多层螺旋雾幕技术的喷雾模拟及降尘试验研究

为了解决掘进工作面传统喷雾除尘无法有效抑制粉尘扩散的问题,提出了一种将气动喷嘴呈螺旋状布置的多层螺旋雾幕除尘方法。采用k-ω湍流模型与K-H液滴破碎模型,通过Comsol多物理场耦合数值模拟,得出了多层螺旋雾幕速度场分布和粒子轨迹的变化规律,结合模拟结果搭建试验平台,并将多层螺旋雾幕与传统喷雾的除尘效果进行对比分析。以2层雾幕为例的模拟结果显示,喷雾2 s时就会形成明显的2层螺旋状雾幕,10 s后旋转水雾充满整个模拟区域,并且雾滴粒径较传统喷雾更小。试验表明多层螺旋雾幕的除尘效果明显强于自然降尘与传统喷雾,3 min后可将浓度470 mg/m^3左右的粉尘降到4 mg/m^3以下。

水力压裂增透技术及应用研究

为解决煤层渗透率低、瓦斯抽采率不高的问题,利用离散元软件RFPA2D-flow进行水力压裂增透数值模拟。首先,模拟不同水压力对单孔裂缝扩展的影响;然后,模拟多点水力压裂,分析中心孔单独压裂和周边孔同步压裂对裂缝扩展发育状态的影响;最后,以马堡煤矿为工作背景,基于理论分析和研究,结合现场工业试验,综合评价水力压裂增透效果。结果表明:考虑钻孔周围地应力的重新分布能够确保数值模拟结果准确可靠;诱导应力会影响后发育裂缝的扩展方向,使后发育裂缝更易与其他裂缝形成网状结构,验证水力压裂增透机制。水压力为27 MPa时,压裂有效半径的模拟结果为2.8 m,与实测抽采钻孔的有效抽采半径3 m基本吻合。

瓦斯抽采钻孔套管支护封孔技术研究

针对因漏气通道的存在使得瓦斯抽采负压不能有效提高,抽采效果差的问题,对瓦斯抽采封孔技术进行研究.通过对钻孔周围应力场分布特征进行分析,确定了顺层钻孔漏气的原因,并利用COMSOL模拟软件模拟分析了封孔段在施加主动支护力作用下的钻孔漏气情况,采用了顺层钻孔"套管支护"封孔方法.在马堡煤矿进行现场应用.结果表明:套管固孔技术使钻孔得到有效支护,与未下套管的普通抽采钻孔相比,单孔瓦斯抽采混合流量提高了10倍左右,单孔瓦斯抽采浓度提高了1.6倍左右.研究结论有助于提高煤矿瓦斯抽采效率.

下行风流火灾管道试验与烟流动力特征研究

为了明确矿井巷道通风量及角度变化对火灾的影响规律,运用矿井火灾管道试验平台及各种传感器数据采集系统,开展下行通风火灾的管道相似模拟试验,得到在不同通风机动力和巷道倾角下巷道风量、各测点温度随时间的变化规律,对下行风流火灾时的风流紊乱状态有了进一步认识。结果表明,火灾时燃烧温度迅速到达顶峰后温度衰减速度随风量增大而加快,巷道火灾高温区域随着巷道风速增大而向火源下风侧移动。增大巷道倾斜角度,火风压作用增强,通风系统稳定性降低,更容易发生烟流逆退现象。在下行通风试验中,存在一个使火风压与通风机动力大小相等方向相反的临界风速。矿井火灾烟流是否产生逆退现象与通风能力有关,通风能力越强,巷道风流克服火区阻力、保持原状态的能力越强。

煤矿粉尘防治技术的研究及应用

在影响着煤矿生产安全的多种灾害中,矿井粉尘对煤矿生产及职工健康的影响最为严重.因此,保护工作人员的身心健康,保障煤矿安全地生产是煤矿粉尘防治技术的重中之重.通过对矿井粉尘的产生过程、特征及危害的介绍,阐述了煤矿粉尘防治技术的研究现状,并以荷电喷雾降尘及磁化水喷雾降尘为主要内容对喷雾降尘技术的发展及应用进行了分析,为煤矿粉尘的治理提供了参考.

