井工煤矿甲烷排放精准监测与核算

甲烷作为全球第二大温室气体,具有增温潜势高、寿命短的特点,主要来源于煤炭、油气生产、农业、畜牧业和废弃物处理等领域。积极稳妥有序控制甲烷排放,兼具减缓全球温升的气候效益、能源资源化利用的经济效益、协同控制污染物的环境效益和减少生产事故的安全效益。甲烷也是煤矿生产排放中最主要的温室气体,目前对煤矿甲烷的排放监测及其在煤矿三维立体空间内的浓度分布研究将成为我国甲烷排放控制行动的重点,对煤矿企业更好顺应国家战略具有重要意义。选取山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井进行甲烷排放监测核算,以固定监测、手工监测、无人机监测及矿后活动监测等方式研究我国高低瓦斯矿井甲烷分布,并对其甲烷排放量开展分析。结果表明:①美国Climate TRACE网站公布的山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井2022年度甲烷排放量与实测法计算的结果差异较大,其中公布的某低瓦斯矿井年度甲烷排放量为实测法计算结果的10.92倍,自上而下的监测核算方法准确性不足,无法为碳交易提供可靠的数据支持。②矿后活动监测核算发现,采用IPCC缺省值计算的矿后活动甲烷排放量是实测法计算的3~5倍,且不同粒径和暴露时间下煤样反馈的矿后活动排放量差异较大。亟需一套统一精准的测试标准,为未来碳市场交易提供公平准确的数据。

三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

应力波作用下红砂岩复合动态断裂特征研究

为探究应力波作用下红砂岩的复合动态断裂特性,采用分离式霍普金森压杆和数字图像技术对带预制裂缝的半圆盘三点弯曲试样开展冲击加载实验,分析加载率、波长对红砂岩动态拉伸、断裂特征的影响。结果表明:①红砂岩试样加载率与动态抗拉强度、断裂韧度及破坏率均呈一次函数关系;断裂能随加载率增大而增长415.27%。②随着波长增加,动态抗拉强度增长742.14%,其中断裂能增长54.49%,但能量吸收率呈下降趋势;裂纹扩展平均速度增长4.09%,且首尾裂纹应变增长时间出现滞后现象;破坏率增长效应得到强化。③冲击速度8 m/s时试件主裂纹首尾监测点位的应变平均增加84.31%。

烟煤吸附、解吸过程中热流特征实验初探

煤吸附、解吸瓦斯过程中会伴有明显的热效应,其变化规律对煤与瓦斯突出等瓦斯灾害预测技术具有重要的研究价值。利用自行设计搭建的多参量煤吸附、解吸热效应测试实验系统,开展0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa 3种压力下,烟煤对于CO_(2)、N_(2)、CH_(4)3种气体吸附、解吸过程中压力、温度和热流测试实验,综合分析了烟煤吸附、解吸过程中热流变化特征。结果表明:(1)烟煤试样吸附、解吸过程中,煤壁上热流密度变化分为5个过程:①抽真空阶段,热流迅速增大,后缓慢减小到0;②充气阶段,热流与充气速率呈正相关;③吸附阶段,热流先快上再快下最后缓慢下降;④放气阶段,热流与泄压速率呈正相关性;⑤解吸阶段,分为快速下降和缓慢上升两阶段。(2)实验中,N_(2)、CH_(4)、CO_(2)3种气体在相同气压下,吸附、解吸最大热流密度值依次增大;相同气体在3种不同压力下,最大热流密度值随气压升高依次增大。(3)推导出的吸附、解吸过程中热量的理论值始终大于实验值,但整体趋势一致。(4)热流密度参量具有流入、流出方向矢量特征,比温度指标优越,热流密度与热量传递变化规律一致,可以很好地表征烟煤吸附、解吸热效应变化规律,为煤与瓦斯突出预测新指标的研究提供参考。

基于R语言硕士培养与升学相关性分析——以中国矿业大学(北京)资源与安全工程专业的硕士研究生为例

为提高理工类学科硕士研究生的培养质量,以中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院安全工程专业近12年硕士毕业生为分析对象,将硕士研究生分为读博与不读博两个层次以及学术型与专业型两类,利用R语言对硕士研究生论文发表和国家科研项目参与情况进行统计分析。结果表明:(1)与专业型硕士研究生相比,学术型硕士研究生教育产出成果的年累积量更多;(2)学术成果在读博与不读博层次不同的硕士研究生总体中无显著性差异;(3)硕士研究生是否读博与其学位类型无关。研究成果为创新硕士研究生培养模式和提升研究生培养质量提供参考与借鉴。

