水泥基泡沫形成机理及抑制煤堆自燃试验研究

煤炭开采面临煤自然发火等灾害的严重威胁,在分析现有防灭火技术特征的基础上,制备了1种水泥基泡沫材料。探讨了水泥基泡沫形成机理,包括水基泡沫与浆液扰流混合发泡,表面活性剂增加颗粒疏水性及颗粒稳定泡沫液膜,液膜中水泥、粉煤灰颗粒水化反应及促凝剂加速凝结固化。搭建了小型抑制煤堆自燃试验平台,开展了煤堆自燃温升变化及黄泥浆、无机凝胶、阻化泡沫、水泥基泡沫等防灭火介质降温效果试验,结果表明:水泥基泡沫具有向上堆积的能力,能对高温煤颗粒进行覆盖、包裹,并具有较好的热稳定性,总体降温性能最佳;压注后,监测时间0~900 s内,径向距离为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 m处温度分别从376.98,376.00,374.38,372.14,369.27 ℃下降到21,26,29,35,42 ℃。     

用热棒技术强化煤堆降温幅度试验

为破坏煤堆内部蓄热环境,有效降低煤自然发火的危险性,预防煤堆自燃,基于热棒闭式汽-液两相流强化热传导原理,构建煤自燃防灭火热棒移热降温性能试验测试系统,研究煤堆升温过程中热棒对其内部温度场分布的影响效果。热棒对煤堆自燃升温过程具有较明显的抑制降温效果,煤体与热棒距离越近,降温效果越明显;热棒的累积移热量和降温能力随时间的增加而不断增大。结果表明,试验条件下,煤堆内部各测点最高降温依次为13.30,9.80,7.70,6.70,4.50,3.20,1.50和0.50℃,对应温度降幅依次为29.00%,23.90%,24.70%,19.40%,16.00%,13.50%,8.90%和3.87%,平均降温速率分别为1.20,0.90,0.70,0.62,0.39,0.29,0.16和0.11℃/h。     

风障联合压实防治煤堆自燃技术工艺参数优化

为提高煤堆自燃的防治效果,降低经济成本和提高施工的灵活性,基于煤堆自燃理论,使用COMSOLMultiphysics 5.0数值仿真软件,建立煤堆自燃模型,研究了煤堆最高温度和自然发火期变化及相关措施实施后最高温度降低规律,对比了单独压实、独立风障和风障联合压实的温度降低量,优化了联合措施的工艺。结果表明,煤堆孔隙率越小,自燃风速范围越宽,最小、最易、最大自燃风速越大;单独进行煤堆压实存在因孔隙率增加而降低的最低不宜风速;针对6 m高煤堆单独使用风障时,只有风障高12 m、距离煤堆25 m才能避免煤堆自燃;风障联合压实措施中,风障高7.5~9 m,设置距离煤堆10~30 m即能保证煤堆不自燃。说明联合的煤堆最高温度降低量更大,且能扩大压实的适用范围,降低风障高度,节约经济成本,增加风障现场施工的灵活性。     

风障联合压实防治煤堆自燃技术工艺参数优化

为提高煤堆自燃的防治效果,降低经济成本和提高施工的灵活性,基于煤堆自燃理论,使用COMSOLMultiphysics 5.0数值仿真软件,建立煤堆自燃模型,研究了煤堆最高温度和自然发火期变化及相关措施实施后最高温度降低规律,对比了单独压实、独立风障和风障联合压实的温度降低量,优化了联合措施的工艺。结果表明,煤堆孔隙率越小,自燃风速范围越宽,最小、最易、最大自燃风速越大;单独进行煤堆压实存在因孔隙率增加而降低的最低不宜风速;针对6 m高煤堆单独使用风障时,只有风障高12 m、距离煤堆25 m才能避免煤堆自燃;风障联合压实措施中,风障高7.5~9 m,设置距离煤堆10~30 m即能保证煤堆不自燃。说明联合的煤堆最高温度降低量更大,且能扩大压实的适用范围,降低风障高度,节约经济成本,增加风障现场施工的灵活性。     

