理仍缺少有效方法与技术,造成热动力重特大事故至今时有发生、救援处理常面临困境。针对防范与遏制煤矿热动力重大灾害的迫切需求,通过系统的国内外案例统计分析、亲历的事故救援经验总结和长期的深入研究与思考,凝练提出了煤矿热动力重特大事故防治需要解决的3个关键科学问题:采场中气、固相可燃物(瓦斯与煤)复合燃烧及点火特性,热动力灾害致灾因素与通风系统耦合的致灾作用,热动力灾害救援的不确定性风险特性与应对。为解决这些科学问题,需要有针对性地加强和完善瓦斯抽采与顶板控制技术,预防含瓦斯混合空气的形成,减少和控制矿井顶板周期来压造成的压电效应,消除瓦斯燃烧或爆炸的最初点火源,提高矿井的防灾能力;掌握冲击波与烟流在通风系统中传播范围及致灾程度的规律,构建可靠通风系统和有效避险系统,提高矿井的减灾能力;开发发现和处理不确定性风险的方法与技术,提高矿井的救灾能力。这些科学问题的研究解决,可突破现有技术瓶颈,提高预防煤矿热动力灾害、防止事故扩大和应对不确定性风险的能力,为防范与遏制热动力重大灾害事故、保障我国煤炭工业健康可持续发展提供借鉴。

基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体实验研究

利用搭建的高压击穿电热致裂煤体试验系统,以贵州林华煤矿的无烟煤为研究对象,研究了在空气环境下高压击穿电热致裂煤体的可行性,并对高压击穿电热致裂煤体的宏观和微观特征进行了研究。实验结果表明,在针-针电极下,空气介质的击穿场强为18.0～18.3 k V/cm,煤体的击穿场强为0.3～0.8 k V/cm,无烟煤的击穿场强小于空气的击穿场强。在相同条件下,各个煤样的击穿电压和破坏特征均不相同,击穿电压在20～41 k V,煤样主要有3种破坏类型。高压击穿电热致裂煤体过程中,等离子体通道位置的煤样呈现出烧灼状态,形成了大量裂隙和孔隙。同时,等离子通道周围煤体在高温条件下发生氧化反应,形成了新的氧化产物。

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。