京西地质构造对矿井动力灾害的影响

研究京西(燕山西段及北京西山地区)区域地质构造及其演化对煤层的赋存控制作用,对揭示京西煤矿矿井动力灾害发生的动力学背景具有重要意义。从京西煤田内矿井动力灾害发生的区域构造背景入手,结合构造应力场分布特征,利用地质动力区划构造凹地反差强度评价方法,对具备发生动力灾害条件的矿井给出量化评价指标。通过分析确定,京西煤田开采矿井具备发生矿井动力灾害的动力环境,这对指导矿井安全开采具有现实意义。

基于核磁共振技术不同煤样吸附CH4实验研究

为研究CH4在高、中、低阶3种煤样(无烟煤、焦煤、长焰煤)中的吸附特性及分布规律,采用低场核磁共振技术在不同吸附时间、不同压力条件下分别进行不同煤样的吸附甲烷实验。从微观上分析时间效应、变质效应、压力效应对煤吸附CH4的影响规律及甲烷在煤上各个孔径阶段分布变化。结果表明:随着吸附时间的增大,3种煤样的吸附态T2谱振幅积分均增加,大小依次为无烟煤>焦煤>长焰煤,吸附速率呈先快后慢的趋势,而游离态的T2谱振幅积分和区间范围逐步减少;随着注气压力的增加,3种煤样的吸附态和游离态的T2谱振幅积分和区间范围逐渐增大,吸附态T2谱积分曲线符合等温吸附方程,游离态T2谱积分曲线与压力呈正相关;吸附态甲烷主要集中在微小孔中,游离态甲烷主要集中在大孔和裂隙中。

基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度

煤分子结构是影响煤氧化放热特性的根本原因。以水峪(SY)烟煤为研究对象,采用量子化学计算与工业和元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温、差示扫描量热等相结合的方法,构建并优化SY煤的三维分子模型,并对煤的低温氧化放热强度进行研究。研究成果如下:SY煤的变质程度较高,其中碳元素主要以四取代的芳香烃和环烷烃形式存在,氮和硫元素主要以具有芳香性的吡咯和噻吩形式存在;碳氧官能团中醚氧键(C—O)、羰基(C=O)和羧基(COO—)的比例约为1.5∶1∶1.5,煤中氢键主要以羟基自缔合氢键为主。构建SY煤三维层状结构模型的分子式为C_(203)H_(140)O_(18)N_(2),分子量为2 893.01,确定煤低温氧化过程中的6种活性基团分别为:■;在煤的低温氧化阶段,前3种活性基团未发生开环反应,主要生成环己酮和H_(2)O,后3种活性基团可发生多步反应至最终产物为CO和CO_(2)。基团发生彻底氧化反应生成CO和CO_(2)的反应热分别为ΔH_(2)=-591.88 kJ/mol、ΔH_(3)=-7_(18).10 kJ/mol,未发生彻底氧化反应的最小反应热为ΔH_(min)=-366.99 kJ/mol,最大反应热为ΔH_(max)=-535.07 kJ/mol;结合耗氧速率、CO产生速率和CO_(2)产生速率,可计算得到SY煤在不同低温氧化阶段的放热强度,与差示扫描量热实验所得放热强度相比,计算值和实验值基本一致,说明采用量子化学方法计算煤放热强度的可行性。

烟煤升温氧化的影响因素及其低温热解动力学

为探讨烟煤升温氧化反应特性及其影响因素,利用热重法研究了不同含水率及不同粒度烟煤在10℃/min加热速率下的热失重过程,并应用Coats-Redfern积分法进行低温热解动力学分析。结果表明,水分蒸发和气体解吸附、增重与结构氧化分别主导其2步氧化机制。第1阶段温度阈值随含水率的增加先减少后增加,且含水率为9.16%的煤样S3温度阈值最小,含水率在第1阶段反应过程中影响显著;第1阶段温度阈值及自燃阈值随粒度增大而升高。选用一级反应模型和二级反应模型分别用于计算2个反应段的表观活化能,所得相关系数R2>0.98,活化能与频率因子之间存在动力学补偿效应,且发现煤样S3及粒度最小的煤样L5(19.21μm)较同组其它煤样相比,需要较少的活化能以克服反应壁垒,表明其具有较高的自燃危险性。

对《煤矿井下热害防治设计规范》部分条文的商榷

针对现行国家标准《煤矿井下热害防治设计规范》(GB 50148-2007)中关于专业术语、制冷设备及井下冷水泵扬程确定中存在的不准确或不明确之处,指出专业术语应易于专业及相关技术人员的理解与掌握;对相关设备性能参数的要求应建立在对国内相关设备性能参数充分调研的基础上.通过对井下冷水管路系统形式的分析,给出了扬程的计算方法并对其差异进行了比较,指出水泵扬程的确定应根据管路系统形式的差异进行具体分析.

