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。     

采空区地下遗煤燃烧-地表碳通量相关性分析

为探究复杂条件下地表碳通量对地下遗煤自燃的响应机制,通过长期监测阜新海州露天矿采空区上覆地表碳通量、土壤温度、地表裂缝、环境风速、土壤湿度等数据,并结合现场试验,研究遗煤燃烧与地表碳通量的相关性,分析地表裂缝、环境风速、土壤湿度等因素对地下煤自燃-地表碳通量的影响特征。结果表明:地下遗煤燃烧是触发地表碳通量异常响应的根本因素,碳通量与土壤温度分布呈正相关;裂缝是影响地表碳通量分布的主要因素,环境风速与地表碳通量基本呈正相关,地表碳通量一般不受土壤湿度影响,但受降雨影响较大。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数,研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征,并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大,两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通,当孔间距为5 m时,致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成,裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后,平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍,平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

我国燃煤电厂CO2捕集技术的环境影响

电力行业是我国煤炭消耗量和CO2排放量最大的行业。由于燃煤电厂CO2排放总量大,且单个点源排放量大,燃煤电厂将是CO2捕集的重点。本文将以MEA化学吸收法为例,探讨我国燃煤电厂CO2捕集技术的应用对污染控制技术及管理政策带来的挑战。首先对碳捕集过程产生的污染物进行识别,其次结合我国火力发电厂大气污染物排放标准,探讨该过程引起的燃煤污染和二次污染,最后提出相应的污染控制技术以及管理策略。     

海上CCS/CCUS工程CO2泄漏风险评估技术分析

CCS/CCUS是实现我国双碳目标的重要途径,是CO₂减排的重要手段,但因CO₂泄漏造成的安全事故时有发生。收集CO₂相关事故案例、CO₂职业限值标准、CO₂监测检测手段、CO₂泄漏风险评估进行文献综述,以期为目前CCS/CCUS工程安全防护设计提供参考。     

惰化降温耦合作用下的采空区低温CO2注入流量与温度研究

为了更好地使用LCO_2预防采空区煤自燃安全事故,结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件,利用FLUENT数值模拟的方法,分别研究了低温CO_2的不同注入流量与温度对采空区氧化带内最高点温度、氧化带宽度和最大高温区域温度的影响。发现随着注入流量的增大,氧化带宽度与温度先逐渐下降后趋于平缓,注入温度的下降对回风侧高温点影响不大,而能将入风侧采空区最大高温区域温度降低。研究表明,注入流量增大到一定程度后对缩小采空区氧化带宽度的作用变小,而注入温度的下降对回风侧存在高温发火危险的采空区降温效果不佳。     

采空区自燃火灾气体钻孔导流的数值模拟研究

针对采空区局部自燃火源点的火灾情况,提出用地面钻孔抽放采空区自燃火灾气体,使其避免忖流向工作面的方法.基于渗流方程和气体扩散方程建立了简化的采空区火灾气体移动--弥散数值模型,用迎风有限元方法结合图形显示技术求解.模拟了在抽放前后采空区火灾气体移动和CO浓度分布特征,该方法对火源位置的判定精度要求不高,但钻孔必须设在火源的后方.通过模拟试验,抽放后工作面向采空区漏风增加量约为抽放流量的一半;抽放流量与采空区CO绝对涌出量近似呈负指数关系,给出了最低抽放流量的表达式.这项研究,能为分析在短期内消除采空区自燃火灾气体对工作面影响和确定抽放参数提供一种辅助手段.     

超临界CO2不同浸泡时间致煤体变形破坏能量演化机制研究

为探究超临界CO₂不同浸泡时间（0、5 d、10 d、15 d）下煤体变形破坏全过程中的能量演化机制,以梅花井煤矿4-1煤层的两种煤样（焦煤、弱黏煤）为研究对象,开展了超临界CO₂不同浸泡时间下的煤体单轴压缩试验。结果表明：随着超临界CO₂浸泡时间的延长,煤体抗压强度及弹性模量均逐渐下降;基于能量计算原理,随着浸泡时间的延长,煤体在压密阶段存在微小量值的能量存储与耗散特征,在线弹性阶段存储弹性应变能的能力逐渐减弱,在塑性屈服阶段耗散能占总应变能的比重逐渐增大,在峰后残余强度阶段耗散能的激增使得煤体产生相互贯通和扩展的宏观裂隙。在此基础上研究煤样的能量累积率与耗散率演化机制,结果表明：在应力峰值前,受到超临界CO₂的浸泡会削弱煤体弹性应变能的累积速率;在应力峰值处,煤体的弹性应变能累积速率达到最小;在峰后破坏阶段,随着浸泡时间的延长,煤体超临界CO₂浸泡时间达到10 d时,其弹性应变能转化率与耗散率达到最大。此研究成果有助于分析深部煤储层注入CO₂压裂过程煤体变形的能量特征,也对CO₂的地质封存具有一定参考意义。     

