煤体复电阻率实验室测试方法研究

实验室煤体复电阻率测试旨在提供可靠的复电阻率数据,为进一步现场应用基础研究。影响煤体复电阻率测量精度的因素众多,其中电极板为最重要的因素之一,极板的厚度和大小都会对煤体复电阻率测量产生影响,因此电极板的变化对测量参数的准确性有重要意义。通过选用导电性较好的紫铜材料作为极板,对3种不同厚度的极板材料进行了复电阻率测量,分析极板厚度对激发极化效应的影响,测试了直径为1,2,3,4,5 cm 5种大小极板对煤体复电阻测量的影响,并使用Cole-Cole模型进行数据拟合。得出结论如下:1)极板本身的极化效应和极板与煤样端面贴合程度是影响煤样复电阻测量误差的主要因素,3种不同厚度的极板材料中导电铜纸误差最小;2)对同一个煤样而言极板面积变化仅对复电阻率幅值有较大影响,对煤样激发极化的影响可以忽略。

基于瓦斯地质单元划分的瓦斯赋存规律分析

搞清井田瓦斯赋存规律是瓦斯治理的基础,是矿井实现“一矿一策,一区一策”瓦斯治理措施的保障。以古汉山井田为例,运用瓦斯赋存构造逐级控制理论,在分析区域构造演化及控制的基础上,探讨了古汉山井田瓦斯赋存规律及主控因素。研究结果表明,石炭-二叠系含煤地层沉积之后经历的多期构造运动造就了焦作煤田现今的构造格局及瓦斯赋存特征。以团相断层及其NE向延伸方向断层为界,将古汉山井田划分为3个瓦斯地质单元。马坊泉断层与团相断层间形成的地堑是造成瓦斯地质单元1上覆基岩厚度为井田最厚的原因,同等埋深条件下瓦斯地质单元1上覆基岩厚度厚是造成该区瓦斯含量高的主要原因;赤庄断层形成的煤层隐伏露头和上覆基岩厚度薄是瓦斯地质单元2瓦斯含量井田最低的主要原因;上覆基岩厚度相同情况下瓦斯地质单元1和3瓦斯含量相差不大。

不同煤阶煤样孔隙结构表征及其对瓦斯解吸扩散的影响

基于气体吸附理论,采用低温液氮吸附法(LT-N 2 GA),CO 2吸附法和扫描电镜法(SEM),从孔容、比表面积、孔径分布和孔隙形状4个方面,研究分析了8种不同变质程度煤样的孔隙结构。并结合煤粒瓦斯扩散实验,计算出煤样的迂曲度和瓦斯扩散通道长度,分析讨论了不同煤阶煤体孔隙结构对瓦斯解吸扩散规律的影响及机理。结果表明:不同煤阶煤样的吸附能力存在显著的差异。随变质程度的加深,吸附能力呈先降低后升高的U形规律;SEM观察结果与低温液氮吸附等温线分析的孔隙形态整体上较为一致,不同煤阶煤样的孔隙形态有很大差异,表明煤体表面的异质性;吸附分析显示中孔孔径呈多峰分布,孔容主要由2~15 nm的中孔贡献;煤体微孔段的吸附能力取决于0.6~0.9 nm和1.5~2.0 nm孔径段。煤质对瓦斯解吸扩散的影响主要与孔隙结构的差异有关。不同煤阶煤体孔隙率和迂曲度不同,瓦斯扩散通道长度不同,随着扩散通道长度的增加,瓦斯初始解吸速率呈指数形式减小;瓦斯在煤体孔隙中的扩散以微孔内的表面扩散为主,孔比表面积越大,表面扩散越显著;瓦斯解吸量和初始扩散系数与煤阶之间呈现不对称U形关系,在高阶煤阶段(V daf<15%),随着挥发分的增加,瓦斯解吸量和初始扩散系数显著减小。在中、低阶煤阶段(V daf>15%),随着挥发分的增加,二者缓慢增加。