煤层注热CO_(2)驱替CH_(4)特性实验研究

为研究注CO_(2)增产煤层气过程中注气温度对煤层渗透特性变化的影响,利用自主研发的CO_(2)置换驱替CH_(4)实验系统,在注气温度为40,50,60℃条件下进行CO_(2)置换驱替CH_(4)实验,定量分析置换驱替过程中出口气体流量、孔隙压力以及煤层渗透率等变化规律。研究结果表明:在实验测试的40~60℃范围内,提高CO_(2)注入温度有助于产出更多的CH_(4)及封存CO_(2),CO_(2)注入温度越高,出口混合气体流量和CH_(4)气体流量越大,呈现出先升高后降低并趋于稳定的变化趋势,实验结束时置换体积比分别为2.704,2.741和2.595,注气温度为60℃时驱替效果较好,每产出单位体积的CH_(4)注入的CO_(2)量最少;煤层孔隙压力随注气时间呈现先逐渐上升后趋于平稳的变化趋势,逐渐趋近注气压力0.8 MPa;注CO_(2)置换驱替CH_(4)及提高CO_(2)注入温度会降低煤层的渗透性,注气温度恒定时,渗透率随注气时间增加呈现先逐渐降低后趋于平稳的变化规律,注气温度由40℃升至60℃时,渗透率从0.0171×10^(-15)m^(2)下降至0.0098×10^(-15)m^(2),降低幅度为34.50%~42.69%。

低阶煤燃烧反应动力学参数实验研究

为了研究低阶煤自燃危险性及预防煤炭自燃,通过热重试验确定低阶煤样各阶段温度范围,采用Freeman-Carroll法建立了反应机理函数f(α)求解预热失水阶段与吸氧增重阶段煤的指前因子和活化能,并对反应动力学参数指前因子和活化能变化规律进行了分析。结果表明:3种低阶煤预热失水阶段温度分别为20~117℃、20~108℃、20~171℃,氧化增重阶段温度分别为117~247℃、108~280℃、171~297℃;随着固定碳含量的增加,预热失水阶段与吸氧增重阶段活化能均增加,指前因子均下降;吸氧增重阶段活化能大于预热失水阶段,吸氧增重阶段指前因子小于预热失水阶段。

基于SSA−LSTM的风速异常波动检测方法

针对传统统计方法对风门开闭导致传感器监测数据异常波动的漏报率和误报率高的问题,通过挖掘风速传感器中时间序列数据中的数据特征,提出了一种基于奇异谱分析法(SSA)与长短期记忆神经网络(LSTM)组合的SSA−LSTM风速异常波动检测方法。首先利用SSA对风速传感器监测数据进行预处理,将风速数据分解为趋势分量、周期分量和噪声分量,通过重组趋势分量和噪声分量去除因湍流脉动产生的数据噪声;然后对LSTM进行参数优化,利用优化后的LSTM模型对预处理数据进行预测并得到重构风速;最后以对数概率密度函数计算监测风速与重构风速的异常分数,通过计算训练集数据样本的异常分数设定阈值对监测风速进行异常检测。试验结果表明:SSA去除因湍流脉动产生的数据噪声效果较好,在不影响数据波动情况下去除噪声分量,有助于提高风速重构效果和异常检测准确率;LSTM在无异常波动时能正确重构因湍流脉动导致的小幅波且与实际数据拟合效果较好,在有异常波动时根据历史波动趋势对异常波动段进行重构,可有效提高异常检测的准确率。通过对比分析,所提方法比ARIMA、BP、CNN模型的重构效果更好,异常检测准确率为99.2%,F1-Score为0.97,验证了所提方法的可靠性。表明本文所提方法在检测因风门开闭导致的风速异常波动上具有一定的应用价值。

