大采高综采工作面撤架期间采空区浮煤自燃防治技术研究

随着煤矿高产高效开采技术的发展,采空区浮煤自燃灾害威胁着煤矿工人的生命财产安全。针对羊场湾Y212工作面撤架期间采空区浮煤自燃特点与工作面实际开采条件,通过对工作面气体情况和井下实际生产条件的分析,提出在工作面前方重新施工巷道,采用高位孔灌注胶体材料、封闭注氮相结合的降温、降氧的防灭火方案,有效控制了该工作面在停采撤架期间的CO气体浓度和温度,为成功回撤奠定了基础,也为易自燃厚煤层自然发火机理研究与防治积累了主要的技术数据和实践经验。

华亭煤自燃特征温度的TG/DTG实验

选取华亭煤作为研究对象,通过X射线衍射和不同氧化条件下的热重分析(TG-DTG)实验,分析计算了煤样的微晶结构参数,掌握了煤样结构特征,并运用非等温动态热重法和微商热重分析手段,研究分析了煤氧复合过程,得到了煤样自燃过程中的特征温度。研究表明,华亭煤样热失重和失重速率曲线变化反应了煤氧复合过程中物理吸附、化学吸附和化学反应的不同历程,煤氧复合过程及复合程度可以用特征温度点来表征。

水分对孟巴矿煤特征温度影响的实验研究

采用GC-4075型煤自燃测定仪、DSC(差热分析)系统和程序升温实验系统,对孟巴矿不同含水煤样的色谱吸氧量拐点温度、DSC"0"值点温度和拐点温度、临界温度,以及φ(CO2)/φ(CO)比值拐点温度进行了分析,确定出水分对各特征温度的影响规律,为孟巴矿主采煤层自然发火的预测预报提供基础数据与理论支持。

高瓦斯矿井综合瓦斯治理技术研究及应用

白羊岭矿为高瓦斯矿井,矿井瓦斯含量大,工作面绝对瓦斯涌出量为120.7 m3/min。为了有效地防治该矿瓦斯超限,特对掘进巷道采取了浅孔注水、深孔抽放的瓦斯治理方法。同时,通过对邻近层瓦斯抽采、生产工作面上隅角和采空区瓦斯进行治理,彻底地改变了该矿井瓦斯超限的现状。

矿井通风系统现状模拟中的双约束最优化风阻修正方法

针对使用网络解算方法进行矿井通风系统现状模拟时需要人工反复调整风阻、模拟结果与实测结果吻合度不高的问题,建立了矿井通风系统现状模拟的双约束最优化风阻修正模型;该最优化模型以分支实测风量、初始风阻为原始数据,以对初始风阻的修正量最小为目标函数,以回路风压平衡方程和节点流量平衡方程为等式约束条件,以井巷风阻的上、下限值为不等式约束条件;采用拉格朗日乘数法先求解等式约束条件下风阻修改量的最优解,再使用迭代法求得不等式约束条件下风阻修改量的最终解。开发了相应的软件,通过实例应用表明:针对不等式约束条件的迭代求解流程在应用实例中经过12次迭代后得到收敛结果,经本模型修正后的风阻能使网络解算的风量、风机风压与实测值完全吻合;仅考虑等式约束条件下的最优化模型有可能得到极小、甚至为负的无意义风阻值,考虑风阻限值的双约束模型可以将风阻限定在合理取值范围之内;开发的软件将风网解算与最优化方法同时用于矿井通风系统现状模拟,减少了人工反复调整风阻的繁琐操作。

矿井采空区漏风问题的迎风有限元求解技术及其应用

为模拟矿井采空区漏风引起的煤自燃与瓦斯问题,建立了采空区"瓦斯-氧"对流扩散过程的迎风有限元统一求解模型。分析了基于伽辽金法的采空区流场有限元求解技术。给出了采空区"瓦斯-氧"对流扩散过程的统一模型,针对标准伽辽金有限元法求解统一模型时计算结果振荡的问题,采用迎风有限元方法得到模型的稳定解。基于三角形单元离散的采空区,给出了以所有节点的压力以及气体浓度为未知数的控制方程组。使用VC++开发了模拟软件,采用典型算例对软件的稳定性与实用性进行了验证,模拟结果表明:煤自燃耗氧导致采空区氧浓度降低,可爆瓦斯浓度范围5%～15%不再适用,采空区内具有瓦斯爆炸危险性覆盖的区域随遗煤耗氧与瓦斯涌出情况而动态变化;开发的软件可以直接划定采空区内煤自燃三带及具有爆炸危险性的采空区区域。