低渗透煤层中复合射孔技术的应用研究

为了解决高瓦斯低渗透煤层抽采难、抽采效果不好的问题,通过理论分析、数值模拟计算及工业试验相结合方法,研究了复合射孔爆破增透技术致裂区裂纹扩展延伸的规律;采用FLAC3D软件模拟分析了预裂缝对爆破半径的影响,并得到布控间距。三元煤矿3#煤层1312运输平巷试验结果表明,进行复合射孔爆破后,钻孔的平均瓦斯抽采浓度提高了2.16倍,平均单孔纯量提高了4.73倍,复合射孔爆破可以提高低渗透高瓦斯煤层透气性,促进了煤岩体内原生缝隙的发育。

液态CO_2相变爆破技术布孔参数优化研究

瓦斯抽采是防止瓦斯灾害最常用的技术手段之一,为了解决高瓦斯低渗透煤层抽采难、抽采效果不好的技术难题。采用液态CO_(2)相变爆破增透技术,通过理论分析、数值模拟计算、工业试验,研究了液态CO_(2)相变爆破增透技术致裂区裂纹扩展延伸规律,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件模拟分析了单孔爆破有效影响半径范围,研究了钻孔间距、致裂器间距及致裂器布置方式对致裂效果的影响,将模拟得到的抽采参数在三元煤矿1312采区进行瓦斯抽采试验,对比爆破前后的瓦斯涌出量及煤层透气性系数。研究结果表明:爆破后钻孔瓦斯涌出量衰减强度降低了77.3%,煤层透气性提高为原来的45倍。液态CO_(2)爆破钻孔布置参数优化后,可使煤层增透效果更佳,从而提高瓦斯的抽采效率,在高瓦斯低渗透煤层卸压增透方面起到了积极作用。

低渗透煤层合增透技术应用

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出低渗透煤层复合增透的方法。利用RFPA2D-Flow和FLAC3D软件分别对水力压裂裂缝的起裂、延伸与扩展规律和CO2增透钻孔内提前制造不同长度的预裂缝对爆破致裂增透效果的影响情况进行模拟。进行井下复合增透效果工业试验,运用瓦斯压力降低法分析预裂后煤层瓦斯抽采半径。结果表明:模拟注水压裂27 PMa时,割缝半径约2 m,随着煤壁预裂缝长度增加,CO2爆破致裂影响半径呈线性递增的趋势。现场复合增透后煤层抽采率显著提高,有效半径由原来单一水力压裂的2 m增加到7 m左右。

井巷除湿降温风流温度分布模型计算研究

为有效控制井下热害问题,考虑井巷中水分蒸发吸热对风流温度分布的影响,研究风流除湿降温效果。采用最小二乘法拟合水分蒸发量随岩壁温度变化的函数,作为求解风流含湿量的基础方程,建立井巷除湿降温的有限差分法数值模拟模型,应用Matlab软件编写了仿真程序进行计算,给出计算的稳定性和收敛性条件。计算结果表明,水分蒸发量是影响风流温度分布的重要因素,受水分蒸发的影响,围岩传递给空气的热量并不一定会使风流温度上升;当采取除湿降温的复合制冷方法后,风流降温迅速,且在相当长的一段巷道中保持持续降温的效果。

基于遗传-蚁群算法的单层建筑火灾疏散路径规划研究

为解决如何快速、有效地找出单层建筑火灾最佳疏散路径问题,分析火灾发生时可能影响人员逃生及最佳路径生成的因素。提出基于遗传-蚁群算法求解火灾时期人员疏散路径。运用遗传算法的快速全局搜索能力,对蚁群算法初期所需要的信息素进行快速处理;利用蚁群算法的正反馈机制,快速找出可行路径,缩短搜索时间;并运用Matlab软件对其进行仿真。结果表明:遗传-蚁群算法所求得的路径生成质量有明显提高,并缩短路径生成时间,有助于提高人员逃生效率,降低人员伤亡率。