受限空间煤粒瓦斯吸附扩散特性及模型适配差异分析

瓦斯吸附扩散系数与解吸扩散系数存在差异,而直接采用定压边界的单孔扩散模型拟含吸附数据从而获得定容条件下的吸附扩散系数有所欠妥。为了对比定压扩散模型和定容扩散模型的拟合差异,正确评价不同边界条件下的瓦斯扩散过程,采用工业分析、等温吸附及吸附扩散动力学试验的方法,对不同初始压力下煤粒的吸附平衡过程及扩散系数变化进行了试验研究。研究发现,定容条件下试验煤样吸附压力随吸附时间呈对数曲线逐渐降低,而吸附平衡时间的长短由煤体的孔隙结构决定。另外,根据真实气体状态方程,可将压降规律转换为吸附规律。利用定容和定压2种扩散模型对瓦斯吸附扩散规律进行拟合,可以发现定容扩散模型要比定压扩散模型拟合效果好,且定压模型测得的扩散系数较之真正的定容扩散系数要大约2倍,并随着初始压力的增加其倍数逐渐增大。恒定压力的边界相当于给了瓦斯分子一个容易逸散的空间,相较于浓度逐渐升高的定容边界来说,扩散难度更小,扩散系数更大。最后,根据定压扩散系数以及定容扩散系数的差异,确定了试验中以及工程中2种扩散系数的应用范围:定压扩散模型适合描述试验中的定压吸附或者定压解吸试验,以及工程中煤层卸压区等高渗区的瓦斯运移规律。相对地,定容扩散模型则适合描述试验中的定容吸附或定容解吸试验,以及工程中被煤层低渗区隔绝的瓦斯运移规律,如应力集中区隔绝的区域或断层、褶曲等构造煤发育的部位。

瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型

为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出了瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究了不同注浆压力下的浆液扩散分布特征与考虑浆液黏度时变性对注浆扩散范围结果的影响,并在新义煤矿开展现场试验验证。研究结果表明:①瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型,综合考虑了浆液黏度时变性以及注浆压力对煤体形变的影响,可以更全面地对注浆时浆液扩散特性进行预测;②水灰比为0.9时,水泥砂浆注浆效果较好,对应的水泥浆黏度随时间增大逐渐增大,呈指数函数关系增长;③浆液黏度时变性对浆液扩散范围有直接影响,考虑浆液黏度时变性较将浆液黏度考虑为常数时浆液扩散范围更小;④通过瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型的现场实际验证效果可知,最优封孔注浆压力为1.4 MPa。研究结果可为进一步优化水泥砂浆注浆封孔方案和提高瓦斯抽采钻孔封孔质量提供理论支撑。

“爆破安全”课程融合实验教学体系构建与实践

为有效破解“爆破安全”课程真实实验难以开设的难题,基于虚拟仿真技术及其相关专利技术,展开融合实验教学体系构建与实践研究。以爆破安全工程中的“巷道掘进爆破安全设计与实现”环节为例,开发了巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台,可以实现爆破方案设计、爆破施工以及爆破危害监测的全工艺流程;配套开发了巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真平台,可以实现炮烟中毒事故动画演示,并可在虚拟环境中交互式完成工人自救互救、救援人员救援两项实际操作;研发了岩巷掘进爆破仿真模型及教学用模拟电雷管,可完成炮孔布置、雷管检测、起爆网路连接与网路导通性检测四项实践操作。基于此,进行了融合实验教学内容设计,研究探索型的线上实验具有启发式、探究式、多途径与多方案的特点;综合设计型的线下实验具有互动式、团队式与设计性的特点。教学实践表明:线上虚拟仿真实验不仅极大丰富了实验教学形式、增强了实验课程的趣味性,同时突破了时间、地域对于实验课程的限制,学生随时随地皆可通过网络完成实验任务;而线下实体仿真实验,不仅培养了学生团队合作精神,而且加深了学生对课堂所学理论知识的理解与应用,其动手操作能力得以同步提高。融合实验教学体系构建了虚实结合、相互补充的混合式教学模式,为破解爆破类实验课程难以开设的难题提供了思路与参考。