矿井风网与采空区流场边界耦合模型与求解技术

为揭示煤矿巷道和采空区中整体风流的流动机理,通过将采空区漏风边界的流量添加到矿井通风网络,建立矿井风网与采空区流场的边界耦合模型。基于矿井通风网络的节点压力解算法与采空区渗流场的有限元求解法,研究矿井风网与采空区流场边界耦合模型的迭代求解流程。分析基于线性渗流模型求解采空区非线性渗流模型的方法及控制方程组,用PARDISO作为耦合模型中大型稀疏线性方程组的求解器的软件开发接口。采用VC++与ObjectARX编写相应的模拟软件(简称i-MVS)模拟2个算例,验证模型的有效性与性能。研究结果表明:采空区流场的模拟需要矿井通风网络的解算结果为其提供压力边界条件,对新的矿井通风网络的解算又需要采空区流场的模拟结果来提供漏风边界上的流量,两者之间形成了相互依赖的耦合关系;耦合模型中的新风网是一个含有边界流量的不闭合网络,必须采用矿井通风网络的结点压力法进行解算;耦合模型实现了矿井通风网络与多个采空区流场的集成求解,其计算量是常规采空区流场模拟的若干倍,采用PARDISO求解器实现了对耦合模型的高效求解;相比于常用的模拟煤矿采空区流场的方法,耦合模型的准确度提高了12%。

高温矿井采煤工作面风温模拟与应用

为解决高温矿井采煤工作面热害,利用Fluent模拟了不同进风温度下采煤工作面风温变化,分析了不同进风温度下工作面热环境改善效果,依据分析结果和计算公式得出采面需冷量。研究表明:当进风温度为24℃时,采煤工作面平均温度能降低2.5℃,能有效改善工作面热害问题;取制冷降温后采面进风温度为24℃,得出采面需冷量为440KW。

胶体防灭火材料阻化性能试验研究

为研究高分子胶体,水玻璃,粉煤灰复合胶体和黄土复合胶体等不同胶体材料对煤自燃氧化的阻化性能及区别,采用煤自燃程序升温试验装置,对不同胶体防灭火材料处理后的煤样的氧化性进行程序升温试验,通过对同等试验条件下各煤样的升温速率、CO产生率、耗氧速率等自燃参数分析判定各种胶体材料的阻化性能。试验结果表明:胶体材料对煤升温速率、CO产生率和耗氧速率均具有一定的抑制作用,且各种胶体材料均具有比水好的阻化效果,其阻化效果由好到差依次为高分子胶体,水玻璃,粉煤灰复合胶体和黄土复合胶体。

松散地层深部沉降变形的光纤Bragg光栅监测

为了监测松散含水地层沉降变形，提出了一种在预设钻孔中埋入光纤Bragg光栅传感器网络系统的监测方法．根据光纤Bragg光栅传感原理和矿井地层情况，设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用／空分复用混合阵列，研究了光纤Bragg光栅传感器应变传递规律，通过监测得出了风井松散层应变变化情况，在146～149m的砂砾层和167～176m的黏土层处应变最大，截至2008—05—01最大应变变化量为121．68με。工程实践表明，光纤光栅传感器监测正常，系统稳定，光纤光栅作为应力应变检测使用安全可靠。

基于光纤光栅监测的松散地层深部注水试验

为了探索厚松散地层深部失水层位的钻孔注水特性,采用一种新型的光纤光栅传感系统实现了某矿松散层注水过程中应变的在线监测。介绍了在深度+115.83～+135.15 m处松散层注水实施过程,及通过2个钻孔对注水层位应变和水位监测的光纤Bragg光栅系统及水位监测系统,注水试验注水压力值依次为0.1,0.2,0.3 MPa和总注水量达到4226.84 m3。分析了注水压力、注水量和松散层应变变化的关系,松散层在注水前后和过程中松散层应力应变状态。试验表明,随着注水压力升高和注水量增加,松散层压缩状态得到改善,较注水前,注水后注水层位呈明显拉伸状态。光纤光栅监测系统灵敏、稳定,能够实现对松散层深部注水的过程实时监测,试验为进一步实施松散层地区沉降治理提供了重要的依据。