不同磁化抑尘剂对煤粉润湿性影响规律的实验研究

针对微小粒径粉尘具有危害大且难润湿的问题,基于润湿剂与磁场对水滴颗粒的耦合改性机理,研究不同磁场强度下各抑尘剂对煤粉润湿性影响,采用座滴法测定磁化试剂的煤粉表面接触角,通过粉尘润湿机理进行分析,煤尘沉降Walker实验进行佐证,得到抑尘剂种类、浓度与磁化强度对煤粉的润湿性规律。结果表明:未经磁化的高于临界胶束浓度值溶液对煤尘的润湿能力变化不大,阴离子表面活性剂溶液对煤样的润湿能力强于非离子表面活性剂溶液和阳离子表面活性剂溶液;磁化强度为500mT的磁化溶液对煤尘润湿能力达到最佳效果。

楼房井道火灾的烟气运移-弥散中毒过程研究

为研究老式学生宿舍垃圾井底部起火产生的高温有毒气体的运移扩散过程,采用火灾动态仿真模拟软件FDS对其进行了仿真模拟,并提供应急预案参考。运用控制变量法并选择不同火灾工况对火灾危险形成规律进行分析,依据最不利原则和数值仿真模拟,探讨人体在有毒烟气热环境中的耐受时间及最佳安全疏散时间。结果表明:垃圾井起火时,走廊门与窗户均开启状态下人员逃生最困难;火灾发生后有毒气体CO蔓延使人丧失行为能力的时间为3.95 min,是主要危险因素;18 m垃圾井起火后产生烟囱效应,六楼(顶楼)受灾最严重,可用疏散时间仅为10 s;改造竖向垃圾井顶部为开口状态可降低疏散通道CO质量分数为原来的1/45~1/30,延长疏散时间到8 h,为人员安全疏散提供了保证。

超长煤巷监测数据背景CO筛查及自燃预判研究

为了解决超长双煤巷自燃发热的早期预报问题,在自燃标志气体分析法失效的情况下,运用井下监测系统大数据的CO趋势分析法。为了筛除井下柴油机动车尾气产生CO的波动干扰,创新提出能够仅反映煤相对缓慢氧化的背景CO体积分数的概念;对矿井某一独立通风的考察区域,在某一足够长的时间段内,总能找到所有柴油车都不工作的极端时刻(或不受尾气干扰的情况),且CO体积分数值被监测系统记录到,从而建立了背景CO体积分数的筛查方法;经时间单元周期为0.125 d和0.5 d时的筛查结果对比,随着考察时间单元的取大,CO体积分数曲线越来越低,波动减小,背景CO体积分数曲线越来越清晰,证明其客观存在性。以最短自然发火期的一部分为考查期,依据背景CO体积分数的趋势走势来预判煤柱自然发火,结合红庆梁煤矿经验,得到CO趋势递增率k_(1)^(*)=0.607×10^(-6) d^(-1),以此作为自燃危险预判的临界指标,将自燃危险预警分三级,即当k_(1)≥k_(1)^(*),一级预警,启动重点巡查,将超长距离巷道每天全面巡查,改升级到为有针对性加大人力物力的重点巡查;当k_(1)<k_(1)^(*),二级预警,查明原因;当k_(1)≤0,无自燃危险。预测结果满足工程要求。

露天煤场不同粒径煤尘扬尘实验研究

为研究露天煤场不同粒径沉积煤尘的扬尘规律,根据风洞实验和相似模拟实验基本原则搭建煤尘起尘实验装置,对露天煤场不同条件下不同粒径组成的沉积煤尘的扬尘现象和规律进行研究.采用最小二乘法和高斯牛顿法对实验数据进行回归分析.实验结果表明:沉积煤尘的起尘量随粒径的增大呈现起尘量先增大后减小的规律,当煤尘粒径接近0.23 mm,煤尘的起尘量最大,实验30 min最大值为16.4 kg;煤尘粒径小于0.115 mm,煤尘的起尘量极小试验最小值为0.003 kg.回归分析得出平均粒径在0~0.23 mm范围内的不同含水质量分数的圆锥形煤尘静置在不同风速条件下煤尘起尘量的数学关系式.保证粉尘的含水质量分数在6%以上,煤尘所处的环境风速小于4 m/s可以有效地降低煤尘的二次扬尘.

