基于响应曲面法的松散煤体导热系数测试与分析

为研究松散煤体导热系数随其影响因素的变化规律,基于平行热线法和交叉热线法,通过自制的试验装置测得不同粒径、温度和含水率下松散煤体的导热系数,并拟合导热系数与温度、含水率的变化曲线;引入二次响应曲面法,对粒径、温度和含水率做Box-Behnken试验设计,得出影响因素的重要度排序。结果表明:借助试验装置进行试验,能够准确测算松散煤体导热系数,测量误差在3. 0%以内,并能同时得到热扩散率与比热容;松散煤体导热系数随粒径的增大而减小,随温度的升高而降低,随含水率的增大而增大;三因素对导热系数一次项重要度排序为含水率粒径温度,二次项重要度排序为粒径和温度粒径和含水率含水率和温度,且粒径和温度间存在交互作用,其余无交互作用。     

瞬态径向热流法测定松散煤体变导热系数

松散煤体的导热系数是指在单位梯度作用下,松散煤体单位时间内通过单位面积的热量,表征了松散煤体导热性能的强弱,是研究煤自燃的重要参数。目前,使用最广泛的热线法,测试结果易受电阻升温变化影响。针对当前测试方法的不足,本文在二维径向导热模型的基础上,设计了瞬态径向热流法测定松散煤体变导热系数测试装置,并建立了相应的导热系数解算模型。通过测定不同煤样随温度变化的变导热系数。结果表明,随着温度的升高,松散煤体的导热系数不断上升,两者之间基本成线性关系,测试结果符合松散煤体的导热特性。     

松散煤体导热系数的温度及粒度效应

松散煤体导热系数受诸多因素影响,但对于同一煤体,其导热系数主要与温度、粒度有关。通过建立松散煤体的热传导模型,对导热系数采用二分法逐步逼近,数值模拟不同环境温度、不同粒度煤体传热过程的温度变化规律,并与实测结果对比分析,进而确定与实测规律吻合最好时的煤的导热系数。研究结果表明:采用二分法逐步逼近取得煤样导热系数的模拟结果可无限接近实测结果,进而确定煤的导热系数是切实可行的。在不同的环境温度下,煤的传热过程温度变化规律差异较大,同一粒度煤样,其导热系数值随环境温度升高而线性增大。同一环境温度下,粒度较小时对导热系数影响较大,而粒度较大时对导热系数影响较小。该方法也可用于其它同类型材料的导热系数测定,具有一定的实用价值。     

煤岩体导热系数试验及单因子方差分析

为研究温度和含水量对煤、岩体导热系数的影响,采用激光闪射法测得8种煤、岩样品的导热特性参数;利用单因子方差分析方法对不同温度条件下的煤岩体导热系数测定结果进行比较分析,结果表明:煤岩体的导热系数随温度升高线性降低,随含水量增大而增大;岩石的导热系数大于煤体的导热系数,岩石的导热系数为1~5W/(m·K),煤的导热系数为0.1~0.5 W/(m·K);拟合得到不同煤体导热系数和温度的关系式,其拟合函数相关度在0.93左右,最大相对误差为2.18%。因此,可利用拟合函数和测试结果预测测试矿井的煤岩体导热系数。     

水分对煤体物性参数影响试验研究

为探讨水分对煤体物性参数的影响规律,试验研究水分对煤体抗压强度、渗透率和瓦斯解吸强度等指标的影响。采用试验模拟的方法,测试水分对不同破坏类型煤体渗透特性、力学特性以及孔隙结构特性等物性参数的影响。结果表明,随着煤体水分的增加,煤体抗压强度、渗透率、瓦斯解吸强度都有不同程度的降低,并呈负指数变化;水分对软、硬煤体物性参数的影响存在差异,即水分对硬煤的抗压强度和渗透率影响更加明显,而对软煤的瓦斯解吸强度影响更大。     

热源及空隙率对上部松散煤体影响的试验研究

为研究热源及空隙率在松散煤体内自卷吸供氧过程中对上部松散煤体的影响,利用自制的高温松散煤体自吸氧试验装置,测试了热源温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃、150℃、200℃时,粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm、10~15 mm的松散煤体的内部温度,计算了不同热源强度下松散煤体内部的浮升力。结果表明:1)当热源温度及煤体空隙率一定时,各测点温度分布基本呈线性变化规律,但是随着热源温度不断升高,线性变化规律减弱;2)空隙率一定时,随热源温度升高,松散煤体内各测点温度增大,各测点的温度梯度也增大;3)当热源温度值一定时,随煤体空隙率的增大,同一测点的温度值整体增大;4)随热源温度升高,煤体内各相邻测点区间浮升力大致呈指数规律变化;浮升力随热源升高而增大,不同测点区间的浮升力影响因素不同;当热源温度一定时,距离热源区间越远,煤体浮升力越小。     