抑尘液滴对煤表面动态润湿特征模拟评估方法

在煤体表面喷洒抑尘液是涉煤工业企业常用抑尘手段,而抑尘液滴撞击煤表面的润湿过程对抑尘效果具有重要意义。为研究抑尘液滴在煤表面动态润湿过程以及进一步评估液滴润湿性能,提出了液滴撞击煤表面过程中动态润湿指标,基于CLSVOF数值模拟法研究了液滴在煤表面动态润湿过程;利用无量纲润湿长度和无量纲润湿面积评价该过程中体现的润湿性能,并得出最大无量纲润湿长度与最大无量纲润湿面积相关理论表达,同时与表面张力的润湿性评估能力进行了比较。结果表明:CLSVOF方法能够较好地模拟液滴在煤表面的撞击以及动态润湿过程,可用来评估液滴对煤的动态润湿能力。液滴滴落在煤表面上,首先展铺为圆盘状,达到最大展铺时,圆盘边缘与中心存在速度差。当速度差较小时,液滴回缩汇聚成为一个液滴;当速度差较大时,液滴出现断裂行为,形成许多微小液滴。液滴粒径越大,断裂行为越早出现、现象越明显。一旦液滴在煤表面发生破裂,无量纲润湿长度与无量纲润湿面积并不是保持着一致性变化趋势,无量纲润湿面积评估能力更佳。液滴粒径相同时,撞击煤表面的韦伯数越大,润湿能力越好;相同速度下增加粒径对液滴润湿能力影响较小。与表面张力相比,无量纲润湿长度和无量纲润湿面积具有更好的液滴润湿性评估能力,体现出在润湿剂评价、优选中的潜在应用价值。

岩块尺度对采空区煤自燃区域的影响研究

为探究综放采空区岩块尺度对煤自然发火的影响,采用Fluent软件数值模拟不同直径岩块条件下采空区的煤自燃规律,分析采空区氧浓度场和风速场,分别以氧气体积分数和风速为指标,确定采空区氧化带面积并以二场叠加场作为采空区煤自燃危险区划分标准,研究煤自燃危险区域与岩块直径的关系。研究结果表明:当岩块直径由0增加到10 m时,以氧气体积分数为指标,氧化带宽度变小,面积由5563.84 m^(2)减至2602.69 m^(2);以风速为指标,氧化带面积由3376.60 m^(2)减至1262.95 m^(2);将2种指标确定的氧化带进行叠加得到煤自燃危险区,随着岩块直径的增加,其面积由1854.04 m^(2)减至552.91 m^(2),煤自燃危险区最大宽度由20.40 m缩减至9.06 m。研究结果可为采空区煤自燃发火区域的确定提供参考。

不同应力路径及围压下煤岩损伤能量演化

为研究煤岩体损伤演化过程中能量的转化机制,以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象,利用HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器,采用非接触式数字图像处理技术开展了不同应力路径及围压下三轴加载试验.研究结果表明:(1)不同应力路径及围压下三轴加载过程中煤岩损伤能量演化可分为压密、弹性与脆性跌落3个阶段;(2)试件在不同加载路径与不同初始围压下各阶段能量值相差较大,表现为在同一初始围压下,常规三轴加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量均大于三轴循环加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量;(3)三轴加载过程中,不同加载路径下试件轴向应变从压密到破坏阶段表现为整体波动与局部集中→局部集中→局部集中→整体波动与局部集中的发展规律;(4)不同加载路径及围压下破坏阶段试件的应力集中不同,常规三轴加载路径下破坏阶段试件的应力集中在低围压下以新生应力集中为主、高围压下以继承应力集中为主,三轴循环加载路径下破坏阶段试件的应力集中在高、低围压下主要以继承应力集中为主.

矿井通风参数缺失数据插补方法

矿井智能通风系统对矿山智能化建设至关重要。为解决矿井通风参数在实际测量时,因为巷道不具备测试条件、仪器信号受到干扰、巷道断面风速不均一、人工操作不当等制约性因素,造成的矿井通风参数数据缺失问题,提出了1种基于随机森林−链式方程多重插补法的矿井通风参数缺失数据插补方法。采用链式方程多重插补法,通过迭代对每个缺失的属性值产生n个插补值,从而产生n个完整数据集,对n个完整数据集进行分析优化得到1个最终的完整数据集。为了提高缺失值插补精度,合理考虑了矿井通风参数缺失数据的不确定性对分析过程的影响,在随机森林的预测任务中,结合预测均值匹配模型对缺失数据进行插补。以潞新二矿为实验对象,利用智能矿井通风仿真系统IMVS对潞新二矿矿井通风参数原始数据集进行数据预处理,得到完整、准确的矿井通风参数完整数据集,对完整数据集分别进行了不同缺失属性、不同数据缺失率、不同迭代次数的对比试验。以多种模型评价指标对模型有效性进行评估。结果表明:基于随机森林的链式方程多重插补模型插补形成的完整数据集与原始数据集具有很好的相似性;对不同缺失列进行插补实验的结果显示插补模型可以轻松处理混合类型的数据,自主学习参数之间的相关性从而降低了插补复杂性;迭代后形成的n个数据集通过分析合并成一个最终数据集,提高了插补准确率;对初始插补后的完整数据集进行不同迭代次数的试验,发现迭代超过一定次数后,数据相关性一定会收敛。

