非等温吸附变形条件下瓦斯运移多场耦合模型研究

基于已有相关渗流理论和多物理场耦合理论,初步探讨了煤体的吸附解吸变形及温度对瓦斯含量的影响,并建立了关于应力场、渗流场和温度场之间瓦斯运移的多物理场耦合模型,借助数值分析软件(Comsol Multiphysics)对模型进行了有限元分析求解,分析了淮南矿业集团潘三煤矿13-1煤层瓦斯压力、含量等随埋深的变化规律及煤层温度和煤的吸附变形对瓦斯分布的影响。结果表明:该模型模拟结果与煤层实际瓦斯赋存特征基本相符。

受限空间瓦斯爆炸与氢气促进机理研究

为探索受限空间中瓦斯爆炸及氢气对爆炸过程的影响,采用GRI-Mech 3.0甲烷燃烧机理,建立受限空间中瓦斯爆炸的数学模型,应用CHEMKIN软件,对受限空间内瓦斯爆炸过程及氢气对反应物浓度、活化中心浓度、主要致灾性气体浓度的影响进行模拟分析。通过对反应机理的敏感性分析,找出影响瓦斯爆炸及爆炸后主要致灾性气体生成的关键反应步。结果表明:混合气中分别充入0.5%,2%,3.5%氢气时,爆炸时间分别提前0.005 7,0.010 5,0.011 1 s;爆炸后压力分别提高2.53,4.05,7.60 kPa;爆炸后温度分别提高20,60,100 K。由此可见,随着混合气中氢气含量的增加,瓦斯引爆时间越来越短,其爆炸强度也随之增大,且氢气在一定程度上对有害气体CO,CO2,NO,NO2的生成有很大影响。

矿井热环境人体热舒适性研究

通过对热平衡条件下矿工皮肤平均温度、排汗率、皮肤湿度和工作时间上限等主观热应力指标的计算分析,发现在满足一定环境湿度条件下可将回采工作面干球温度上限放宽至28℃。在此基础上,应用人体热平衡模型,结合实测数据提出含有多个主客观指标的热舒适区图概念。在同时满足矿工热平衡及出汗率条件下,根据从事一定劳动强度的矿工所对应的皮肤平均温度曲线将热舒适区图划分为非工作区、舒适区及禁止工作区。采用兖州煤业集团东滩煤矿某回采工作面实测数据及流场、温度场模拟结果,验证了干球温度上限有条件地定为28℃及热舒适区图的正确性。

护巷煤柱宽度与回采巷道支护的数值模拟研究

基于铁法晓明矿N2709综采工作面煤层赋存条件,采用FLAC2D数值模拟分析了区段护巷煤柱宽度为3,5,8,12,15,17,20,25 m条件下煤柱支承压力分布情况和巷道围岩变形破坏特点,确定工作面护巷窄煤柱合理宽度为3 m,并对该窄煤柱进行了回采巷道锚网索联合支护设计。通过现场矿压观测,证明了锚网索联合支护效果较好,不仅保证了巷道的安全稳定,而且提高了煤炭采出率。

基于微地震监测技术的顶板高位钻孔优化技术研究

应用微地震监测技术对煤层顶板的裂隙空间进行了监测,并对瓦斯抽放空间的范围进行了探讨,针对微震数据采用Visual Studio平台进行显示功能的开发,并能加载到AutoCAD菜单当中,对微震数据进行了三维展示,显示时间、空间裂隙场的演化过程,以及固定工作面的微震空间分布,并分析了微震场的空间分布特征,根据分析结论编制了高位钻孔瓦斯抽放优化程序,对采场进行了高位钻孔优化,得出了基于微地震监测技术的高位钻孔的优化参数。

矿井通风系统风速故障源诊断技术在大明矿的应用研究

通风系统风流发生变化,从整个网络角度考虑都可以归结为分支的风阻发生了变化。从这一角度分析了大明矿分支风阻变化与各分支风量之间的关系,提出了风阻-风流变化影响关系矩阵法,确定可能使风速异常的巷道集合——故障巷道集合,建立通风网络"故障巷道范围库"。为了故障源诊断能够包含所有分支,研究风速传感器布置的最小数量及位置问题,提出了最少全覆盖布点法,给出了大明矿风速传感器的布置方案。大明矿故障源诊断结果与现场试验结果一致,验证了矿井通风系统故障源诊断技术及方法的可行性。

