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。

酸化对高阶煤不同层理方向增透效果影响研究

为了研究酸化对寺河矿高阶煤垂直、平行两个层理方向的增透效果,开展了多组分酸煤粉和煤柱溶蚀试验,优选出了合适的酸液体系,分析了两个层理方向煤柱不同酸化时长下的溶蚀效果,并进行了两个层理方向煤柱的煤岩三轴吸附-解吸-渗流试验和低场核磁共振试验,对比了酸化前后的渗透率、孔隙度、孔径分布变化。结果表明:(1)寺河矿酸化选用质量分数2%HCl+2%CH3COOH+5%HF的酸液配比溶蚀效果最优;(2)酸化使垂直层理方向煤柱的孔隙率增幅更大,而平行层理方向煤柱达到最大增幅用时更短;(3)酸化后两个层理方向煤柱的渗透率、孔隙度均提升,垂直层理方向煤柱孔隙度增幅更大,渗透率增幅则小于平行层理方向煤柱,且二者的渗透率增幅都在滑脱效应拐点处最小;(4)酸化使两个层理方向煤柱的瓦斯吸附孔占比下降,其中平行层理方向煤柱降比更大,且酸化前后中大孔占比也都更高;确定了寺河矿酸化后以煤样平行层理方向作为钻孔瓦斯抽采方向能更好地提高瓦斯抽采率。

冰粒磨料射流冰粒加速规律及破碎煤岩数值模拟

为了高效增加煤层透气性强化煤层瓦斯抽采,首次提出采用冰粒磨料代替传统磨料的煤层射流割缝增透新技术,以解决常规磨料射流煤层割缝中出现的堵塞孔隙裂隙等瓦斯渗流通道、增加孔壁摩擦阻力导致卡钻抱死等缺陷。然而,鉴于冰粒磨料与常规磨料的差异性,其加速特性与破碎煤岩效果尚不清楚。采用理论推演法研究了冰粒磨料的加速特性和速度分布规律,在此基础上构建了数值计算模型分析了射流速度、冰粒体积分数以及围压对冰粒磨料射流破碎煤岩效果的影响规律。研究结果表明:(1)冰粒磨料掺入高速流体后获得了先增大后减小加速趋势,最终其速度可接近纯水的速度,大幅提升了冰粒磨料的冲击动能,为后续数值模型冰粒速度的赋值提供了依据;(2)数值计算结果出现V型破碎形态,同时冰粒磨料在冲击煤岩前后出现消融现象,符合现有文献研究结果和工程实际情况,表明所建数值模型具有适用性;(3)煤岩纵向破碎深度随冰粒磨料射流速度的增加而线性增加,横向破碎宽度随速度先增加后趋于稳定,煤岩纵向损伤深度约为纵向破碎深度的1.13倍;(4)冰粒磨料掺入纯水射流后,煤岩的纵向破碎深度和横向破碎宽度均出现大幅增加,随着冰粒磨料体积分数的增加,破碎深度和破碎宽度增加的趋势变缓,煤岩横向损伤直径约为横向破碎宽度的1.3倍;(5)煤岩所受围压大幅抑制了其在冰粒磨料射流冲击下的纵向破碎深度,围压越大,纵向破碎深度越小,而横向破碎宽度却几乎不受围压的影响。研究结果可为冰粒磨料射流煤层割缝技术的工程应用提供一定的理论支撑,同时可进一步完善高压磨料射流破岩理论。

粉煤吸附甲烷温度变化规律试验研究

为了研究粉煤在吸附甲烷过程中的温度变化规律和机理,采用理论分析与试验研究相结合的方法,基于焦耳-汤姆逊效应和吸附热效应原理,对比分析无粉煤纯甲烷压缩、膨胀及不同压力条件下粉煤吸附甲烷温度变化规律。研究结果表明:用充气罐向无粉煤腔体内充甲烷时,由于甲烷焦耳-汤姆逊效应,腔体内气体温度在不同压力条件下迅速升高15℃;当腔体卸压时,甲烷温度下降6℃;粉煤吸附甲烷过程为放热过程,温度升高2~8℃,其温度变化的幅度与甲烷吸附平衡压力有关;粉煤吸附甲烷过程中,环境温度的变化是吸附反应放热和节流效应共同作用的结果。研究结果对井下瓦斯动力灾害预测温度指标的选取依据提供了一定的参考价值。

三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系实验研究

煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力,且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标.而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响,为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况,采用超声波透射法对赵固二矿二1煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验,研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系.研究结果表明:相同条件下,加载煤样饱和煤样波速大于干燥煤样,且加载煤样饱和状态下不同层理方向波速变化易区别.而加载煤样饱和煤样与干燥煤样孔隙率变化与波速变化相反,加载煤样饱和状态下不同层理方向孔隙率变化不易区别;通过分析加载条件下饱和煤样与干燥煤样波速与孔隙率关系,发现无论是干燥煤样还是饱和煤样在加载条件下都符合对数关系φ=-aIn(VP)+b且a值与围压有关,b值与孔隙率变化量有关.通过研究含水煤样在不同加载条件下对煤体波速和孔隙率的影响以及波速和孔隙率之间的关系,为煤炭物性勘探技术提供有效试验数据与理论基础,也为煤炭物性预防安全开采提供理论基础.