不同长径比煤样动力学特征及本构模型

为研究冲击荷载下不同长径比煤样的动力学性能,借助改进的霍普金森压杆实验装置(ϕ75 mm),开展6个冲击等级(4.18~8.03 m/s)、4种长径比(0.33~1.33)下的冲击压缩实验,并结合灰色关联理论分析动力学参数与长径比之间的关联性,建立基于力学机制、Weibull分布、D-P准则的4参数单轴煤岩强度型统计损伤模型。研究表明:(1)煤样长径比与应变率、动抗压强度、耗散能均呈二次函数关系,且耗散能随长径比增加而降低;与电磁能呈一次函数关系,且保持正相关。(2)煤样长径比对动力学参数的影响排序为:电磁能(0.88)>动抗压强度(0.84)>耗散能(0.81)>应变率(0.78)。(3)基于Weibull分布、D-P准则构建初始本构模型,并借助动抗压强度σ_(max)与应变率、长径比n的关系修正,进而对比实验应力-应变曲线,验证模型可靠性(R^(2)>0.91)。

静水压下原生组合煤岩动力学破坏特征

深部巷道围岩软弱、裂隙发育,开采扰动影响下易导致动力灾害,其中煤岩组合体整体失稳破坏是诱发灾害的关键因素之一。为探究冲击载荷下原生组合煤岩体的动力学破坏特征,借助分离式霍普金森杆系统及高速摄像机,以原煤、原生组合、人工组合煤岩为研究对象,探究不同静水压、应变率下煤岩动态应力应变、裂纹演化、破碎特征,并采用宏观破碎分形及细观电镜扫描研究煤岩变形破坏特征。研究表明:①原煤、原生组合、人工组合煤岩的动态应力−应变呈显著非线性,原生煤岩的塑性阶段近似“塑性平台”。②冲击载荷下,煤岩动抗压强度的应变率效应显著;原煤、原生组合煤岩的动抗压强度与静水压呈先增后减趋势,静水压作用(低压强化、高压弱化)的临界值分别为8、10 MPa,人工组合煤岩与静水压呈正相关趋势。③冲击荷载下,原生及人工组合煤岩的裂隙起裂均发生于远离煤岩交界面的煤组分区域;组合煤岩交界面显著影响试样变形破坏行为,当冲击速度≥10 m/s,原生组合煤岩均可发生煤岩组分的整体失稳破坏,而相同扰动下人工组合煤岩仅发生煤组分破坏,仅当冲击速度≥14 m/s,裂纹的尖端应力大于煤岩强度,可贯通人工交界面,导致整体破碎;原生交界面对试样裂纹贯通具有“导向作用”,易诱发裂纹扩展形成宏观破裂面。④原煤、原生及人工组合煤岩破碎程度随冲击速度的增大而增大,破碎粒径趋于粒状、粉末状;相同扰动下,3类煤岩中煤组分的破碎程度:原生−煤组分>人工−煤组分>原煤。

开孔泡沫金属动态力学性能及能量特性

泡沫金属材料在防护吸能领域有着重要的应用前景,深入研究泡沫金属及其相关结构的冲击力学性能十分必要。通过Φ50 mm的分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对开孔泡沫金属Fe、Ni、Fe-Ni合金(50 mm×10 mm)进行动态冲击试验。试验分析了应变和应变率对其力学性能及吸能特性的影响,通过对其峰值应力、波动应力、理想吸能效率等参数的对比分析多种冲击速度下不同泡沫金属材料的抗压强度与吸能性,为建筑、航天等工程的使用提供理论基础。研究结果表明:高冲击速度下峰值应力增大且Fe-Ni合金抗压强度最高,不同材料泡沫金属均存在波动应力且压密阶段时间各不相同。应变率介于600~1150时泡沫金属Ni吸能性最优,该区间外Fe-Ni合金更优。当应变率大于1000时,Fe-Ni合金理想吸能效率增幅较大,相较于700时提高了48%、为最优理想吸能材料。

冰试样动态冲击破坏力学特性实验研究

为了进一步探究冰材质动态冲击破坏力学特性,通过分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用快速加载、杆端降温与波形整形技术,保证冰材质的稳定性并实现了加载过程中的动态应力平衡,分析了应变率、温度、长径比、冻藏时间对冰力学特性与破坏模式的影响。结果表明:在100 s-1~500 s-1的应变率范围内,冰的动态单轴抗压强度与应变率呈现明显的正相关性;小长径比冰温度越低,抗压强度越大,且这种特性会受到应变率的影响;大长径比冰抗压强度随温度的下降而下降,这与体积大导致冰试样受冷不均,内部预应力增大有关;稳定无预应力冰,短冻藏时间会使其强度下降;温度、长径比对冰弹性模量影响明显,小长径比冰弹性模量随温度下降而增大,大长径比冰弹性模量随温度下降而减小;应变率是影响冰材质破坏模式的主要因素,随着应变率的上升,冰材质达到破坏时的轴向裂纹明显增加,形成的破碎产物尺寸明显变小。