多孔低压注水过程松散层沉降研究

为改善因水位降而导致的地层持续沉降,采用多孔联合长期注水的方法使松散层失水沉降得到控制。用地层光纤光栅监测系统对地层应变进行实时监测,提出了松散层压缩量计算的应变量模型,由此可以掌握注水对地层沉降的影响效果。介绍了编号Z2,Z4,Z5,Z6四个注水孔在深度138.80～171.40 m区间的注水过程,以及编号Q下-1,Q下-3,Q下-4,Z1四个水文观测孔在深度114.00～176.40 m区间的水位变化,和对应地层应变的光纤光栅监测的结果。随着注水量的增加,松散层压缩状态得到改善,由压应力向拉应力状态发展,光纤光栅传感器波长变化与同层位的水位变化趋势具有同步对应关系,注水量每增加1 000 m3,松散层微应变增大1.715。监测表明,注水单孔流量3.79～6.00 m3/h,年注水量达到132 973.23 m3,可以控制松散层的沉降发展。

王洼二矿综放工作面煤自燃灾害防治技术

王洼二矿215021综放工作面在撤架回收准备阶段,进风侧采空区内遗煤发生自燃,出现了工作面CO气体浓度超限的现象,影响了工作面支架的安全撤出。结合现场实际情况和煤层赋存条件,分析CO气体浓度超限的原因并制定了治理方案。采用高位钻孔压注黄泥浆和高分子胶体为主要防灭火技术,并配合降低风量、上下端头封堵等措施,使工作面架间CO气体浓度恢复正常;回风流的CO气体浓度从最高的77×10^(-6)下降到11×10^(-6),并一直稳定维持在24×10^(-6)以下,实现对火区的有效控制,保证了工作面支架的安全撤出。

CO在煤体表面的物理吸附特性模拟研究

文章以CO作为研究对象,采用量子化学方法,基于密度泛函理论(DFT),选取B3LYP/6-311G基组,模拟研究CO在煤表面不同位置的吸附特性。模拟计算结果表明:CO能够在煤体表面发生物理吸附,CO在羧基上吸附时,释放的吸附能约为151.17kJ/mol,说明吸附作用较强;而CO在煤表面其他位置吸附,吸附能为负值,说明CO需要从外界吸收部分能量才能发生吸附,即CO能够在氧化程度比较高或者高温区域附近的煤体表面吸附能力较强。

煤矿无轨胶轮车防跑车技术研究

为了解决煤矿无轨胶轮车跑车带来的安全问题,基于煤矿轨道运输防跑车装置及高速公路紧急避险车道工程经验,从人、车、路、行车环境等几方面对煤矿无轨胶轮车防跑车技术做了系统地研究。提出了预防和紧急避险的理念,设计了常开智能柔式防跑车装置及紧急避险车道的具体参数和理论计算公式。解决了无轨胶轮车防跑车技术难题,为运输安全管理提供了参考依据,具有较好的推广应用前景。

基于光纤湿度传感器的物理模型材料温湿度耦合研究

为了获得矿山开采物理模型的湿度,研制出一种采用聚酰亚胺薄膜材料涂敷的光纤布拉格(Bragg)光栅湿度传感器。提出了聚酰亚胺溶液与光纤Bragg光栅的耦合方法,采用提拉法涂敷制作湿度监测的光纤Bragg湿度传感器(PFBG),进行湿度范围20%~90%RH的标定。物理模型材料在环境温度35℃,湿度35%~65%条件下的试验,得出了增湿和降湿过程中内部湿度达到相对平衡的稳态时间,以及引起的温度变化规律。试验表明,增湿过程,模型内部温度和湿度达到稳态的时间相近;降湿过程,模型内部湿度达到稳态的时间是温度达到稳态时间的2.5倍。在模型内外湿度差相同情况下,模型内部增湿响应速率是降湿速率3倍;外界湿度变化30%RH,模型内部温度变化2.3℃.其研究成果有助于认识物理相似模型干燥过程和确定干燥时间。