基于Adam优化深度神经网络快速确定瓦斯抽采半径

为解决煤矿瓦斯有效抽采半径难以快速准确确定的问题,采用基于Adam算法优化DNN(深度神经网络)方法来预测瓦斯抽采半径。查阅文献共收集已得到验证的970组数据集,每组数据选取煤层瓦斯初始渗透率、钻孔直径、抽采时间、地应力、煤层初始瓦斯压力作为预测模型的5个特征量,有效抽采半径作为目标输出值。接着预测模型进行不断学习和训练,最终训练得到1个最优的瓦斯有效抽采半径预测模型。利用训练好的最优预测模型结合Python语言开发出计算有效抽采半径的软件,并使用该软件在四季春煤矿和鹤煤六矿进行有效抽采半径预测的工程实例研究,验证该软件预测抽采半径的实用性和准确性。研究结果表明:通过使用开发的软件,可快速且较准确地计算出矿井瓦斯有效抽采半径,可为暂不具备现场测试条件的矿井抽采设计提供一定的参考依据。

废弃煤矿瓦斯资源信息管理云平台研发

针对在我国煤炭行业改革的大环境下的废弃矿井瓦斯利用与规划问题,为了能更直观、清晰地查阅管理数量庞大且繁杂的废弃矿井瓦斯赋存资源信息,更智能地对废弃矿井瓦斯资源的可抽性进行评判,建立包含废弃煤矿瓦斯含量、瓦斯资源量等多源异构信息的数据仓库,开发了具有快捷编辑、多源查询、动态更新、可视统计、空间分析、图表制作等功能为一体的子系统;并在构建废弃矿井瓦斯(煤层气)抽采可行性评价指标体系及可靠分析模型的基础上,研发了包括评价因子分层次选取、评价方法及模型内嵌设置、分析参数动态调整、评价结果误差对比分析等全过程的废弃煤矿瓦斯可抽性自动评估子系统,并将此云平台应用于河南焦作矿区,可为矿区安全状态快捷评价及可靠分析提供支撑。

含瓦斯煤受载破坏瓦斯涌出的前兆特征研究

为准确识别瓦斯涌出前兆信号,利用含瓦斯煤渗流试验系统开展不同加载速度条件下的含瓦斯煤受载破坏试验,分析不同加载速度条件下应力-瓦斯涌出特征,根据临界慢化理论研究煤体破坏过程中瓦斯涌出特征。结果表明:不同加载速度条件下的瓦斯涌出随应力的增大表现出先减小后增多的特征,且煤体破坏前瓦斯涌出有明显的升高特征;随着加载速度的提高,瓦斯涌出的上升趋势越来越超前于煤体破坏;煤体在破坏前表现出瓦斯涌出的方差、自相关系数增大的临界慢化特征,窗口长度、滞后步长取值大一些有利于含瓦斯煤破坏前兆的精准识别。

掘进巷道停风期间瓦斯超限应急处置技术研究

为解决掘进巷道停风导致的瓦斯浓度超限问题,提出1种利用瓦斯抽采管路进行局部抽出式通风的应急处置技术措施,并采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对比分析掘进巷道停风期间采取应急处置技术前后的掘进巷道瓦斯浓度分布规律和防治效果。结果表明:对掘进巷道内现有的瓦斯抽采管路进行改造,在掘进巷道停风情况下利用瓦斯抽采管路中的负压对掘进巷道进行临时抽出式通风是1种有效的瓦斯超限应急处置技术;负压通风量的大小应依据生产现场的实际状况进行决定,掘进巷道若能在37 s内恢复正常通风,则可选取较小的负压通风量(5 m^(3)/min)进行临时通风;若超过37 s仍不能恢复正常通风,则应选取较大的负压通风量(>5 m^(3)/min)进行临时通风。

瓦斯积聚量及爆炸距离对风机和防爆门的影响研究

为揭示瓦斯积聚量及瓦斯爆炸距离对风机和防爆门的影响机制,利用Fluent模拟软件,结合宁煤集团羊场湾矿的实际情况,在构建三维数学物理模型的基础上,开展不同瓦斯积聚量(56.52,113.04,169.56,226.08 m3)和不同爆炸距离(20,30,50,70 m)条件下的模拟研究。研究结果表明:风机和防爆门处超压峰值随瓦斯积聚量增加而增加,均呈线性关系,瓦斯积聚量为56.52 m3时风机处超压峰值为0.260 MPa,小于风机破坏荷载0.306 MPa;考虑安全系数前提下,当瓦斯积聚量超过56.52 m3时防爆门应开启保护风机;在确定瓦斯积聚量为56.52 m3基础上,分析不同爆炸距离对风机和防爆门影响,由模拟结果可知,风机和防爆门处超压峰值随爆炸距离增加而降低,均呈幂函数关系。研究成果可为瓦斯爆炸对风机和防爆门的影响研究提供指导。