采空区注超临界CO2防灭火试验研究

为研究超临界CO₂注入采空区防灭火的规律,自主研制了产生超临界CO₂和模拟采空区遗煤自燃升温试验系统,得到了不同温压条件下超临界CO₂注入采空区前后不同监测点的温度、O₂和CO浓度变化数据信息。试验结果表明:注入采空区的超临界CO₂发生相变,有序结构急速失序,大量吸收热量,采空区内的煤体、空气温度随时间呈线性快速下降规律,其降温能力是气态N₂的10倍;超临界CO₂在自燃发火煤体中的强渗透扩散特性,使自燃煤体快速惰化,防灭火效率高;停止注入后,小范围回温符合反二次函数特征;高压力超临界CO₂相对于低压条件,防灭火性能更佳;超临界CO₂是1种降温降氧能力显著,且输送性能优良的采空区新型防灭火材料,超临界CO₂防灭火效果优于气态N₂。     

井下移动式灌浆注胶防灭火系统技术研究与应用

灌浆和注胶是防止煤层自燃的两种重要技术措施,井下移动式灌浆注胶防灭火系统是这两种防灭火措施的结合体。井下移动式灌浆注胶防灭火系统可以利用粉煤灰、黄土等多种材料,制备不同溶度的浆液,同时可以压注复合胶体和高分子胶体,提高了防灭火效率。应用结果表明,洪洞鑫磊煤矿2404工作面采空区CO、C2H4、C2H2浓度一直保持在相对较低的水平,没有自燃现象,证明井下移动式灌浆注胶防灭系统是有效的防灭火技术措施,具有一定的应用价值。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析北大核心CSCD

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

含水煤堆自燃升温特征的实验研究

为了了解露天含水煤堆自燃过程中温度变化特性,利用模拟和实验手段研究了煤堆内部温度的动静态分布情况,结果表明:含水煤堆升温过程经历了升温—缓慢升温—快速升温三个阶段,水分的存在使煤堆在自燃中期升温速率放缓,水分含量越高,水分蒸发所需时间越长,煤堆安全保存期越长,水分蒸发完毕后煤堆进入快速升温阶段,温度模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,降雨和注水作业都会对煤堆升温过程产生较大的影响,对高温煤堆进行大量注水,只会起到临时的灭火效果,本质上是促进自燃明火发生,适当的循环注水可以起到较长的冷却效果。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过 RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

防灭火泡沫流体在采空区高位倾斜裂隙通道中的扩散研究

防灭火泡沫材料是1种新型的防灭火材料，对高位倾斜裂隙火灾的降温隔热、充填加固具有很好的应用性能。为了了解高位倾斜裂隙通道中泡沫流体的扩散规律，通过理论推导得出不同裂隙倾角和方位角下浆体2端面压力差随时间的变化方程式，以理论公式为基础进行修正，提出了泡沫流体的扩散规律函数式，并通过用其他实验测点进行误差对比分析。研究结果表明:误差均在允许的范围之内，证明拟合出的函数式具有普遍适用性，可以为大采空区隐蔽高温火源点的防治提供理论支持。     

防治煤矿火灾的凝胶泡沫材料制备及其性能研究*

为解决纯水玻璃（WG）凝胶泡沫强度低、泡沫稳定性差易破碎,凝胶固水性差等问题。将保水剂和成膜剂引入WG凝胶泡沫中,对水玻璃凝胶泡沫进行优化设计,最终制备出保水性高、泡沫稳定性高、成膜性好的WG凝胶泡沫。研究结果表明:WG凝胶泡沫材料的最佳复配体系是发泡剂为十二烷基醇醚硫酸酯钠（AES）和十二烷基硫酸钠(SDS)按1∶2比例复配,浓度为0.8%,胶凝剂WG浓度为8%,交联剂NaHCO3浓度为2%,聚丙烯酰胺浓度为0.4%,成膜剂A浓度为1%,保水剂B浓度为0.3%;改性后WG凝胶泡沫具有更加紧密的网状结构,稳定性好,并且具有较好的成膜性,常温下半衰期达40 d;阻化实验表明,100 ℃此凝胶泡沫阻化率高达78.35%,能有效减缓煤的氧化放热速率抑制自燃;煤堆燃烧实验表明,改性后WG凝胶泡沫能有效抑制煤的燃烧,防止煤复燃。     

高瓦斯矿井孤岛综放采空区遗煤自燃综合防治技术

针对国阳二矿高瓦斯自燃煤层综放开采的实际情况,分析了"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃特点及危险性。利用单元法对孤岛面的漏风状况进行了实测,并通过数值模拟分析了综放采空区内的漏风流场,根据采空区自燃"三带"的渗流风速确定了可能自燃带的范围,表明采空区漏风是"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃的主要危险因素。在此基础上,结合实际情况系统地制定了以有效控制采空区漏风和重点发火区域注胶为主的综合防灭火技术措施,为有效控制综放采空区遗煤自燃,实现矿井高产高效、安全生产提供技术保障。实践表明,运用控制工作面风量与高抽巷负压、均压堵漏、压注胶体防灭火材料及加快工作面推进速度等综合防灭火技术防治高瓦斯矿井"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃是可行的。     