内蒙古铁北煤矿褐煤的CO_(2)/CH_(4)/N_(2)竞争吸附微观特性研究

为研究煤对CO_(2),CH_(4)和N_(2)混合气体的竞争吸附特性及微观机理,以内蒙古铁北煤矿褐煤为研究对象,基于元素分析、固体^(13)C核磁共振光谱(^(13)C NMR)分析、傅立叶红外光谱(FTIR)分析、X射线光电子能谱(XPS)分析和X射线衍射(XRD)分析等实验分析结果构建了铁北煤矿褐煤大分子结构模型,并进行了CO_(2),CH_(4)和N_(2)在铁北煤矿褐煤分子结构模型中吸附行为的分子模拟以及不同体积比CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)二元组分混合气体竞争吸附行为的分子模拟。结果表明:铁北煤矿褐煤的芳碳率为51.98%,芳香结构主要以苯和萘为主,氧元素存在于酚、醚、羰基和羧基中,含氮结构主要以吡咯和吡啶的形式存在,硫元素主要存在于噻吩硫中,芳烃取代方式主要为三取代形式,芳香桥碳与周碳的数量比X_(BP)为0.14。铁北煤矿褐煤大分子结构模型的分子式为C_(190)H_(200)O_(57)N_(2)。单组分气体CO_(2)/CH_(4)/N_(2)的吸附量和等量吸附热均随温度的升高而减小,温度升高对CO_(2)吸附量和等量吸附热的影响最大,对CH_(4)吸附量和等量吸附热的影响次之,对N_(2)吸附量和等量吸附热的影响最小。在CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)混合气体中,单组分气体的分压越大,该气体吸附量越大。CH_(4)与CO_(2)的等量吸附热差值大于CH_(4)与N_(2)的等量吸附热差值。

膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性及抑爆机理

为了探寻高效的抑爆剂,有效降低甲烷爆炸事故发生率,最大限度地降低事故损失,利用自主搭建的爆炸管网测试系统进行了膨润土粉体抑爆试验。将爆炸超压峰值、爆炸威力指数和爆炸火焰首次到达管网两出口的时刻作为表征抑制剂抑爆性能的参数,探究了不同粒径膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能,利用热解特性分析和分子动力学仿真探究了膨润土粉体的物理和化学抑爆机理。结果表明,粒径为>27~33μm的膨润土粉体对于管网甲烷爆炸的抑制性能最佳。膨润土粉体的物理抑爆机理为通过热解吸收反应热来实现抑爆目的;其化学抑爆机理为膨润土分子能够有效消耗反应体系中的自由电子和活性自由基,减缓甲烷链式反应速率。研究结论可为提高甲烷运输的安全性、有效降低灾害风险提供理论参考。

基于网格优化双层随机森林的采空区煤氧化升温预测研究

为了对采空区煤氧化升温的温度进行预测,在内蒙古某煤矿16402综放工作面进行长期的采空区气体和温度观测实验,采集到准确的采空区煤氧化升温过程中气体及温度数据,提出1种基于网格优化双层随机森林(WG-DRF)的采空区煤氧化升温预测方法,用该方法构建预测模型并与传统随机森林、BP神经网络和支持向量回归模型的预测结果进行对比。研究结果表明:WG-DRF模型预测的平均绝对误差MAE,均方误差MSE,决定系数R~2分别为1.725,6.158,0.903,优于其他模型。通过更换数据集对WG-DRF方法进行测试,验证双层随机森林模型具有较强的泛化性。研究结果可为采空区煤氧化升温的温度预测提供参考。

NH_(4)H_(2)PO_(4)-KHCO_(3)混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性

在自行搭建的管网实验系统中,将常用于抑制甲烷爆炸的碳酸氢钾KHCO_(3)与磷酸二氢铵NH_(4)H_(2)PO_(4)进行不同比例的混合。选取5种不同的粉体配比,对比单一粉体以及各抑爆工况下各测点的爆炸峰值压力、火焰峰值速度和火焰峰值温度等爆炸特征参数,获得抑制管网甲烷爆炸的最佳工况,并阐述了抑爆机理。结果表明:混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能优于单一粉体;KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)都易受热分解;其中,KHCO_(3)可以在相对较低的温度下迅速完成热解过程,从而吸收更多的反应热,抑爆性能优于NH_(4)H_(2)PO_(4)粉体;混合粉体中,抑爆效果随着KHCO3含量的增加显著提高。在5种混合比例中,当KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)质量比为2.0:1.0时,抑爆效果最佳。KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)表现出良好的爆炸抑制效果,研究所得结论可为抑制甲烷爆炸研究提供参考。