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出:在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。

上行通风火灾旁侧支路风流逆转FDS模拟研究

以FDS模拟旁侧支路风流逆转,验证动态法的合理性。设计含有三条并联支路的通风网络为研究对象,一条为着火支路,另外两条为旁侧支路。根据支路长度和初始风速的不同组合方式,计算7个算例,比较各支路初始风速与长度的乘积与风流逆转时间的关系。结论:初始风速与长度的乘积小的旁侧支路先发生风流逆转。

高海拔压力环境对炸药猛度影响的实验研究

为了研究高海拔压力环境下炸药猛度的变化规律，将膨化硝铵炸药和三级煤矿许用乳化炸药放置在密闭容器中，通过抽气模拟海拔0-4500m下压力环境，测量此环境下炸药猛度。实验结果表明：在高海拔压力环境下，膨化硝铵炸药猛度基本不发生变化，而三级煤矿许用乳化炸药猛度随着海拔高度的增加而增大。

改进灵敏度矩阵的矿井通风故障源诊断及传感器布置研究

利用当前的矿井通风安全监测监控系统,只能反映安设风速传感器的井巷风量发生变化,至于变化是由该条巷道故障引起的,还是由于拓扑关系原因引起的,都无法诊断故障源,通风系统的故障可以归结为分支的风阻发生变化。如果分析每一条分支风阻变化对通风系统的影响,即每一条分支都安设风速传感器是不可能的。因此,井下风速传感器的布置最小数量及位置问题也是研究的重点。改进灵敏度矩阵,建立分支灵敏度0-1矩阵和通风网络故障巷道范围库,用以确定可能引起风速超限的故障巷道范围。最后,提出最少全覆盖布点法,给出分支覆盖度和影响巷道范围库的概念,用以求得风速传感器的宏观布点。

三进两回通风系统采空区瓦斯运移规律及其治理研究

针对晋煤集团寺河矿二号井现采采空区瓦斯涌出量大且采用"并列双U"三进两回通风系统的特点,通过应用CFD模拟技术对采空区瓦斯分布进行了数值模拟,得出不同边界条件下采空区内高浓度瓦斯聚集区域和采空区瓦斯引排、抽采可行性研究结果,从而为该矿制定采空区瓦斯治理措施提供了科学依据。

瓦斯输送管道内抑爆过程数值模拟研究

基于流体动力学和燃烧理论，建立了管道直径为500 mm的瓦斯爆炸数学模型，借助Fluent流体力学软件，采用有限速率燃烧模型，对管道内甲烷预混气体爆炸后被惰性气体熄灭的过程进行了数值模拟研究，考察了瓦斯被点燃后，喷入不同流量高压、低温二氧化碳气体后管道内的燃烧流场特性。结果表明，二氧化碳喷入量低于12 kg/s不能使管内火焰熄灭；二氧化碳喷入量大于16 kg/s时，能大大降低管道内混合气体温度，同时降低甲烷和氧气浓度，导致火焰在二氧化碳喷入口所在管道截面处熄灭。此过程中管内最大反应速率降低过程可分为3个阶段，其中2个快速降低阶段均符合幂律模型。二氧化碳喷入量在16～100 kg/s时，火焰熄灭时间先迅速变短后变化缓慢；模拟结果与试验结果吻合较好。研究结果可为煤矿防爆抑爆研究工作提供理论依据和参考，同时对保障煤矿安全生产和人民生命安全也具有重要的现实意义。

