采空区垮落煤岩渗透特性研究

地震法常用于分析采空区垮落煤岩孔隙率和渗透率的相关性,现有研究大多采用有效介质理论,将采空区垮落煤岩的各向异性和不均匀性转换为等效的介质参数,对粒径、孔隙率、空间特征等因素对地震波的影响考虑较少。以采空区垮落煤岩为研究对象,根据实际采空区垮落煤岩颗粒级配和孔隙率,制备了破碎煤岩样品,通过实验验证了其孔隙率和波长-粒径比与实际采空区垮落煤岩一致。在此基础上,通过实验分析了煤岩粒径、孔隙率、地震波频率等因素对波速、振幅衰减系数及渗透率的影响,结果表明:破碎煤岩中P波速度随孔隙率增大而减小,随粒径增大而增大,受地震波频率影响较小;振幅衰减系数随孔隙率增大而增大,随粒径增大而减小,孔隙率较大时更易受地震波频率影响;破碎煤岩的渗透率随孔隙率和粒径增大而增大,遵循Kozney-Carman方程,基于实验结果建立了采空区垮落煤岩渗透率预测公式,计算得现场采空区垮落煤岩渗透率为1 225×10^(-12)~178 930×10^(-12)m^(2);为消除粒径对地震波振幅衰减系数和煤岩样品渗透率的影响,提出单位波长振幅衰减系数(振幅衰减因子),并通过最小二乘法拟合得到振幅衰减因子与渗透率之间的经验关系式,为初步判断采空区垮落煤岩的渗透率提供了思路。

条带潮湿巷道模型风流温湿度数值模拟研究

为研究巷道壁面均匀潮湿和局部潮湿对围岩及巷道壁温度影响差异,准确预测潮湿巷道风流温湿度,根据三维围岩温度场理论,建立围岩热传导、风流温度和湿度数值计算模型,数值模拟巷道壁面均匀潮湿模型(UWSM)和条带潮湿模型(PWSM),探讨不同参数条件对巷道风流温湿度影响。结果表明:三维热传导模型在局部潮湿巷道计算得出围岩温度及风流温度分布更贴合实际;提出根据潮湿率确定潮湿度修正系数的方法,可提高大型通风网络温湿度预测计算精度。

低品质煤炭堆积状态下自燃特性研究

为研究低品质煤炭在堆积状态下的自然发火特性,根据煤样自热过程中能量的转化和积聚条件,基于Frank-Kamenetskii理论,采用差热分析仪(DTA)和恒温加热系统,试验测试煤样临界自燃着火点温度(CSIT)。通过分析环境设定因素及验证关联试验,可将煤样升温过程划分为4个不同变化阶段。在试验条件下煤堆体积主要影响其CSIT;煤样水分是导致升温曲线平缓或下降的主要原因,且体积越大影响越明显。结果表明,通过实验室小体积类比试验分析推导堆积体积与CSIT关系式是准确可行的;用小体积试验可有效预测大体积煤炭自燃着火点温度范围。

水分对堆积状态褐煤自燃特性影响研究

为研究水分对低阶煤在堆积状态下自然发火特性的影响,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热试验法,分析不同水分含量(4%~23%)白音华褐煤的升温过程及临界自燃着火温度。进一步研究不同煤样粒径(0.5~5 mm)和煤堆体积(1.25~10×10^(5) mm^(3))条件下,水分对堆积褐煤自燃特性的影响。结果表明,不同水分含量煤堆升温规律基本一致,根据中心点升温速率,可将煤样升温过程划分为4个动态阶段。相同粒径及体积条件下,水分含量越高,煤样临界自燃着火温度越高,抑制升温时间越长,表征内在水分蒸发强度的k值越大;相同水分及体积条件下,k值随粒径的增加呈现先增大后减小的趋势;相同水分及粒径条件下,煤堆体积越大,其临界自燃着火温度越低,水分的蒸发对不同体积煤堆自燃均表现出抑制作用。