矿井网域系统上行火灾灾情演变特征研究

矿井火灾通风系统紊乱及其灾情演变特征是当前矿井火灾研究的热点问题。通过实验得到不同通风能力时上行风流火灾主干风路和旁侧支路温度与风量变化规律。运用矿井物理通风仿真TF1M3D软件,结合算例矿井,详细描述全域矿井的上行通风火灾变化及通风系统紊乱过程。研究表明,在矿井系统中,火灾燃烧作为非控制性能量释放热动力源,其火风压与矿井通风动力相互作用,导致矿井风流紊乱。随着火势不断增强,上行风流火灾可以导致旁侧支路风量的降低、停滞和逆转变化,在复杂风网中引发烟流沿某一回路形成大流循环,扩大灾害,影响救灾。提高通风机能力,可以降低旁侧支路的通风热阻力增量,避免旁侧支路发生风流逆转,TF1M3D仿真结果表明,当算例矿井风机转数从540 r/min提高到740 r/min时,克服了上行风流火灾引起旁侧支路402工作面的烟流逆转。从变化规律上,理论结果与实验结果相印证。

基于节点压能的网络分风算法研究

为解决传统Scott-Hensley网络解算算法在寻找回路过程中速度过慢从而导致解算时间过长的问题,本文基于节点压能算法进行相应研究,对节点压能算法的迭代原理进行分析,从数学角度确定其在实际应用中的可行性,推导节点压能解算法的数学模型,给出了通风网络中各个节点的压能校正迭代式以及算法流程;并针对节点校正式中存在不收敛和收敛慢的问题,根据通风机特性曲线的不同拟合次数给出相应的解决方法。最终通过示例证明了在同一复杂通风网络中相较于Scott-Hensley算法,节点压能算法具有收敛速度快的特点,且收敛误差同Scott-Hensley算法相比差别不大。

断层构造对煤结构及氧化自燃特性的影响

为探究断层构造对煤结构及自燃特性的影响规律,以红庆梁煤矿11301工作面断层构造煤和原生煤为对象,采用红外光谱FT-IR实验、热重分析实验、低温氮气吸附实验和封闭式煤氧化实验,分别从微观和宏观角度对煤样的活性基团含量、燃烧特征温度、孔隙结构特征、耗氧速度和氧化放热强度进行分析。红外光谱FT-IR实验结果表明,断层构造煤的活性基团多于本煤层原生煤,断层构造煤的氧化活性高;热重分析实验表明,断层构造煤的裂解温度、临界温度、着火温度、峰值温度和燃尽温度均低于原生煤,断层构造煤表现出更强的自燃倾向性;低温氮气吸附实验结果表明,断层构造改变了煤的孔隙结构,相较于原生煤,断层构造煤比表面积增幅为2.5倍、平均孔径增幅为2.36倍、微孔孔容增幅为2.71倍、介孔孔容增幅为1.69倍。断层构造作用对煤体的孔隙结构特征的影响,便于氧气进入煤体与孔隙中的活性基团发生氧化反应;通过封闭式煤氧化实验可知,温度25~70℃条件,煤的耗氧速度、CO释放速度、CO_(2)释放速度和氧化放热强度随温度升高呈指数增长;在氧体积分数为20%、温度25~70℃条件,红庆梁煤矿11301工作面断层构造煤的氧化放热强度是原生煤的1.37~2.00倍。断层构造煤相对于本煤层原生煤自燃倾向性更强。本次研究从微观和宏观角度揭示了实际采掘环境中断层构造煤更易发生自燃的原因是改变煤自身结构和自燃环境因素,使之更有利于自燃。

