取芯过程中煤芯温度分布特征模拟研究*

针对取芯过程瓦斯解吸受煤芯的温度影响不明,造成煤层瓦斯含量测不准的问题,开展对取芯过程煤芯温度分布特征研究。采用自主研制的取芯管自动测温装置在赵固二矿原生结构煤层（f=1.71）进行深度20 m的取芯试验,获得取芯管管壁温升变化规律,变化曲线分为4个阶段:缓慢上升、加速上升、减速上升、缓慢下降阶段;应用COMSOL建立含瓦斯煤传热模型,将管壁的温度变化设置为边界条件,模拟取芯过程煤芯与管壁之间的热交换。结果表明:在取芯时间30 min内,煤芯平均温度快速上升,之后上升速度趋于平稳;在煤芯内,相同时刻,等间距的轴向与径向距离,径向较轴向的温度梯度较大,径向传导快于轴向传导;取芯过程煤芯径向温度Ta与径向距离d、时间t满足指数函数关系。研究结果可为测定取芯过程煤芯的瓦斯损失量提供参考依据。     

低温取芯过程热传递方式的数值模拟和实验研究

为了研究热量在低温取芯过程中传递的方式，以型煤为研究对象，使用自制低温取芯模拟装置，通过实验并结合数值模拟，对低温取芯过程热量传递方式进行研究，进而分析煤芯温度的变化规律。研究结果表明:甲烷的存在降低了煤样的热交换速率，使煤芯温度变化滞后于煤样罐壁温度变化；煤体内部温度分布存在差异，煤样中心轴线不同半径处的圆柱面构成变温过程的等温面，在降温过程，热量沿径向由煤样内部向外部传递，升温过程，热量沿径向由外部向内部传递；低温取芯过程热量传递同时存在3种方式:热传导、热对流，煤体表面与罐体内壁表面之间的热辐射，以热传导方式为主。     

冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究*

为探究冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性,基于模拟试验的相似性,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻取芯响应特性测试平台,开展不同变质程度煤样（长焰煤、贫瘦煤、无烟煤）及不同吸附平衡压力（1.0,2.0,3.0,4.0 MPa）下冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究。研究结果表明:冷冻取芯过程中,煤芯瓦斯解吸量与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系;在煤芯瓦斯解吸过程中存在倒吸现象,煤与瓦斯初始吸附平衡压力越大,煤的变质程度越高,倒吸开始时间越迟;冷冻取芯过程中,瓦斯解吸速度与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系,且瓦斯解吸速度随吸附平衡压力及煤变质程度变化曲线符合幂函数关系。     

冷冻取芯过程煤样温度变化特性研究

为探究冷冻取芯过程煤样温度变化特性,基于模拟试验的相似性,自主设计冷冻取芯模拟测试试验装置,选取榆家梁矿、首山一矿、六龙煤矿、九里山矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定瓦斯吸附平衡压力为0、1.0、2.0、3.0 MPa下冷冻取芯过程煤样的温度实时变化数据,并统计分析各条件下的数据。研究结果表明:冷冻取芯技术的冷冻效果与煤变质程度及瓦斯吸附平衡压力呈正相关关系;冷冻取芯对含瓦斯煤冷冻效果优于不含瓦斯煤;冷冻取芯对高变质煤冷冻效果优于低变质煤;冷冻取芯过程中,煤样温度随时间变化曲线符合指数函数关系。     

深部煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律

为了研究煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律，选取具有冲击危险性的平煤八矿己15煤作为研究对象，采取钻屑量测试和孔口瓦斯浓度监测，通过筛分实验煤样并应用Rosin Rammler分布模型，探究了钻屑粒度和钻屑量大小随孔深变化关系，分析不同点钻屑粒度分布特征。结果表明:小于0.075 mm钻屑粒度分布随孔深变化与钻屑量变化规律相吻合；不同钻孔随深度变化分别对应不同Rosin Rammler分布函数，随着应力过渡越平缓，粒径分布宽度系数n值越小，煤体应力越大粒径相关系数D越大；不同范围钻屑粒度占比大小也会影响钻屑量大小；在钻屑量较大时，孔口瓦斯体积分数会出现增高现象。通过对钻屑粒度分布规律分析，更好地了解深部煤体应力分布，有助于冲击危险的预警。     