堆积状态下低品质煤临界自燃着火点测定与研究

为了研究低品质煤炭堆积状态下内部自热理论,采用临界自燃着火点理论和Frank-Kamenetskii模型研究了煤堆内部热产生与热散失平衡理论以及煤堆表面的换热现象;并应用设计研发的煤堆热扩散率及温度监测实验装置和测定方法来评估低品质煤样(褐煤以及亚烟煤)临界自燃温度。结果表明:煤样堆积状态下临界自燃着火点温度可通过实验室内测定分析不同体积网框在不同环境温度条件下自热曲线得出;同体积条件下,临界自燃着火点随着煤品质的升高而增加;在140℃环境条件下,1#,2#和3#煤样在快速升温的前20 min内,温度变化趋势相似;在60~65℃,3种煤样出现温度转折点,升温速率开始减缓;根据煤样临界自燃着火点温度结合F-K热发火边界条件理论得出的堆积体积与着火点耦合关系式可预测大体积煤样自燃倾向性及临界自燃温度。

露天矿遗煤区地表CO_2通量变化规律测试分析

探索了通过采空区上部地表CO_2通量变化判定遗煤自燃状态的实验理论及方法,并根据地表和大气间的扩散原理,采用自主研发的土壤气体监测系统,对采空区上覆地表CO_2通量进行了连续测定。研究结果表明:采空区遗煤自燃对其上覆地表CO_2通量变化有较大影响;采空区年限及遗煤氧化自热程度影响地表CO_2通量的大小;自燃带地表CO_2通量明显大于窒息带。地表CO_2通量变化能反映采空区漏风量对遗煤自燃的影响;研究地表CO_2通量变化规律,能够帮助了解采空区遗煤自燃火区的发育方向、范围等相关问题。研究对废弃矿井采空区地表环境评估,废弃矿井采空区遗煤氧化自燃的危险性评估以及浅埋煤层氧化自燃发火进行程度的探测具有重要意义。

海州露天矿采空区地表CO_(2)通量的试验研究

为探究海州露天矿东邦废弃采空区自然发火状态,基于采空区遗煤自燃特性和气体扩散理论,采用智能土壤气体通量监测系统,以月为单位,对东邦自燃采空区上覆地表CO_(2)通量开展长周期、多测点连续性监测试验;根据试验区域内地表CO_(2)通量和土壤温度分布特征,探究地下火区释放CO_(2)的地表涌出范围和变化情况;同时,着眼于温室气体排放的评估,计算试验区域内的CO_(2)涌出量,并分析其随时间的变化特征。结果表明:地表CO_(2)通量与土壤温度有明显正相关性;试验区域地表CO_(2)高通量区域呈逐月扩大和递增的趋势;CO_(2)涌出量随月份逐渐递增,试验区域年CO_(2)涌出量约为3.6×10^(6) m^(3)。

煤在高浓度CO_2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析(TG-DTA)探讨了大同煤样在20～1400℃,在不同O2浓度(≤5%)的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200℃条件下煤对二氧化碳(CO2)气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1100℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1100～1300℃。常压下当环境温度低于200℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1000℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1000℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。

矿井风流温湿度预测方法及应用

针对煤矿开采中井下温湿度的预测和控制问题,设计了单一巷道风流温湿度的计算模型,对矿井不同用途及不同使用年数巷道进行实测和模拟计算,验证了计算模型的计算精度和在通风网络中应用的可行性,结果表明:各种巷道的计算结果和实测值基本一致,说明基于单一巷道的理论计算式适用于通风网络中的温度湿度预测计算;非均匀巷道的风流温度湿度可利用均匀潮湿模型进行计算.

基于F-K理论的大体积煤堆自燃特性试验研究

为预测大体积低品质煤炭自然发火温度,采用恒温加热系统和气体检测分析系统,研究煤堆的自热特性。根据Frank-Kamenetskii边界条件理论,并结合自然对流和临界自燃着火点研究方法,分析煤堆内部的温度变化、水分蒸发及能量转变情况,进而探讨环境温度、氧化气体和煤自燃倾向性的关系。结果表明：煤样水分含量是导致其自热升温曲线出现下降阶段的重要因素,煤堆内部不同位置其温度下降阶段持续的时间不同;自热反应所产生气体浓度随煤温的升高而增高;未燃状态下,氧化作用最强阶段位于温度上升初始段后期;自然对流和低温氧化导致煤堆体积缩减,环境温度越高体积缩减程度越大;煤样临界自燃着火点研究方法可有效应用于大体积煤堆自燃着火点预测。

