基于热线法的不同水分含量松散煤体热物性实验与模拟研究*

为解决松散煤体热物性参数的测试周期长与实验误差大等问题,构建测试装置实验平台,结合交叉热线法和平行热线法,对松散煤体热物性参数进行准确测量与计算,对1～2 mm,0.5～0.6 mm和0.2～0.3 mm 3种不同粒径煤样在不同水分含量下的热物性参数的变化规律进行研究,利用Fluent数值模拟软件对松散煤体温度场进行模拟研究,并对比模拟结果与实验结果的差异性。结果表明:在所测粒径范围里,同等水分含量下的松散煤体粒径越大,导热系数越小,热扩散率与比热容越大;松散煤体的导热系数随水分含量的增加而增加,但增加趋势渐缓;松散煤体的热扩散率随着水分含量的增加而增大,当水分含量达到11.73～13.88%后热扩散率开始逐渐下降,而比热容随着水分含量的增加逐渐增大。     

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。     

CO_2驱替CH_4置换效率测试与分析

为研究多因素耦合对CO_2驱替CH_4置换效率的影响,选取潞安集团常村煤矿煤样,利用自主研发物理模拟试验平台测定置换效率,并采用Design Expert软件设计Box-Behnken试验,构建置换效率在三因素、三水平条件下的二次回归响应曲面模型,分析了煤体含水率、注气压强及注入温度三因素耦合对置换效率的影响。结果表明:置换效率随注气压强和注入温度增大而增大,随含水率增大而减小;对置换效率影响程度为含水率注气压强注入温度;二次项影响程度为注气压强和注入温度注入温度和含水率注气压强和含水率,且注气压强和注入温度间存在交互作用,注气压强和含水率、注入温度和含水率之间无交互作用。     

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。     

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。     

煤吸附CO_2体积影响因素试验研究

为研究煤吸附CO_2在多因素耦合作用下体积的影响因素,采用HCA高压容量法测定不同条件煤样对CO_2吸附量影响,并计算Langmuir体积,分析温度、粒径、含水率3种因素耦合影响煤对CO_2吸附程度,通过Design Expert软件设计Box Behnken试验,构建煤吸附CO_2的Langmuir体积二次回归响应曲面模型。结果表明:吸附量随温度、粒径增加而减小,随含水率升高呈先减小后稳定的趋势;影响因素中温度、粒径、含水率各单因素均为显著影响;多因素作用时影响程度大小依次为:粒径和含水率温度和粒径温度和含水率,温度和粒径、粒径和含水率之间交互作用显著,温度和含水率之间交互作用不显著。     

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。     

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。     

松散煤岩中放射性氡多角度扩散试验装置研制及应用

为了进一步研究放射性氡在松散煤岩介质中的运移规律,为氡法探测矿井煤自燃隐蔽火源位置提供一定的理论依据,自主研制了松散煤岩介质中放射性氡多角度扩散试验装置。该试验装置可以进行放射性氡在不同温度、粒度和空隙度的松散煤岩介质中不同方向上的扩散试验。利用该装置成功进行了一次放射性氡在45°倾斜方向上、不同温度煤体中的扩散试验。试验结果表明:在扩散方向上氡浓度呈非线性减小趋势,氡浓度衰减率及衰减量逐渐降低;随温度升高,氡浓度呈线性上升趋势,且扩散方向上氡浓度衰减量增大,衰减率减小;在扩散方向上,氡浓度受温度变化影响逐渐减弱。     

松散煤体温度场试验研究

为了掌握存在高温热源时的松散煤体温度场分布规律,针对难以直接在井下采空区进行试验研究的情况,在地面建立试验煤堆进行松散煤体温度场试验.根据试验数据分析了存在高温热源时的松散煤体温度场分布和变化情况.结果表明:松散煤体温度场分布与热源强度、时间、距离、水分与漏风等多种因素相关,其中受热源强度的影响较为明显;松散煤体中随距热源的距离增大温度呈负指数曲线分布,且衰减较快;松散煤体中距煤壁表面较近的位置受外界环境的影响,温度波动较大,内部达到一定深度(>0.3 m)的测点即可消除由此带来的影响;位于热源上方的测点较在热源同一水平面上的测点温升更快;煤体中含有水分时,水分热湿迁移过程的存在会对松散煤体中部分位置的温升过程造成一定的影响.     

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。     

基于Box Behnken设计的煤导热系数分析与预测

为研究分析水分、固定碳及密度3个因素对煤导热系数的影响,选取多个矿井不同煤质的煤作为实验煤样,使用NETZSCH LFA457型激光导热系数测试仪进行测定,并引入二次响应曲面试验设计思想,采用Design Expert软件进行煤质指标的Box Behnken试验设计,按设计表筛选实验数据,构建了导热系数多因素、多水平影响下二次回归响应曲面模型,并对不同采样地点的煤导热系数进行了分析与预测。结果表明:二次回归方程P值小于0.000 1,极显著,失拟项为0.072 4,不显著,回归方程具有统计学意义;当水分在0.9%~10.9%,固定碳在49.3%~83.6%,密度在1.2~1.92 g·cm³之间,对煤的导热系数一次项影响程度为密度>固定碳>水分;二次项影响程度为固定碳和密度>水分和密度>水分和固定碳,且固定碳和密度之间存在交互作用,水分和密度、水分和固定碳之间无交互作用;应用响应曲面模型预测的煤导热系数误差为4.3%,满足精度要求。     