回采工作面瓦斯爆炸风门冲击载荷研究

为研究瓦斯爆炸后瓦斯积聚体积对风门冲击载荷的影响,结合羊场湾矿井Ⅱ020612回采工作面风门实际情况,运用Fluent软件对上隅角瓦斯积聚体积为5,35,65,95,125,155,185 m^(3)条件下的风门冲击载荷进行研究。结果表明:风门冲击载荷随时间变化出现2次峰值,第1次峰值为风门冲击载荷最大值;若风门间距离较近,则风门间的互相影响使冲击载荷形成第3次峰值。风门爆炸冲击载荷最大值与瓦斯积聚体呈现幂函数增加关系;风门达到冲击载荷最大值的时间随着瓦斯积聚体积增加呈现幂函数减小关系。研究结果可为瓦斯爆炸对风门的影响研究提供依据。

矿用胶带和电缆燃烧特性试验研究

为了防范矿用胶带和电缆燃烧火灾,文章采用FTT锥形量热仪测试并研究了其燃烧特性,并使用火灾危险性指标进行分析。试验测试胶带、电缆外护套和电缆绝缘层在30、40、50 kW/m^(2)热辐射强度下的燃烧特性,建立了热释放速率经验预测模型。结果表明:热释放速率曲线在上升阶段和下降阶段分别呈现出幂函数和指数函数规律;热辐射强度的增大使材料热分解加快,燃烧反应历程缩短,点燃时间缩短,耐热能力变弱,火灾危险性增大。

深部煤层抽采钻孔变形失稳影响因素研究

为了研究深部煤层抽采钻孔变形失稳的主控因素,分析了抽采钻孔变形失稳机理,建立了三维数值模型,研究了钻孔埋深、侧压系数等对钻孔稳定性的影响,最后确定了地应力为抽采钻孔变形失稳的主控因素。结果表明:①随着钻孔埋深的增加,钻孔围岩的最大垂直位移、最大水平位移和最大垂直应力都随之增加,并且埋深扩大1倍,位移最大增加6.11倍,最大垂直压力增加1倍,最大垂直应力所处位置距钻孔表面距离不断增大,但垂直应力集中系数基本不变。②随着侧压系数的增大,钻孔围岩的最大垂直位移和最大水平位移都增大,最大垂直位移增加速率较快,并且侧压系数扩大1倍,钻孔的最大位移变为原来的3.29倍;钻孔最大垂直应力随之缓慢增加。③孔径和瓦斯压力对钻孔稳定性影响较小。孔径或瓦斯压力的增加导致钻孔的最大垂直位移、最大水平位移和最大垂直应力都缓慢增加。④采用套管对钻孔进行支护,钻孔变形得到一定的控制,最大垂直位移和最大水平位移都明显减少,最大垂直应力所处位置至钻孔的距离与应力集中系数都减小,并且PP套管效果最佳。⑤由埋深和侧压系数(地质构造)决定的地应力是钻孔失稳的根源,是影响抽采钻孔稳定性的主控因素。研究结果可以为矿井瓦斯治理提供理论基础。

纵向通风下卜型分岔隧道火灾烟气流动特性的数值模拟分析

为研究纵向通风下卜型分岔隧道内火灾烟气的流动特性,建立1∶10的卜型分岔隧道缩尺寸模型,分析火源功率和主隧道内的纵向风速对隧道内温度场和临界风速的影响。研究结果表明:其他条件不变时,随火源功率增大,主隧道内热烟气流动范围增大,热烟气最大温升增大;随通风风速增大,隧道内向主隧道下游运动的热烟气比例增加,进入支隧道的烟气减少;研究提出纵向通风下分岔角度为120°的分岔隧道顶棚下方最大温升的关系式以及临界风速表达式,为分岔隧道火灾烟气控制提供参考。