FTIR和XRD在断层构造煤结构分析中的应用

为探究断层构造作用对煤化学结构特征和微晶结构特征的影响,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析,对红庆梁矿和段王矿的原生煤及断层构造煤进行分析。结果表明,受断层构造作用影响,红庆梁、段王断层构造煤中苯环二取代、苯环四取代的含量明显大于原生煤,苯环三取代和苯环五取代的含量低于原生煤,断层构造煤中C—O—C伸缩振动、—CH_(2)反对称弯曲振动、—CH_(3)、—CH_(2)和芳环—OH含量均多于原生煤,断层构造煤中醚C—O振动、芳烃CC、—CH和OH—π含量低于原生煤。红庆梁、段王断层构造煤的芳碳率fa是原生煤的1.01和1.03倍,芳环缩合度DOC是原生煤的1.01倍和3.7倍,CH_(2)/CH_(3)值是原生煤样的0.933倍和0.94倍,芳香度I分别是原生煤样的1.01倍和1.34倍。说明断层构造作用促使官能团和脂肪链脱落,增加煤的缩聚程度,降低煤中脂肪侧链的长度,增大芳香结构含量。XRD测试结果表明,原生煤和断层构造煤具有相近的矿物组分,断层构造作用未对煤中矿物组分的类型产生明显的改变。在2θ=26°附近存在特征(002)带,表明存在少量的层状石墨结构,然而在2θ=45°附近并没有清楚地显示(100)带,说明煤中石墨结构的基面生长水平较低。红庆梁、段王断层构造煤的晶间间距d_(002)值与原生煤相比变化很小,微晶堆积高度L_(c)值分别是原生煤的0.9045倍和0.9027倍,芳香度f_(a)-XRD值分别是原生煤的1.1439倍和1.0669倍,晶体堆叠平均层数N_(ave)值分别是原生煤的0.90945倍和0.92356倍。断层构造作用减小煤的芳香层片堆砌度,增大煤的芳香度,减少了煤微晶结构单元的堆叠层数,说明断层构造促进煤中非芳香化合物向芳香化合物的转化。断层构造煤的芳香度、成熟度更高,断层构造煤的燃烧反应性弱于原生煤。

寺河矿采煤工作面降温系统研究

为研究热害矿井采煤工作面的有效降温方法,采用数值模拟与现场测试相结合的方法,选用内含液态CO_(2)的盘管式换热器系统对寺河矿6301#采煤工作面的降温效果进行研究,利用COMSOL软件探究了不同液态CO_(2)流速、不同换热器管间距和不同换热器布置长度的降温效果,得到了对寺河矿6301#采煤工作面降温效果最佳的液态CO_(2)流速,分析得出了具有最佳降温效果且符合实际工况的换热器管间距及换热器布置长度。结果表明:液态CO_(2)流速为0.1 m/s、管间距为75 mm、换热器布置长度为30 m时,采煤工作面降温效果最佳。将模拟结果与实测结果对比,证明了该降温方法能够有效降低采煤工作面的温度。

煤氧化放热特征及影响因素的关联分析

为研究煤在低温氧化过程中的放热特征,确定影响煤氧化放热强度的主要因素,以4种不同煤化程度煤样为研究对象,采用封闭式煤氧化试验方法,结合键能平衡法计算煤在25~70℃、氧气体积分数0~21%范围内的氧化放热强度,获得煤氧化过程中氧氧气体积分数、温度和氧化放热强度三者间的关系表达式;运用灰色关联法分析挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度。结果表明,煤耗氧速度、CO释放速率和CO_(2)释放速率随温度升高呈指数增长趋势。通过比较挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度可知,影响不同煤化程度煤样氧化放热强度的主要因素是煤自身的挥发分质量分数,而外部因素中的温度对同一煤样氧化放热强度的影响要强于氧气体积分数。