低浓度瓦斯井筒加热智能远程监控技术研究

针对低浓度瓦斯井筒加热,设计一套瓦斯蓄热氧化井筒加热远程监控系统。首先,根据低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热系统的特点,设计系统的总体架构;其次,对井筒加热远程智能监控系统的硬件系统设计、组成和配置进行详细的阐述;再次,对该监控系统的软件系统总体要求进行分析并详细介绍软件系统的组态过程;最后,对系统应用功能和界面进行展示。通过该监控系统,可以实现远程查看现场工业电视监控画面,了解现场设备运行情况,保障系统安全可靠运行。

低浓度瓦斯金属纤维燃烧技术与实验研究

为了减少煤矿低浓度瓦斯排放、降低大气污染,实现国家节能减排目标,开展了低浓度瓦斯金属纤维燃烧研究。分析了低浓度瓦斯采用金属纤维燃烧存在的优势;基于低浓度瓦斯易燃易爆特性、气体中含有灰尘和水分等因素,选择含有稀有金属钇的集束铁铬铝长纤维针织物制作低浓度瓦斯金属纤维燃烧器;进行了燃烧器的结构、热负荷及金属纤维辐射面积等设计;最后开展了燃烧实验。结果表明:低浓度瓦斯采用金属纤维燃烧器燃烧时,其甲烷体积分数下限为5.0%;金属纤维燃烧器的金属纤维织物内侧温度与燃烧强度呈负相关;金属纤维燃烧器的气流分布板内侧温度则随着燃烧强度增加呈现先升后降,在瓦斯甲烷体积分数为8.1%、燃烧强度为400 kW/m^(2)时,气流分布板内侧温度最高,达到248℃,远低于甲烷的热自燃温度,低浓度瓦斯采用金属纤维燃烧器燃烧不易发生回火。

深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统

深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度30 GN/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60℃,可满足在相似比为0.6~1.0条件下,1000~1500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg,还原现场突出煤量34.8 t,突出煤样的分选性不显著,呈现出典型压出型突出表象特征,与实际情况相符合,证明了该套系统的适用性及功能性。

我国煤矿瓦斯灾害超前大区域精准防控技术体系及展望

为满足煤矿自动化、智能化生产的快速发展及区域防突的迫切需求,推动煤矿大区域瓦斯灾害治理技术体系发展,针对传统煤层钻孔瓦斯抽采技术“钻不深、抽不出、检不了”等技术难题,系统分析近年来定向钻进、地面井、分段水力压裂、深孔取样、随钻探测等技术与装备在各大矿区不同地质条件下的应用效果。结果表明:目前已形成了基于大区域超前随钻地质勘探及预测、大区域地面及井下瓦斯抽采、非接触式连续在线动态预测等关键技术组成的煤矿瓦斯大区域治理技术体系,为推动煤层瓦斯治理技术的升级变革,实现不用或少用专用瓦斯治理巷道综合治理煤矿大区域瓦斯的目的奠定了基础。最后指出未来将发展核磁探测、伽马、雷达、深孔光纤等探测技术,以实现煤岩及地质异常体识别、瓦斯参数精确测定;发展地面水平井体积压裂高效开发及井上下联合增渗等技术,以提升井上下联合预抽效果;发展区域化超大流量压裂泵组或压裂工厂、连续油管压裂等技术与装备,以提升煤矿井下区域化增渗效果;发展风险信息融合感知、突出前兆特征智能识别、瓦斯超限预警等技术,以实现区域连续精准预测及智能预报警。

区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集技术研究

以各级煤矿安全监管监察部门、矿业集团公司对辖区内所有煤矿瓦斯灾害风险宏观预警为出发点,指出区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据具有多源、异构、海量、多维等特征,数据采集存在信息不全面及模式单一、维度固化等问题;将区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据分为区域内矿井自然环境风险数据、区域内矿井生产系统风险数据、区域内矿井瓦斯防治风险数据、宏观安全环境风险数据4类;介绍了具有结构化特征的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据、具有半结构化特征的监管监察执法检查数据、具有非结构化特征的煤矿音视频监控数据的采集技术,重点研究了基于.NET Core跨平台Web API的煤矿安全监控及瓦斯灾害预警数据采集技术,以及基于主题网络爬虫的宏观安全环境风险数据采集技术;设计了适用于互联网环境的区域煤矿瓦斯灾害风险预警数据采集系统,现场试验表明,该系统能够全面、可靠、及时地采集区域煤矿瓦斯灾害风险预警基础数据。