超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析

在如今的双碳背景下,超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体,还能用于地质封存二氧化碳,因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰,故为掌握其作用机理,探究其主要影响因素,进行了数据处理和总结分析。首先,明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3个方面:对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次,阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率,并得到了主要因素与煤体特性之间的关系:煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低,随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大,且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系;煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化,且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后,对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨,指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响,以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析,可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究,可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。

基于AutoCAD的钻孔智能设计系统

为解决传统钻孔设计过程中存在钻孔设计周期长、设计效率较低、易出现人为失误等问题,采用Python语言对AutoCAD进行二次开发,对钻孔智能设计方法及自动化绘图方法进行研究,以煤层相关参数为输入数据,以钻孔的空间位置参数和钻孔布置图为输出结果,对钻孔进行智能化设计。研究结果表明:该系统可以显著提高钻孔设计的速度及准确度,系统在鹤煤八矿进行抽采钻孔智能设计的实际应用,验证系统的设计效果;系统可快速并且较准确地进行瓦斯抽采穿层钻孔的智能设计,极大程度减少瓦斯抽采空白带区域的面积,提升煤矿企业瓦斯抽采工程设计效率。

不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究

为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微CT扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固−气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力−应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征。研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大。含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力−应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失。三轴固−气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸2种张拉裂隙,2种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状。含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系。

TiO_(2)光催化强化[HO_(2)MMim][HSO_(4)]-H_(2)O_(2)脱除煤中有机硫的研究

燃煤中的硫严重影响了煤炭的高效利用,将光催化氧化引入到萃取脱硫体系,可以显著地提高离子液体萃取脱硫效率.为了进一步研究脱硫机理,采用实验结合计算机仿真模拟对其进行了分析.实验结果表明将光催化反应过程与离子液体萃取过程耦合,可有效脱除煤中的有机硫,[HO_(2)MMim][HSO_(4)]−H_(2)O−H_(2)O_(2)−TiO_(2)(质量比5∶5∶10∶4)光催化处理后的煤的有机硫脱硫率最高可达12.40%.Materials Studio分析得出由光催化产生的羟基自由基(·OH)具有较强的氧化性,·OH的氧原子附近所在区域呈负电性,容易与噻吩中S原子的正电势点产生静电力并形成S=O双键;另外,离子液体的加入使得原本噻吩环上的最低空轨道消失,还降低了最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)的能级差,使反应更容易进行.使用COSMO软件分析发现离子液萃取作用体现在[HO_(2)MMim][HSO_(4)]中咪唑的五元杂环结构通过范德华力与噻吩、砜分子之间成键,使硫化物不断被萃取到离子液体相中;外加氧化剂使反应中化学势较高的砜比噻吩更容易进入到化学势低的离子液[HO_(2)MMim][HSO_(4)]中.

高压磨料水射流切割破碎岩石的单轴力学特征研究

高压磨料水射流切割破碎后岩石的力学参数变化对于岩石的进一步破碎具有重要的影响。选取了砂岩、灰岩与花岗岩在水射流切割平台上开展了磨料射流冲击切割试验,对切割后的岩石进行CT扫描并重构岩石在不同冲击切割条件下的三维破碎形态,最后通过单轴压缩试验对比分析了岩石试件在磨料射流冲击切割前后的力学响应特征。研究结果表明:①在相同的射流参数条件下,岩石在磨料射流的移动切割下大多出现较为规整的缝槽形态,而定点冲击则出现孔洞破碎形态,前者比后者在岩石内部造成的损伤破碎程度更大;②磨料射流的冲击切割作用导致岩石试件在单轴压缩过程中出现折断型破碎形态的概率增加,且这种增加趋势随着切割长度的增加而愈加显著,但切割作用几乎不改变岩石试件的应力应变趋势;③岩石试件的单轴抗压强度与泊松比随切割长度与射流压力的增加呈现近似线性降低的趋势。该研究结果可为高压磨料水射流煤层割缝卸压的工程应用提供一定的理论指导。