古拉本煤田火灾烧变岩固体废料充填新技术研究与应用

煤田火灾烧毁了大量的煤炭资源,不但造成巨大经济损失,同时还造成地面植物枯萎、大气有害气体增加、地表下沉等环境破环现象。针对古拉本矿区煤田火灾产生的烧变岩固体废物利用的新技术进行讨论,介绍了煤田火灾烧变岩的来源及对环境的危害,并结合火区处理过程中的特点和方法,成功地将固体废物烧变岩利用到矿区的充填中,起到治理煤田火灾和充填烧变裂隙作用,具有较大的应用价值。

采动覆岩结构演化特征及对地表沉陷的影响分析

为掌握地下煤矿采空区覆岩层破坏特征及其对地表沉陷影响,准确预计地表移动变形值,针对不同的开采进度,从土力学与材料力学角度出发,分析了煤层上覆岩层结构变化特征,将其概化为3种形态梁模型:简支梁、悬臂梁、砌体梁,并考虑采空区是否充满与多层梁共存状态的情况,分别建立了相应的力学模型进行相关力学分析,依据公式推演分析了各阶段覆岩层的破断演化形态;基于不同阶段的覆岩层结构破坏状态,详细揭示了各阶段之间演化规律,并依据梁变形理论推算出各阶段覆岩结构的变形公式;结合离层在采空区净空间的传递衰减作用与其自身的动态发展过程,建立了充分采动离层从产生到发展为超充分采动离层的数学模型,推导出覆岩层的离层横向宽度;根据离层最后阶段的动态变化与发展的横向宽度,通过将离层的横向宽度作为下一上覆岩层梁模型的跨空距离,设计出充满离层与未充满离层状态下地表变形下沉的理论预计模型;为突出推导理论预计模型的相符性,通过实测数据与数值模拟相结合的方法对理论预计模型进行了验证,结合三道沟煤矿实测数据建立数值模拟模型,与实测数据进行比较得出最大相对误差为5.8%,在允许误差之内,将理论预计模型结果与数值模拟结果进行验证,验证了理论预计模型的合理性。

纳米铝粉点火机理的快速光谱研究

用光触发同步采集技术在多光谱系统上测定纳米铝粉与环氧丙烷快速反应的点火延迟时间和基团光谱强度,得出诱导激波作用下纳米铝粉的点火机理。X射线衍射(XRD)数据表明,等离子体方法生产的纳米铝粉由于活性较高表面有部分氧化,电子能谱(XPS)给出结果表明氧化层厚度～3nm,且其反应生成物的电子能谱显示氧化层厚度随诱导激波强度增加而相应增大。单色仪测定AlO(464.8nm)点火时间表明随诱导激波强度增大,纳米铝粉在环氧丙烷反应系统中的抛撒状态分布更均匀,颗粒受热面增大,受热率明显增大,且激波作用下铝粉表面3nm厚氧化层也极易被熔破,使内核活性铝气化与反应系统中的氧原子及含氧分子反应放热而达到点火状态。

含水率对相似材料模型强度的影响规律

为减少含水率对相似材料模型强度的影响,利用时域反射技术对相似材料模型含水率变化特征进行了监测,通过不同含水率值的相似材料试件,获得了相似材料试件单轴抗压强度与含水率的关系;提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率,得出了含水率变异函数表达式;以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象,搭建了长×宽×高为1 000 mm×120 mm×700 mm的相似材料模型,利用FDR传感器监测模型含水率,绘制模型含水率分布图。结果表明,当配比为8∶3∶7且含水率在0.2%~2.3%之间时,相似材料试件的单轴抗压强度与其含水率呈负线性关系;通过模型含水率分布云图,模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征,中硬度岩石相似材料模型含水率值达到1.7%~2.2%时,模型强度达到预期强度;相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度,中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判模型干燥养护程度的方法,为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。