基于信息化技术的矿井通风瓦斯灾害预警平台建设与应用

开发建立了通风在线监测及分析预警系统和煤与瓦斯突出综合预警系统,并建立了信息采集支撑系统,形成了矿井通风瓦斯灾害预警平台。该平台现场应用效果良好。

煤裂隙粗糙度和开度对注水渗流影响的实验研究

【目的】煤层注水是矿井除尘、防治煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害的关键技术措施,而裂隙粗糙度、开度等形态特征对煤层注水效果具有显著影响。【方法】借助砂纸和聚酰亚胺高温胶带制备了含有不同粗糙度和开度裂隙的煤样,利用激光光谱共聚焦显微镜精准计算裂隙粗糙度参数,测试裂隙煤样渗流量。【结果和结论】结果表明,表面高度偏差Ha、表面最大高度Hz和三维形貌分形维数Ds可以作为表征煤剖面粗糙程度的参数。煤体渗流量随Ha、Hz和Ds的升高呈指数降低趋势,随着剖面粗糙度从4.69提高到18.43,裂隙内的渗流量最高下降84.42%。裂隙开度在60~90μm时其粗糙度对渗流的阻碍效果达到最高,此后粗糙单元阻碍效果开始减弱,裂隙开度在渗流过程占据主导作用。煤体渗流量随裂隙开度的升高呈指数升高的趋势,裂隙开度由30μm提高到150μm,裂隙渗流量最高可增大355.88倍。通过对裂隙开度和粗糙度与渗流量关系的深入探究,明确了两者在煤层注水过程中的关键作用机制,强调在煤层注水实践中应充分考虑裂隙形态特征,依据不同的裂隙开度和粗糙度情况合理选择注水方式,以实现煤层注水效果的有效提升。

煤矿井上下联合抽采瓦斯关键技术研究及应用

为解决煤矿井下压裂增透效果较差难以高效抽采瓦斯的问题,提出了煤矿井上下联合抽采瓦斯的模式,建立了基于地面井与井下钻孔抽采的方法;利用地面老井和井下钻孔通道,形成了一套长距离、多拐弯、大排量及可携砂的地面压裂井下对接技术。获得了水力压裂裂缝破裂扩展规律,给出了不同条件下煤层水力压裂裂缝形态,得到了压裂半径理论计算公式。提出了井上下联合地面井位置优选原则,给出了基于井上下联合的水力压裂设计方案。在寺河矿开展了井上下联合2个压裂孔的增透抽采试验,试验结果表明:1#压裂孔累积抽采量为50.31万m^(3),2#压裂孔的顺层考察孔2和顺层考察孔3抽采瓦斯纯量分别为238.35万m^(3)和129.29万m^(3),压裂孔及对比考察孔抽采效果分别提高6.34倍、43.8倍及31.37倍,压裂后平均抽采量比原始钻孔提高33.14倍,压裂后煤层具有较好的增透抽采效果。实现了井上下联合抽采瓦斯,对于同类型的矿井具有较好的指导价值。

瓦斯灾害区域安全态势预警技术

为进一步提高我国煤矿瓦斯灾害区域防控能力、提升监管监察执法效能,研究了瓦斯灾害区域安全态势预警技术。根据我国煤矿监管监察行政管理模式,将预警区域划分为全国区域、省(市)级区域、煤监分局管辖区域、地市级行政区域4个区域层级,并根据分级管控的需要将预警划分为蓝色、黄色、橙色、红色4个等级,其对应的风险程度依次升高;从区域煤矿固有自然属性、矿井布局及采掘条件、事故的时空规律、宏观技术和经济政策、矿井重大隐患5个方面建立了瓦斯灾害区域安全态势预警指标体系,并构建了基于层次分析法的预警模型,实现了多指标的融合分析与决策;设计、开发了瓦斯灾害区域安全态势预警软件系统,实现了数据的动态采集与存储、综合分析和实时预警。

余吾矿瓦斯灾害综合预警技术研究

为了实现矿井瓦斯灾害过程控制,起到超前提醒作用,把瓦斯灾害遏制在萌芽状态,余吾煤矿结合矿井实际条件建立了瓦斯灾害综合预警平台。根据影响瓦斯灾害的各种因素建立预警模型,通过人工智能分析计算,实时发布预警结果,并建立预警响应机制,根据不同预警结果,采取安全措施,指导矿井生产实践。该预警系统有效遏制瓦斯灾害的发生,给瓦斯灾害应急响应预留了充足时间。

基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。

煤矿多灾害智能防治与智能监控技术

煤炭是我国经济社会发展中重要的能源战略资源。随着我国能源结构的不断优化,煤炭在能源消费中占比逐步下降,但仍发挥着兜底保障作用。促进煤炭资源安全高效绿色开发、清洁高效利用是煤炭行业发展的必由之路,是实现“双碳”目标的重要保障之一。为实现煤炭资源安全高效开采的目的,须提升煤矿智能化水平。国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》对我国煤矿智能化建设进程提出了明确要求,到2035年各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。