管道形状对超音速雾化降尘特性的影响

为治理煤矿行业中井下粉尘的污染问题,基于可压缩气流管内超音速流动理论,提出1种超音速雾化降尘技术;通过数值模拟的方法来研究不同结构、气动总压力对拉瓦尔喷管内超音速流动过程的影响,并通过激波、音速环以及轴向最大马赫数、轴线最大平均速度等现象来分析不同气动总压力下不同拉瓦尔喷管结构参数的超音速流动规律;搭建雾化特性实验平台,对最佳的喷管形状在不同的压力下进行降尘效率的计算,对比分析不同时刻和不同压力下降尘效率的变化规律。研究结果表明:凹形喷管在不同压力下的降尘稳定性最强,是制作雾化降尘喷头的最好选择。凹形喷管在不同压力下3种时刻的瞬时降尘效率都随着时间增加而逐渐升高,雾化降尘效果良好,当喷雾时间为3 min且气动压力为0.5 MPa时,凹形喷管的降尘效率为85.13%,降尘效率最高,降尘效果最好。研究结果可为治理煤矿井下采煤过程中的粉尘问题提供理论支持和治理手段。

铁北煤矿褐煤自燃预测函数模型研究

针对铁北煤矿褐煤自燃精准预测预报的难题,利用程序升温实验对煤样升温氧化过程中产生的气体进行分析,并选择Logistic函数、指数函数、Boltzmann函数以及四次多项式函数对气体数据进行拟合。研究结果表明:CO的初现温度约为50℃,且随温度的升高呈指数增长趋势,C2H4的初现温度约为140℃,可以作为煤进入加速氧化阶段的标志。依照指标气体优选原则,确定铁北煤矿褐煤自燃的单一指标气体为CO、C2H4,复合指标气体为CO/CO_(2)、C2H4/C2H6;Boltzmann函数模型对0~200℃温度范围内CO和CO/CO_(2)的拟合效果最好,拟合优度R2为分别为0.99995和0.99814,基于统计学特征确定了A_(1)、A_(2)、d_(x)、x_(0)等4个参数的数值并推导出指标气体浓度与煤温的函数公式,经过验证Boltzmann函数模型可以很好地运用到铁北煤矿煤自燃的预测中。

采空区地表InSAR形变监测与安全稳定性评价

为探明河南省平顶山市某变电站拟建场地的安全稳定性,避免采空区地表沉降或倾斜给变电站造成安全隐患,采用永久散射体(PS)合成孔径雷达干涉测量(InSAR)研究平顶山市2015—2022年间的45景Sentinel-1A数据,精细化分析拟建场地的9个代表位置的时序形变特征,进而建立基于InSAR监测的采空区地表场地安全稳定性评价机制,完成对场地的安全稳定性评价。研究结果表明:基于模糊数据集的模糊PS选点法可克服PS点密度低的弊端,有效增加分析可用数据,提升监测结果的准确性;依据基准点校正拟建区内代表点的时序形变后发现,拟建场地整体形变较小且逐渐呈现趋于稳定的趋势,最大沉降量为13.05 mm,最大沉降速度为5.73 mm/a,最大倾斜为0.070 mm/m。基于安全稳定性评价机制分析可知:采空区地表场地移动变形处于稳定状态,变电站地基基础处于安全状态,采空区地表沉降对拟建变电站的影响程度小,综合3种评价指标进行分析,采空区地表场地安全稳定性等级为高,具备建设变电站的可行性。

基于Choquet模糊积分的煤矿安全投入经济效益评价

为提高煤矿企业的经济效益,合理安排各项安全投入,构建一种解决指标间相关性的模型。首先,剖析基于安全投入的经济效益的影响因素,在此基础上构建一套较为科学合理的结构指标体系;其次,利用熵权法确定各个指标的权重;然后,针对指标之间存在的相关性,基于安全投入结构,引入熵权-基于2-可加模糊测度的Choquet模糊积分模型,计算经济效益评价值;最后,选取某煤矿进行实证分析,验证所构建模型的可行性和有效性。结果表明:所构建的模型比逼近理想解排序(TOPSIS)法更具有可靠性;该模型考虑指标之间相互影响、相互关联情况,能够得到较为准确、科学的评价结果。