复合粒径松散煤体自燃过程的试验研究

为了研究复合粒径对松散煤体自燃的影响,利用自制试验装置对复合粒径松散煤体进行了绝热低温氧化试验。采用破碎机制出粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~9 mm、9~11 mm及11~13 mm的6种基础煤样。依据基础煤样进行煤炭自燃试验,试验共分为三大组:第一组为各基础煤样的单独氧化试验;第二组为某两基础煤样按1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1比例混合制成复合煤样的氧化试验;第三组为基础煤样1与其他各基础煤样分别按1∶1混合制成复合煤样的氧化试验。在试验过程中,对煤样的温度及试验装置出口氧气体积分数进行监测,得到了各类煤样温度及氧气体积分数的变化规律。研究结果表明:总体上,随煤样加权粒径的增加,煤样的平均氧化升温速率和在同一温度下的耗氧速率减小,耗氧及温升拐点出现的温度也逐渐升高;复合煤样的氧化升温过程受其比表面积和孔隙率的共同影响,当加权粒径小于6.35 mm时,孔隙率的影响较大,当加权粒径大于6.53 mm时,比表面积的影响较大;复合煤样加权粒径越小,各粒径煤样间的相互影响越强;复合煤样中各煤样间的粒径差距越大,煤样间的相互影响越弱。     

松散煤体内液态二氧化碳相变换热试验研究

为研究液态二氧化碳(LCO2)在松散煤体内泄放过程的传热特征以及LCO2压注参数对煤体温度场的影响,利用自制试验平台开展松散煤体内压注LCO2过程试验,分析压注过程煤体温度的变化、压注控制参数对致冷范围的影响。结果表明:LCO2压入松散煤体后瞬间发生相变,与煤体发生剧烈热量交换,并形成低于CO2三相点温度(-56.6℃)的相变致冷区域;沿射流方向,相变致冷范围随压注时间增加呈对数增长;增大压注流量、泄放口径和入口压力,相变致冷范围分别呈指数、对数、线性函数增大。     

含硫油品储罐自燃影响因素的试验研究

为深入拓展研究含硫油品储罐自燃的影响因素,选择硫腐蚀产物混合物粒径、油污、含水率和硫化亚铁与硫化铁的质量比4个因素进行单因素试验,测定氧化增重率;基于正交试验验证4个因素相互作用的影响程度,采用极差分析和方差分析方法处理试验数据。结果表明:硫腐蚀产物混合物粒径、油污、含水率和硫铁化合物质量比等4个因素是影响其自燃的重要因素,且单因素影响的重要程度依次为硫铁化合物质量比、油污、粒径、含水率;交互作用中较为重要的是硫铁化合物质量比和油污的交互作用以及水分和油污的交互作用,其余交互作用可忽略。     

煤样瓦斯放散性能多因素敏感性试验研究

煤的瓦斯放散性能是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素,瓦斯放散初速度是表征瓦斯放散性能的主要指标之一,其影响因素较多。采用"四因素、四水平"正交试验方法,通过自主研发的MFGE-1型瓦斯放散初速度试验台,测定了粒径、水分、吸附时间及温度等影响下的瓦斯放散初速度;应用方差分析等方法,研究各因素对煤样瓦斯放散性能影响的敏感性,以及两者相互间的变化规律。结果表明:自主研发的瓦斯放散初速度试验装置可满足试验测定要求;粒径对瓦斯放散初速度的影响最大,其次是水分、温度及吸附时间;绘制了各因素对瓦斯放散初速度影响的直观分析图,得到瓦斯放散初速度随粒径、水分及温度增大而减小,随吸附时间增加而增大;与粒径、水分呈指数关系,与温度呈线性关系,与吸附时间呈幂函数关系,并构建了多因素影响下的综合模型。     

含矸松散煤体自燃过程的试验研究

为了获得岩粉影响松散煤体自燃特性的规律,利用自制试验装置对混入岩粉的松散煤体进行了绝热低温氧化试验。试验共分3大项,第一项为松散煤体的单独氧化试验;第二类为各煤样与岩样3按不同比例进行混合的氧化试验;第三类为各岩样与煤样3按同一比例进行混合的氧化试验。在试验中,对各混合煤样的氧化升温过程进行了观测,得到了各混合煤样自然升温速率的变化规律。结果表明:在煤样内混入岩粉会减缓煤样的总体氧化升温速率,延长煤样的自然发火期;混入岩粉的量及粒径对煤样的氧化特性均存在较大的影响;通常混入岩粉量越大,其对煤样氧化升温过程影响越大,当岩煤比达到1∶1及以上时,煤样基本失去自燃的危险;在一定粒径范围内,松散煤体粒径与岩粉粒径相差较小时,二者相互影响较为剧烈;在理论上,确定出合理的岩粉量及粒径构成以防治遗煤自燃是可行的,但具体施工工艺还需进一步研究。     

有机热载体导热系数测定方法探究

有机热载体因其使用温度高,且在高温状态下有不同程度的挥发,导致难以准确地测定其导热系数。本文采用稳态法的保护热流计法、非稳态法中的激光闪射法、瞬态热线法对有机热载体导热系数进行测试,结果表明:瞬态热线法可直接通过测量获得导热系数,避免挥发对测量造成的影响,具有较高的准确性。     

温度对煤体坚固性系数的影响试验

为了研究煤体坚固性系数(f)随温度变化的规律,对f的测量试验装置进行了改进,然后在温度为-20-60℃时测定了若干组贵州煤样的f,并对温度为0～60℃时的数据进行了分析.结果表明,无论是突出还是非突出煤体的f均随温度升高而变小,随温度降低而增大,且呈线性关系;非突出煤样的f随温度变化的幅度往往大于突出煤样.研究表明,尽管f受温度影响较小,但当f接近现行的突出指标临界值0.5时,须根据井下煤层的环境温度测定其对应的f,才可将此时的f作为判断突出危险性的可信参数,否则容易误判.     

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。