煤中掺比伴生硫化物的自燃特性分析

为了深入探究矿井下伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响，向原煤中添加不同量的含硫物配制4种不同含硫量的煤样，通过TG实验、DSC测试和XRD分析，研究伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响规律；基于Coats-Redfern法计算煤中掺加不同伴生硫化物时煤燃烧阶段的活化能。研究结果表明:随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤的特征温度相应减小，而吸氧量、可燃和稳燃指数相应增大，原煤中混入伴生硫化物后更易自燃；随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易着火燃烧；伴生硫化物的主要成分为水绿矾、叶绿矾，这些物质在常温下遇水和氧气能够发生化学循环反应，反应放热促使了煤更易自燃；伴生硫化物在温度高于200℃以后整体表现为放热，在温度为565℃时达到放热峰值，这使得煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易燃烧。     

不同煤层煤氧化自燃性实验分析

为研究不同煤层煤自然发火特征的异同性及规律，以淮南矿区1号、3号、6号、13号煤层为研究对象，通过自然发火实验，对不同煤层煤的自然发火期周期、煤样70℃时放热强度和R70值进行分析。研究结果表明:4个不同煤层煤样自燃性由强到弱依次为:3煤>6煤>1煤>13煤；变质程度相近的4个煤层，3煤自然发火期最短，这与煤体中硫分和水分含量高有关；13煤变质程度较高，且前期放热强度、耗氧速率增长缓慢，其自燃性较弱；4个不同煤层煤的耗氧速率、CO，CO2产生率，以及C2H4/C2H6值随煤温升高具有相似的变化规律；煤中CH4气体大量解吸出现于煤温60℃之前，煤中灰分在80~120℃开始逐渐吸热融化，解析和融化均会抑制煤氧接触并且减小煤氧反应放热总量。     

吸水性还原性材料对煤自燃影响的实验研究

为了解决吸水性盐和还原性材料仅依靠其单一特性抑制煤自燃而抑制效果并不理想的问题,提出了利用羟甲基磺酸钠的吸水性和还原性来抑制煤自燃。将原煤-20%羟甲基磺酸钠通过对比原煤、原煤-20%MgCl2和原煤-20%VC,利用程序升温实验和FTIR测试来研究其抑制煤自燃的效果。研究结果表明:3种溶液处理煤均在一定程度上抑制了煤自燃,其中,20%羟甲基磺酸钠溶液对抑制煤低温氧化的效果最好,经过其处理的煤样表观活化能最大,同时,依靠其还原性很好地保护了煤中的亚甲基和羟基不被破坏,抑制煤自燃效果明显优于20%MgCl2溶液和20%VC溶液。     

半封闭空间中水喷淋和泡沫灭火系统灭油池火实验研究

为了对比泡沫灭火系统和水喷淋灭火系统的灭火效率，采用装有400 mL汽油或柴油的280 mm×280 mm油盆模拟火源，分析了0.35，0.48和0.75 MPa压力下泡沫灭火系统和水喷淋灭火系统灭油池火的灭火时间、降温冷却效率及火焰面积。结果表明:泡沫灭火系统比水喷淋灭火系统灭油池火的效果更好，对汽油火的灭火时间比水喷淋灭火系统缩短了35.3%，压力对于灭火效率没有影响；柴油火的灭火效率随压力的增加而增加，不同压力下灭火时间比水喷淋灭火系统分别缩短了35.7%,42.9%和66.4%。     

不同自燃倾向性煤的指标气体产生规律实验研究

为研究不同自燃倾向性煤的自燃指标气体变化规律，提高对煤早期自燃预测预报的准确度，采用程序升温实验系统，得到内蒙古褐煤、神东长焰煤、河南气煤及枣庄焦煤4种不同变质程度煤的氧化时间随温度的变化关系，以及指标气体浓度在煤氧化过程中的变化规律。结果表明:自燃倾向性最高的褐煤应以CO和乙烯作为煤自燃早期预报的首选指标气体；易自燃的长焰煤应采用乙烯和烯烷比为主、以CO为辅的煤自燃判定指标；自燃倾向性较低的气煤应以乙烯和烯烷比作为煤自燃预报指标；CO是自燃倾向性最低的焦煤的最佳自燃预报指标气体。