粒径对褐煤自燃阶段临界温度影响的试验研究

为研究褐煤在堆积状态下的自然发火特性,开展实验室试验,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热方法,将6种不同粒径的褐煤煤样分别放入5、10和15 cm等尺寸的立方体网篮,组成18个自然堆积状态的煤堆,并置于不同的恒温条件下,研究煤堆的升温过程,探讨粒径对煤氧化过程中自燃阶段临界温度的影响。结果表明：煤堆的升温过程可分为初始升温、缓慢升温、快速升温和自燃（或温度回落）4个阶段;在煤堆体积相同时,煤样粒径的减小会使自燃阶段临界温度降低,随着煤堆体积的增大,粒径影响逐渐减弱直至可被忽略。

示踪气体诊断井下风流实态及弥散系数测定

为更好地评价井下通风网络,优化矿井通风系统.将示踪气体技术应用于特定复杂的通风网络,并对示踪气体在巷道内的移流扩散规律进行模拟计算.通过对兴阜矿示踪气体浓度实测数据与模拟数据的对比,对巷道理论计算风速和弥散系数进行有效修正,使推导出的在多条巷道内示踪气体浓度的理论计算公式及结果更加符合井下实际情况.在此基础上进一步分析检查实验矿井通风系统中存在的问题,明确漏风区域的具体位置,为通风系统优化及井下工作环境安全规划提供可靠的理论根据.

基于等效氧化暴露时间理论的褐煤自燃特性研究

为研究堆积褐煤自燃特性,通过开放式恒温实验获得不同体积立方体褐煤(边长分别为0.05,0.1,0.15和0.25 m)内部升温曲线、临界自燃着火点温度(Tc)和表观活化能等特征参数。基于等效氧化暴露时间(EOET)理论,针对实验条件建立均质多孔介质的多场耦合数学模型,并通过实验结果验证了数值模拟的合理性,从而掌握了实验无法获得的温度场、氧浓度场和渗流场的动态分布。通过实验将褐煤升温过程划分为4个阶段。结合实验及数值模拟明确了煤体热量产生与传递、水分蒸发与运移、氧气消耗与运移、自然对流等多种因素的耦合关系,探讨了升温过程中相对EOET与产热加速率的负相关关系。进而对大型煤堆自燃状态进行模拟,验证了煤堆临界自燃着火点温度实验式的合理性。

CO2与H2O对煤炭急速气化反应活性的影响分析

为探讨煤气化反应过程中合成气CO和碳氢化合物(HCs)的产量,以及水对煤气化反应活性的影响,应用自制的CO2激光束以200℃/s的急速加热系统在CO2富集环境中(O2浓度≤10%),通过改变实验的升温速率、氧气浓度及煤样润湿度等条件,进行了煤的气化与燃烧特性实验。实验结果表明:在煤的气化与燃烧过程中,随着加热温度的升高,煤样的质量损失与合成气的产量不断增加,且煤样的质量损失与转化气体环境之间的关系为Air>富CO2>富N2;在富CO2气体环境中,随着加热温度的升高,O2浓度5%环境的CO气体和HCs气体的产量相对较大;此外发现CO气体生成量相对降低,而HCs生成量相对增加,这一结果表明煤在CO2富集气体环境的气化燃烧过程中,CO气体的生成主要依赖于O2浓度,而HCs的生成则主要依赖于H2O。

褐煤自然发火特性实验及数值模拟

为研究褐煤的自然发火特性,采用恒温加热法,对不同尺寸的立方体网状容器内的煤样进行实验,得到煤样的升温曲线和临界自燃点温度。根据实验条件,应用Fluent软件建立煤样升温过程的温度场、空气渗流场和氧气浓度场三场耦合模型。实验与模拟结果表明:煤体体积越大,临界自燃温度越低;当环境温度高于临界自燃温度值,煤体能够自燃,反之煤体不能自燃;煤体升温过程中的温度场、空气渗流场和氧气浓度场是随着时间变化并且相互影响的。