遗煤二次氧化过程中自燃极限参数变化规律试验

为研究煤体一次和二次氧化过程中自燃极限参数的变化规律,运用程序升温试验台,对弱黏煤、1/3焦煤、贫煤进行一次氧化升温,经绝氧降温后进行二次氧化升温,对比分析3种烟煤两次氧化过程中的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数变化规律。结果表明:对于同一种煤,二次氧化时的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数曲线在某一温度范围内与一次氧化时的对应曲线发生交叉;对于不同变质程度的煤,交叉温度范围不同,变质程度越低,交叉温度范围越高;煤的变质程度越低,二次氧化时的自燃极限参数极值变化率越大。     

露天煤堆内部升温与水分蒸发阶段特征的模拟研究

为了研究露天煤堆堆放时内部水分含量的动态变化特征,建立了含水煤堆自燃升温模型,利用数值模拟研究了煤堆在堆放30d内温度和水分含量的变化过程,结果表明:煤堆自迎风面开始向背风面依次形成散热带、升温带和窒息带,含水煤堆自燃温度上升过程依次分为Ⅰ升温,Ⅱ缓慢升温,Ⅲ快速升温。而煤堆内水分含量的变化也依次分为Ⅰ缓慢蒸发,Ⅱ快速蒸发和Ⅲ蒸干三个阶段。依据结论对煤堆内部水分含量的动态过程展开进一步研究,有助于将湿润煤体自燃特征规律的实验成果应用于现场实践。     

氧气浓度和升温速率对煤自燃特性影响

为探究氧气浓度与升温速率对煤自燃特性的影响，利用TG/DSC-FTIR联用热分析技术测试3种不同变质程度的煤样在不同氧体积分数和不同升温速率下的放热特性，分析3种煤样在氧化过程中特征温度、热效应及标志性气体产生量等参数的变化规律。结果表明：氧体积分数一定时，升温速率越小，放热峰值、特征温度和指标气体释放峰值越向低温区偏移。在相同升温速率下，随着氧气体积分数的减小，煤氧化放热峰值温度降低；煤自燃指标气体峰值对应的温度逐渐向高温区域移动。煤变质程度增高，煤自燃特征温度呈增大趋势；放热量的峰值降低，对应的峰值温度增大；指标气体释放峰值温度增大，自燃危险性呈降低趋势。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

含瓦斯煤低温取芯过程煤芯温度变化规律实验研究

为避免现有的煤层瓦斯含量井下测定方法在取样过程中出现瓦斯损失量较多的情况,提出了低温(0℃及以下)取芯的方法。煤芯温度是影响取芯过程瓦斯损失量的主要因素,使用自制模拟装置,对含瓦斯煤低温环境取芯过程温度变化规律进行了实验研究。研究结果表明:在定量冷冻剂的条件下,保持初始吸附平衡压力不变,随着外加热源热量输出强度的增加,煤芯在低温环境(0℃及以下)持续时间和升温时间均减小,降到所需低温环境的速度很快,均在8 min以内;保持外加热源热量输出强度不变,改变初始吸附平衡压力,煤芯温度降至所需低温环境时间在8 min以内,且低温环境持续时间都能稳定在130 min以上。在实验过程中,煤芯温度呈"U"形变化,经历快速下降、低温维持、温度回升3个阶段。     

机械密闭取芯瓦斯含量测定集成技术研究

为了更准确地测定煤矿井下瓦斯含量,研制出基于煤层钻孔直接机械密闭取芯的瓦斯含量测试装置,使瓦斯解吸和取芯装置一体化。装置 设计的联动关闭部件实现了孔内取芯密闭,避免传统取芯装罐程序,解决了煤芯暴露时间长、瓦斯逸散量大的问题。通过机械密闭取芯技术现 场试验,并与传统方法进行对比分析,32组试验瓦斯含量测定结果比传统方法增加21.8%以上。结果表明:装置实现了在煤层钻孔内直接密闭取 芯功能,简化了测定流程,提高了煤矿瓦斯含量测定精度。应用该装置可最大限度地减少煤样暴露时间。     