高温松散煤体自吸氧试验装置研制及应用

为研究松散煤体内高温区域自吸氧过程的温度分布规律,分析氧气输运类型及影响因素,在此基础上研制高温松散煤体自吸氧试验装置,并利用该装置测试不同温度热源作用下的不同粒径松散煤体温度。发现松散煤体高温区自吸氧过程中氧气运输有宏观气流携带效应及氧组分浓度差引起的分子扩散效应2种类型;热源温度及孔隙率是影响松散煤体高温区自吸氧的主要因素。研究结果表明,该装置能用于研究不同温度热源作用下不同粒径松散煤体内温度分布;热源温度一定时,松散煤体内同一测点的温度值随煤体粒径的增大而升高;热源对其上方松散煤体内温度的影响明显大于对下方的煤体,热对流效应对松散煤体内热量传递过程有很大影响。     

高水分含量对煤自然发火特性参数影响的试验研究

为了研究水分对煤自燃升温过程的影响,运用XK-Ⅳ型煤自然发火试验装置对大南湖高水分含量松散煤体进行煤自然发火的特性参数测定,分析高水分含量对煤自燃升温过程的耗氧速率、CO和CO2产生率及放热强度等特性参数的影响。结果表明,煤样中的高水分含量对煤自燃过程不同阶段的影响不同,低温阶段(80℃以前),高水分含量促进过氧络合物生成,对煤氧复合有促进作用;80~110℃阶段,高水分含量蒸发汽化潜热对煤氧复合反应有抑制作用。     

富水红砂岩地层隧道联络通道冻结温度场分布规律及其敏感性分析*

为了明确富水红砂岩地层中冻结温度场的影响因素,研究温度场的发展和分布规律,以兰州地铁2号线定西路站到五里铺站之间的隧道联络通道为研究背景,建立三维瞬态温度场有限元模型对冻结加固过程进行模拟,通过数值模拟和实测数据对比验证模型的准确性进而分析土体密度、导热系数、比热容的变化对温度场发展的影响。通过灰色关联分析法,得到各土体参数对温度场发展的影响程度。研究结果表明:冻结孔越密集,形成的冻结帷幕越厚,冻结壁温度越低;随着导热系数增大,形成的冻结壁温度降低,随着土体密度和比热容增大,形成的冻结壁温度升高;影响温度场温度的各参数灰色关联度排序为:比热容>密度>导热系数;当各参数分别增大30%时,温度场温度变化程度排序为:密度>导热系数>比热容。研究结果可为类似地质冻结工程的设计施工及土体改良提供参考依据。     

不同煤粒粒级配比下的煤与瓦斯突出实验研究

根据煤与瓦斯突出"综合假说"理论,煤的物理力学性质在突出过程中扮演着重要的角色。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验台为工具,选用粒径为5-10目、10-40目、40-80目,以及5-10目和10-40目不同粒级配比下的煤粒,在相同实验参数条件下制作成突出煤样,并分别进行煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明:煤层吸附瓦斯是放热过程,煤体温度会不断增加,突出过程则正好相反。煤体的破碎程度越大(粒径越小),突出危险性程度就越高、发生突出的强度就越大;但突出强度大并不一定表现为粉碎率高,原因在于煤的破碎程度越高,进一步破碎的难度就越大,要达到相同破碎率所需的能量就越大。     

含内热源松散煤体热湿迁移特性研究*

为研究松散煤体内部热湿迁移规律,建立松散煤体多场-相变-扩散耦合数学模型,对热力驱动下的温、湿度场时空演变规律进行仿真研究;通过热湿迁移特性实验平台,对数值模拟结果的有效性与准确性进行验证。研究结果表明:温度相对误差小于5%,含湿量相对误差小于8%;松散煤体温度逐渐升高,温升速率逐渐减小,温度最终趋于稳定值,沿轴线方向温度呈指数性降低;松散煤体湿度场可分为煤体含水率和空气含湿量,在空间上可分为含水率减少区、含水率增大区和含水率不变区,随着计算进行,峰值含水率逐渐增大且向远离热源方向移动;含湿量相较于实验初期均有所增大,沿轴线方向先呈线性降低,后呈指数性降低且线性区域越来越大,指数性区域越来越小。     