岩体双孔爆破损伤特征的影响因素研究

为明确多因素作用下岩体双孔爆破损伤规律,借助RHT本构模型,构建岩体爆破裂纹扩展演化模型,采用ANSYS/LS-DYNA软件探究地应力A、抗拉强度B、不耦合系数C对岩体爆破特征的影响,并运用Design-Expert 12.0软件设计Box Behnken实验,构建岩体爆破损伤的二次回归响应曲面模型,探究三因素交互作用影响规律。研究结果表明:岩体有效损伤面积与地应力、抗拉强度、不耦合系数均呈负相关趋势;影响因素中地应力、抗拉强度、不耦合系数均为显著项,其中单因素影响程度为A>B>C;交互项影响依此为BC>AC>AB,且BC和AC交互作用极显著,AB交互作用不显著;基于响应曲面法,构建三因素-三水平下的二次响应回归模型,模型预测值与实验结果的偏差低于3.16%。研究结果对提高深部爆破效率具有重要意义。

3种基体材料开孔泡沫金属动力学特征研究

为研究不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)及高速摄像系统开展试验,获得3种开孔泡沫金属试样的应力-应变曲线、应变特性、变形特征。研究结果表明:不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性差异显著,其应力-应变曲线的差异主要体现在弹性上升阶段,泡沫铜和泡沫镍具有明显的跃进现象,泡沫铝的曲线上升较平稳缓慢,且泡沫镍在跃进后出现峰后跌落现象;泡沫金属峰值应力的应变率效应显著,其动力学性能与材料本身缺陷情况、惯性效应、冲击热效应存在密切关联;当试样处于整体变形阶段,试样入射端或胞孔薄弱处存在加速变形区域,易形成应力集中现象,导致试样层面坍塌。研究结果可为泡沫金属防护材料的选取及工程设计提供理论参考。

不同子弹构型霍普金森杆入射波数值模拟分析

为探索子弹(撞击杆)构型对霍普金森杆入射波形状的影响,基于LS-DYNA有限元软件,分别建立不同构型的子弹模型进行冲击数值模拟。模拟结果表明:子弹长度、形状和材质的改变,会造成入射波的改变,其主要从脉冲形状、持续时间、应力波峰值、应力波上升下降的快慢等方面体现;长度较大的钢、铝子弹能够满足软材料冲击应力平衡的条件;尼龙子弹的整体上升沿和下降沿都较短,波形较窄,能够满足应力-应变相应线性度较高材料冲击的实验条件。模拟结果对霍普金斯杆实验时子弹的选型具有重要的参考意义。

层理煤岩SHPB冲击破坏动态力学特性实验

为了研究层理对煤岩动态力学破坏特征的影响,利用75mm大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)动载实验装置,采用纺锤形子弹和超声波检测仪,开展层理原煤试样(垂直层理和水平层理取样)和均质性较好的砂岩试样冲击破坏动态力学特征对比实验。实验结果表明:(1)纺锤形子弹产生的近似半正弦波加载具有平缓应力波上升沿特征,更适合煤岩类脆性材料动载实验;(2)煤体层理使超声波垂直穿过时产生层理效应,导致波速严重衰减,试验中水平层理取样的原煤超声波波速约为垂直层理的2倍;(3)层理原煤和砂岩的动载破坏应力-应变曲线差异较大,层理特征是导致原煤具有较长塑性变形阶段和曲线波动性的重要因素;(4)砂岩的动态弹性模量比层理原煤试样大1个数量级,层理影响了煤岩冲击破坏动力学特性。

分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟

为了研究煤矿井下瓦斯爆炸火焰在分岔巷道内的传播规律,自制45°分岔管道实验装置开展甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播实验,用Fluent 16.0软件模拟分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播过程。对比分析实验数据与模拟结果,得到分岔管道瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。研究结果表明:1)分岔管道内瓦斯爆炸火焰在分岔处产生漩涡,加速管道内爆炸火焰湍流化,火焰冲击反射现象明显;2)分岔支管截面处爆炸火焰温度、传播速度、冲击波超压与离子电流峰值最大;3)瓦斯爆炸火焰传播的模拟结果与实验数据在数值上存在一定差异,但各参量总体变化趋势相同。研究结果为深入认识井下瓦斯爆炸传播机制和在巷道分岔处采取瓦斯爆炸火焰传播抑制措施提供一定参考。