煤岩地层绳索取芯装备研发及应用实践

煤矿井下取芯是准确判定煤层瓦斯、煤层和地层赋存情况的主要方法之一。受井下作业空间的限制以及待取煤（岩）层特征的影响,尤其是煤（岩）体破碎时,实现取芯往往很难。介绍一种煤矿井下绳索取芯技术,通过改进井下钻机及钻具,实现了煤矿井下高效取芯。井下绳索取芯岩芯采取率高,工人劳动强度低,其技术具有推广应该价值。     

CO2注气压力对CH4驱替特性影响实验研究*

为研究CO2驱替CH4过程中注气压力对气体解吸特性的影响,采用自主搭建的驱替实验平台,在0.6,0.8,1.0 MPa不同注气压力下进行驱替实验,研究CO2驱替CH4过程中煤层温度、气体浓度、置换效率和渗透率等变化规律。实验结果表明:提高CO2注气压力可提高CO2置换驱替煤层CH4的效果。随着注气压力增大,CH4累计解吸量增大,CO2突破时间越短,CO2封存量越大,置换效率升高,驱替比下降。注气压力为0.6,0.8,1.0 MPa时,CH4累计解吸量分别为90.2,94.1,97.8 L;CO2封存量分别为19.73,19.92,20.21 mL/g;置换效率由76.9%上升到80.2%再到82.9%,驱替比由3.28下降到3.17再到3.09。注气驱替CH4过程中煤层温度升高,可分为低速升温、高速升温和趋于平缓阶段。煤层温度最高变化量分别为9.4,11.5,12.7 ℃。同一注气压力下,煤层渗透率变化可分为缓慢增长、急剧下降和趋于稳定阶段。     

基于压力与温度对损失瓦斯量影响试验研究*

为研究取芯管取芯过程中压力与温度对损失瓦斯量的影响,以及t法的偏差,利用自主研发的取芯管取芯过程模拟测试装置,基于模拟试验的相似性,开展不同加热功率下取芯过程模拟试验与室温（30 ℃）对比,以及变温条件下不同吸附压力取芯过程模拟试验。结果表明:前30 min煤芯瓦斯解吸曲线符合Qt=a+b/［1+(t/t0)c］。吸附压力一定时,取芯过程模拟测试的煤芯瓦斯解吸率均大于室温下的对比测试,3~16 min（退钻过程）温度对损失量的影响大于0~3 min（取芯过程）;随着加热功率的增加,煤芯瓦斯解吸量增大,煤芯损失瓦斯量的模拟值亦增大;t法推算值与模拟值的绝对误差随加热功率的增大而增大,相对误差在65.08%~70.79%;加热功率一定时,随着吸附压力的增加,煤芯瓦斯解吸量愈大,煤芯损失瓦斯量t法推算值增大,模拟值亦增大;t法推算值与模拟值的绝对误差随吸附压力的增大而增大,相对误差在68.21%~72.13%。     

封闭管道油气爆炸超压及火焰传播特性

对油气在封闭管道内的爆炸特性进行研究，发现爆炸超压发展过程可以分为3个阶段:第1次超压上升阶段、第2次超压上升阶段和超压下降阶段。初始油气浓度对爆炸初始阶段的发展有很大影响，油气浓度为1.73%时发展最激烈；当初始油气浓度较高时，在最大超压峰值附近，会产生压力振荡现象；初始油气浓度对Tulip火焰的形成及发展有较大影响，各种浓度油气的爆炸，都有形成Tulip火焰的趋势；当油气浓度适中时，Tulip火焰会一直传播到管道末端，当油气浓度较高或较低时，火焰锋面会经由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰，当初始油气浓度为1.73%时，最容易发展形成Tuilp火焰。