障碍物管道中H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究

为掌握不同因素和不同条件对H₂/空气管道预混气体火焰传播的作用和影响,应用FLACS软件在不同的当量比、燃料中的CO₂体积分数、障碍物数量和阻塞率等条件下,分别以火焰传播速度、超压、升压速率和温度等特征参数为表征,对半开口管道中H₂/空气预混火焰传播过程及其参数影响进行模拟研究。结果表明：当量比为1.2时,半开口管道中H₂/空气预混火焰最高温度最大,当量比为1时,H₂/空气爆炸压力的最大超压和最大升压速率最大;CO₂对H₂/空气预混火焰的传播具有明显的抑制作用,且随着燃料中CO₂体积分数的增加,抑制效果越突出,预混火焰最高温度、最大超压和最大升压速率也就越小;障碍物的存在对预混火焰的传播具有激励作用,且激励效果在一定程度内随着障碍物数量和阻塞率的增大而增大。     

基于惰化降温耦合作用的采空区低温CO2注入位置研究

为了更好的使用低温CO2预防采空区煤自燃事故,利用FLUENT数值模拟的方法,结合宣东二号煤矿Ⅲ3煤层209工作面的实际条件,构建了考虑采空区不同压实程度的低温CO2注入采空区惰化降温耦合作用数值计算模型;分别研究了CO2注入量为540m3/h和720m3/h时,不同注入位置对采空区氧化带内最高温度点和氧化带宽度变化的影响。研究表明,合理的低温CO2注入位置为距工作面支架尾梁20～30m。     

大规模采空区煤炭自燃与防治关键技术研究

本文通过对大规模采空区产生煤炭自燃的时间、空间以及采场变化规律的研究,指出了集中开采等特大型煤矿或采掘工作面中,当前面临煤炭自燃的主要矛盾和问题,并指出了煤炭自燃是通过微生菌群提纯进化低燃点可燃物,最终形成电子运动引起煤炭自燃。本文进一步揭示了煤炭自燃的本质,并对自然界中的氧气、氮气、水的来源进行了新的研究和解释,并通过对自然界的宏观和微观现象认识了解了不同温度的产生体,同时介绍了根据上述原理发明的多电子导电材料灭火剂在煤矿现场的使用效果。     

Y形通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、多相气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区瓦斯与自燃发火耦合数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解的计算机程序(简称G3).计算以图形方式给出各量的区域分布解,从理论上描绘了Y形通风采空区的漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧和CO的体积分数以及温度分布状态及其变化过程,并证明了Y形通风形式能避免采空区瓦斯向工作面涌出.计算中采空区按冒落非均质介质处理,考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,给出了这种耦合作用关系和解决办法.Y形通风采煤的自燃,两者存在着顾此失彼的关系.     

炮采放顶煤采空区自然发火的数值模拟应用

针对炮采放顶煤开采采空区容易发生自燃问题，基于漏风渗流方程、气体渗流一扩散-氧消耗方程，建立了采空区自然发火非稳定数值模型，采空区按非均质考虑，耗氧汇按煤矸氧化和瓦斯涌出稀释两方面综合考虑，用有限元数值方法联立求解模型。结合羊草沟矿实例，通过该矿自然发火后来的测试区的现场实测结果，拟合反演得到采空区煤的耗氧速度、瓦斯涌出强度和渗透特征参数，用确定的模型分析了前段出现自然发火的原因；描绘了炮采放顶煤开采时采空区冷却带、自燃带和窒息带等三带的形状，指出冒落压实的不均衡的非均质采空区，自燃点在偏人风一侧。用三带划分理论讨论了工作面参数（风量、推进度、控顶距）同自燃的量化关系，提出了从根本上预防采空区自然发火的途径与方法。     

IAFSA-GRNN在油田集输管道CO2腐蚀速率预测中的应用

为提高油田集输管道CO₂腐蚀速率预测的准确性,针对原始广义回归神经网络(GRNN)预测精度低的问题,提出改进的群智能算法优化原始GRNN的预测模型;分别使用GRNN模型、人工鱼群算法(AFSA)优化的GRNN(AFSA-GRNN)模型和自适应改进的AFSA-GRNN(IAFSA-GRNN)模型预测X65管线钢的CO₂腐蚀速率。结果表明:采用AFSA和IAFSA优化光滑因子S后,能大大提高GRNN模型的预测精度,预测结果的平均相对误差由36.09%分别减小至7.20%和6.90%;与AFSA相比,IAFSA优化的GRNN不仅具有更高的预测精度,还具有更快的收敛速度。AFSA-GRNN在第164次迭代计算时收敛,而IAFSA-GRNN在第109次迭代计算时收敛,说明AFSA经自适应优化能提高优化过程的收敛速度和GRNN的预测精度。