障碍物对瓦斯爆炸火焰锋面参数的影响

在实验室小型模拟巷道的方形管道内,采用自制的微细热电偶和离子电流传感器、压电式压力传感器,测试了有/无障碍物2种情况下在不同位置处浓度为10.17%甲烷空气预混火焰锋面的传播过程中温度、离子电流强度及压力变化情况。实验结果表明,障碍物存在导致火焰锋面的最高温度值略有降低,由靠近点火端位置的1 303.7℃下降到1 234.4℃,远离点火端位置的1 198.7℃下降到902.5℃;离子电流曲线出现了明显的双峰值,强度明显增大,由靠近点火端的146.25nA上升到160nA,远离点火端的432.5nA上升到605nA;火焰锋面前方过早的产生前驱压力波,加速燃烧转爆轰(DDT)过程的提前实现。因此,巷道内应避免障碍物的存在。

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩:煤:砂岩分别是1:1:1,2:1:1,1:1:2,1:2:2)进行不同速率(4. 590～8. 791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明:①不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;②组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110. 41～195. 49 s-1)冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。

点火位置对独头巷道瓦斯爆炸火焰参数影响实验!

在实验室模拟独头巷道的小型方形管道内,采用微细热电偶、离子电流传感器和火焰光信号传感器,测试了闭口终端处和距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm位置处五种点火情况下甲烷-空气预混火焰锋面传播过程中温度、离子电流强度及速度的变化情况。实验结果表明:闭口终端点火时,火焰锋面向开口端传播过程中各截面的温度先减小后增大;距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm处点火时,火焰传播过程中点火处的温度均最高,火焰向闭口端传播过程中温度有逐渐降低的趋势。不同位置点火时,火焰向开口端传播速度是闭口端传播速度的20倍左右;闭口终端处、距离闭口终端200mm处点火火焰向开口方向传播过程中,火焰传播速度均呈现先增大后减小再增大的趋势;火焰向闭口方向传播过程中,火焰传播速度较小,但有逐渐增大的趋势;离子电流峰值的变化趋势与火焰传播的速度基本吻合,说明火焰向开口端传播比向闭口端传播更剧烈。

T型管道不同封闭状态瓦斯爆燃火焰传播特征

为了研究分岔管道不同封闭状态下瓦斯爆燃火焰阵面传播规律,在自制的T型透明分岔管道内,设置支管端口完全封闭、直管左端口弱封闭,采用光电传感器和压力传感器测试了直管右端弱封闭、完全封闭2种情况下,预混甲烷-空气可燃气体爆燃火焰传播过程中速度、超压参数的变化情况。结果表明:由于分岔的存在,2种封闭状态在支管端点火后瓦斯爆燃火焰阵面在支管中的传播速度均先增大后减小;直管右端弱封闭时,经过分岔后火焰加速向直管两端传播速度基本一致,分别达到86. 29m/s和88. 07 m/s;直管右端完全封闭时,火焰向弱封闭端传播速度增大至166. 67 m/s,火焰向完全封闭端传播时并不断压缩未燃气体产生高压振荡反馈导致火焰振荡传播现象,火焰速度不断减小至4. 84 m/s;管道内瓦斯爆燃超压均迅速上升到达峰值,之后受压缩气体的膨胀和冲击后爆燃产物的振荡作用迅速下降。

含瓦斯煤锤击破坏HJC本构模型及数值模拟

确定含瓦斯煤动态本构关系是认识煤岩动力灾害机理的基础。结合煤吸附瓦斯的"变形效应"特征和Mohr-Coulomb强度理论,理论分析并量化了吸附态和游离态瓦斯对煤体强度的弱化作用,提出的"静态损伤变量法"确定了含瓦斯煤HJC本构模型的主要参数并开展含瓦斯煤落锤冲击破环的数值模拟研究。研究表明:(1)相同的冲击速度下,含瓦斯煤样与普通煤样的破坏形式明显不同,前者破坏程度更严重。(2)相同瓦斯压力下,冲击速度越大,含瓦斯煤样整体破坏越严重,随着冲击速度的增加,破坏由拉压破坏向以压缩应力主导的破坏过渡,并呈现出中心膨胀性破坏的特征。(3)含瓦斯煤在冲击速度相同时,含的瓦斯压力越大,破坏程度亦越大。获得的含瓦斯煤的HJC主要参数能够较好模拟含瓦斯煤冲击破坏的动态过程。

工业防火与防爆课程教学改革与实践

本文针对目前工业防火与防爆课程教学中存在的典型问题,结合安全工程专业特点,提出了课程教学改革及优化思路,包括思维导图式教学内容优选、问题式教学方法设计和实验与训练相结合的学生实践能力培养策略三方面内容。