炮采煤层工作面瓦斯涌出规律的数值模拟研究

研究煤层瓦斯在采动影响下的流动规律是煤矿安全生产的一个关键性问题。考虑爆破振动和固体骨架可压缩因素,建立了炮采煤层掘进面煤与瓦斯流固耦合数学模型。应用FLAC3D差分程序,利用fish语言将变化的孔隙率和渗透率引入到计算中,模拟了煤层在爆破振动作用下掘进面瓦斯流动规律。仿真结果表明:炮采煤层工作面处岩体受振动影响破坏程度较大,巷道顶板位移较小,岩体的破坏主要集中在工作面附近;煤层中的瓦斯压力由远处至工作面逐渐减小,距工作面5米以内的煤层瓦斯压力梯度较大;炮采时,掘进面附近瓦斯压力梯度较大,沿掘进方向孔隙压力呈非线性分布,机掘时,沿掘进方向孔隙压力呈线性分布。

旋转水射流割缝提高穿层钻孔抽采效果的试验研究

从旋转射流的理论基础和煤岩失效2个方面对旋转射流割缝的机理进行了研究。通过扩大穿层钻孔直径,增加了煤层暴露面积和卸压范围,提高穿层钻孔的抽放效果。结果证明,旋转水射流割缝技术技术可行,抽采效果显著,是提高穿层钻孔抽采效果的有效途径之一。

煤低温氧化自热模拟研究

针对煤低温氧化实验装置系统,在煤样平均粒度为2.0mm、装填系数为0.75～0.85、空气流速为10cm/min、相对湿度为80%～85%的条件下进行了3个煤样的实验测试;并根据热力学与传热传质学理论,遵循能量守恒定律和质量守恒定律,建立了描述煤低温氧化自热的数学模型。数值解算结果与实际试验结果得到了较好的验证,表明该模型可以用来模拟煤低温氧化自热过程,对煤自然发火期进行预测。

古书院矿坚硬顶板“三带”发育规律研究

文章运用理论计算、数值模拟和钻孔窥视现场探测的方法,研究了古书院矿15#煤层坚硬顶板的裂隙发育规律及"三带"分布。通过15#煤层"三带"分布研究,确定15#煤层的裂隙带最大发育高度。基于对古书矿15#煤层裂隙带瓦斯运移规律的研究,结合顶板岩性,为15#煤层建立抽采系统治理瓦斯的可行性、合理性论证提供依据,形成了以"顶板高位钻孔抽采、采空区埋管抽采"为核心的立体综合抽采技术。

地下开采引起覆岩破坏的三维数值模拟研究

以安家岭矿区为背景,基于连续介质的离散元方法,对地下开采引起的上覆岩层及边坡的变形破坏规律进行了三维全过程数值模拟。通过对三维位移场及破坏场模拟结果分析发现:上覆岩层的运动以朝采空区侧垮落为主,潜在节理裂隙密集时地表沉陷为一坑两底式,潜在节理仅存在与地层交界处时地表沉陷为一坑一底式,且岩体越破碎,地表沉降值越大。通过三维剖面与平面应变简化计算对比,发现两者的水平位移模式明显不同,三维模型进行边坡稳定性分析更为合理。

水与煤岩蠕变影响试验研究

为了解决煤岩体具有的流变性,而蠕变是流变的主要形式;遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。采用静载油压三轴试验机,测定不同含水率对煤岩体试件蠕变特性规律;根据含水状态对煤岩体蠕变特性影响,对煤岩蠕变模型以及参数进行了确定。该成果为含水状态下煤岩体的长期稳定性研究提供理论依据。

基于岩石长期稳定性的工程寿命预估研究

为了从岩石蠕变特性的角度对岩石工程的时效作用进行理论研究,通过对改进的西原蠕变模型进行理论分析,模拟微分方程数值曲线,从而得出与时间相关的蠕变加速度失稳判据;结合蠕变模型第三阶段的非线性特性,采用趋近系数对蠕变稳定阶段进行预测,对于非衰减蠕变破坏,通过破坏倾斜角进行预估。揭示了岩石第三阶段蠕变失稳的机理和规律,为预测岩石工程的失稳破坏及其寿命预估提供新的理论依据。

往复式隔膜泵曲柄滑块机构虚拟样机研究

采用三维建模技术建立隔膜泵曲柄滑块机构数字化模型,结合虚拟样机技术对隔膜泵曲柄滑块机构进行仿真,对连杆和十字头部分的负荷进行计算机模拟,从而为隔膜泵十字头的设计打下基础。