基于S7-1500R冗余技术的瓦斯抽采监控系统设计

针对瓦斯抽采监控系统中出现PLC控制器故障导致监控系统无法对瓦斯抽采系统进行监测和控制,设计了一种基于S7-1500R冗余PLC的瓦斯抽采监控系统;通过对PLC的CPU、电源、RS485接口等进行冗余设计,对PLC的硬件进行组态、编程和上位机组态软件编程,实现了对瓦斯抽采系统进行无人值守的监控功能,有效提高了瓦斯抽采监控系统的稳定性和可靠性。现场实际运用情况表明:当S7-1500R冗余PLC的1个CPU、电源、RS485通讯口、Profinet网线等部件出现故障时,系统能够自动切换到备用的CPU、电源和RS485通讯口继续工作,瓦斯抽采监控系统仍能正常监控,不影响瓦斯抽采系统的正常运行。

近距离高瓦斯煤层群矿井瓦斯灾害治理技术研究

为了解决乌达矿区高瓦斯煤层群开采条件下瓦斯灾害治理难题,采用DGC瓦斯含量直接测定装置开展了大量试验,并结合多元回归分析的方法,获得了矿区主采煤层瓦斯基本参数的预测模型;基于此,采用长距离定向钻孔对回采工作面实施大面积区域预抽,并在回采时结合高位钻孔对卸压瓦斯实施抽采,解决了本煤层及邻近层瓦斯预抽和上隅角瓦斯超限难题,形成了近距离高瓦斯煤层群瓦斯灾害治理技术。

实验室瓦斯解吸数据自动计量装置

针对排水直接观测体积的方法在实验室测定瓦斯解吸量过程中,存在人员参与环节多、人员读数误差大、测定流程复杂等问题,提出了排水称重测定瓦斯解吸量的方法,该方法可通过质量、密度和体积三者之间的关系,将瓦斯解吸过程中排出水的质量换算为瓦斯解吸体积。采用基于PC电脑机的LabVIEW上位机和PLC技术将基于上述方法的实验室瓦斯解吸测定流程进行了自动化设计,开发了包含工控系统、解吸系统和数据处理系统的自动计量装置,实现了测定过程中排水质量、解吸环境温度和压力等数据的实时自动采集,完全避免了人工读数可能产生的误差,减少了人员参与程度。应用结果表明,该自动计量方法有助于提高瓦斯解吸量测定结果的准确性,误差可降低10%以上。

采动应力场分布特征及其对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用分析

以实际发生动力灾害的采掘工作面为模拟原型,在模拟分析采场和巷道应力分布特征的基础上,分析了不同应力分布对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用,得出了采场易于发生应力主导型的动力灾害而巷道更易于发生瓦斯作用为主导的、高强度的煤岩瓦斯动力灾害的规律特征,并举例对上述分析做了论证。

超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术研究进展

基于煤矿瓦斯减排要求及超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术的应用现状,介绍了超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术的工作原理,梳理了超低浓度瓦斯蓄热氧化技术从借鉴有机化合物处理经验开始至数学模型优化指导工业化设计的发展历程,并对国内外主要研究方向及研究进展进行了阐述,包括惰性蓄热填料通道内反应动力学机理、燃烧反应热波移动规律、数值模拟及验证、氮氧化物排放及大尺度试验研究等方面。对超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术研究过程中存在的矛盾之处,如简化反应机理、反应产物及动力学参数等方面进行了探讨,并分析和预测了超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术研究的趋势。对该技术领域的科学研究、数值模拟计算、设计优化及工程应用等具有一定的指导意义。

松软突出煤层全孔段下放筛管瓦斯抽采技术研究

针对松软突出煤层松软、透气性低、施工瓦斯抽采钻孔成孔率低等问题,开发出全孔段下放筛管瓦斯抽采技术,并在平煤十矿、新集一矿对该技术进行了现场试验。结果表明:松软突出煤层全孔段下放筛管技术的筛管下入率可达97%以上,与传统退钻裸眼瓦斯抽采技术相比,平煤十矿的单孔平均瓦斯抽采浓度可提高2倍以上,单孔平均瓦斯抽采量可提高3.5倍以上;与普通下放筛管瓦斯抽采技术相比,新集一矿的瓦斯抽采浓度提高近1倍,达到了预期效果。

突出过程中煤—瓦斯两相流运移规律的实验研究

为了深入探索煤与瓦斯突出过程中煤—瓦斯在巷道内的运移规律,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟实验装置,在"H"型巷道布置条件下进行了突出过程煤—瓦斯两相流运移规律的实验研究,结果表明:在气体压力0.35 MPa时共突出煤粉60.453 kg,煤粉主要堆积于主巷内,且呈梯形分布,联络巷与支巷内几乎没有煤粉堆积;沿巷道同一测点的气体压力在极短时间(t<1.5 s)内发生多次波动,主巷道内不同测点气体压力峰值基本沿巷道呈衰减趋势。同时,通过实验验证了突出过程冲击波的存在,主巷内冲击波传播速度为368.1~434.2 m/s。

乏风瓦斯蓄热氧化利用的技术经济分析

介绍了乏风瓦斯氧化的原理和氧化方式研究现状,对乏风瓦斯氧化后热能利用的技术性进行了探讨,并以采用蒸汽余热发电方式为例,对乏风瓦斯氧化及热能利用的经济性进行了具体分析。