The effects of phosphorus-free inhibitors on the ignition of lycopodium dust

The minimum ignition temperature of dust suspension (MIT) and the hot surface ignition temperature of the dust layer (LIT) are essential safety parameters for the process industry. However, the knowledge of the ignition behavior when solid mixtures of flammable fuels and phosphorous-free inhibitors are considered is still scarce and further experimental and theoretical analyses are requested. In this work, the ignition temperature of phosphorous-free inhibitors (coal fly ash and calcium carbonate) mixed with lycopodium dust have been studied in terms of LIT analysis (hot plate thickness: 5 mm, 12.5 mm and 15 mm), and by the Godbert-Greenwald test for the MIT. Both coal fly ash and calcium carbonate have been tested at different concentrations and particle sizes.Results show that the effects of the inhibitor can be counter-productive when layer ignition temperature is considered even if the minimum ignition temperature of the dust suspension shows a positive effect from the safety point of view. This behavior has been analyzed in the terms of thermal conductivity and diffusivity of the mixture, by using Maxwell's equation for two-phase solid mixtures. Standard empirical correlations for the ignition temperature of solid mixtures have been also tested, showing their weakness in reproducing mixture behavior.     

水分对堆积状态褐煤自燃特性影响研究

为研究水分对低阶煤在堆积状态下自然发火特性的影响,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热试验法,分析不同水分含量(4％～23％)白音华褐煤的升温过程及临界自燃着火温度.进一步研究不同煤样粒径(0.5～5 mm)和煤堆体积(1.25 ～10 ×105 mm3)条件下,水分对堆积褐煤自燃特性的影响....     

热颗粒和热辐射共同作用阴燃点燃松针燃料床：数值研究

建立了热颗粒和热辐射共同作用下阴燃点燃松针燃料床的二维数值模型,计算得到了热颗粒和热辐射单独点燃以及共同作用点燃的临界条件,分析了燃料床的点燃过程。与前人实验数据对比表明数值模型能够较好预测临界点燃条件。金属热颗粒单独作用时点火所需的临界温度与颗粒直径呈双曲线关系。金属热颗粒与热辐射共同作用时,临界辐射热通量呈现出随颗粒温度和直径的增加而显著减小的趋势。热辐射持续供热能有效维持表层炭氧化反应,两者共同作用下点燃危险性增加。研究同时发现,燃料含水率对共同作用下的临界辐射热通量有较大影响。     

不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了证实和完善极限粒度理论,制备了煤粒度毫米级至厘米级(>10 mm)的5种粒度煤样,利用H-Sorb 2600T高温高压气体吸附分析仪对不同粒度的煤样进行等温吸附-解吸实验,并采用动扩散系数模型计算了煤粒瓦斯解吸扩散系数,分析不同粒度煤的扩散系数变化特征。研究结果表明:粒度毫米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大呈现逐渐减小的趋势;粒度厘米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大降幅较小;煤粒度在毫米级范围内,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大快速下降;煤粒度为厘米级时,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大基本保持不变;极限粒度理论正确可靠,煤的极限粒度小于10 mm。     

弱粘煤低温氧化活性基团与热效应的研究*

为研究煤氧化过程中活性基团的演变规律及热效应的变化特征,利用原位红外实验装置,实时测量煤升温过程中官能团的动态变化,数据处理得到弱粘煤红外波谱图,利用差减法对特征温度点下的红外光谱图进行处理,得到煤样的差示光谱,计算特征温度点下的红外结构参数;采用差示扫描量热仪,测量煤氧化过程中热流的变化,得到弱粘煤的热流曲线图,并对热流曲线进行阶段划分和氧化动力学计算。结果表明:弱粘煤中芳环数量比较少,环周围侧链较长,内部结构疏松,内部毛细管比较发达,内表面积较大,更容易发生自燃;整个氧化过程中羟基最为活跃,含氧官能团次之,其次是脂肪烃;红外参数计算结果HAL,I2整体呈减小趋势,I1,I3整体呈增大趋势;弱粘煤放热阶段的活化能值为25.12～61.26 kJ/mol,并随着升温速率的增大而减小,与此阶段放热量随升温速率的增大而增大相对应。     

不同粒径易自燃煤常温氧化实验研究*

为探究易自燃煤在常温条件下的氧化特性,自行设计煤常温封闭氧化实验装置,采用实验研究与回归分析2种方法,分析易自燃煤发生氧化反应的气体变化过程,探究3种粒径煤样在20 ℃有限空间内的耗氧与产气特征。结果表明:易自燃煤样在16 d常温封闭氧化过程中,容器内O2体积浓度呈指数衰减、CO和CO2体积浓度呈指数增长的变化规律;在0.06~0.83 mm范围内,粒径越大,易自燃煤耗氧速率越大,CO和CO2产生速率则先增大后减小;介于中间的粒径为0.13~0.25 mm易自燃煤氧化反应最强烈,更容易发生氧化。研究结果对揭示生产环境温度下煤粒粒径对煤自燃的影响有一定的意义。