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。     

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。     

基于氮吸附、压汞联合试验的CO2致裂对煤岩孔隙的影响

煤岩中的孔隙结构特征对瓦斯运移和富集有着至关重要的影响。为了研究CO₂致裂对煤岩孔隙的影响,利用低温氮吸附试验与压汞试验相结合的方法对致裂前后的煤岩孔隙变化进行定量表征,并使用扫描电镜、现场致裂后煤岩瓦斯抽采分别从定性和宏观上反映CO₂致裂对煤岩孔径分布和孔隙结构特征的影响。结果表明,CO₂致裂会迫使煤岩中微孔、小孔孔隙结构改变,从墨水瓶形孔转变为开放型孔隙,各孔径段孔容有所增长扩张,致裂主要迫使孔径在10 000~100 000 nm的孔隙有较为明显的发育扩张。煤岩中存在渗流孔隙和扩散孔隙,致裂后渗流孔体积和百分比呈现先增长后逐步降低的现象,扩散孔体积变化趋势与渗流孔一致,但其百分比先降低后逐步回升。通过扫描电镜、现场测定及计算等辅助手段从宏观方面反映出CO₂致裂对孔隙有明显作用,对消除煤与瓦斯突出有积极效果。     

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。     

二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面分形特征影响实验研究

为了探究二氧化碳致裂对贵州高瓦斯低渗透煤层的孔隙致裂增透作用,提出了应用低温氮吸附与FHH模型相结合的方法,分析致裂前后煤样的微观孔隙特征变化,并将分形维数与孔隙特征参数结合。研究结果表明:二氧化碳致裂对煤的孔隙具有明显的作用效果,致裂后煤岩体中微孔含量、比表面积减少,而孔容、平均孔直径增加;致裂作用会使煤的分形维数减小,孔隙表面受致裂效果会趋于光滑;受二氧化碳致裂作用,分形维数的大小与平均孔直径、孔容和吸附量等存在负相关关系,与比表面积、微孔含量等呈正相关关系。     

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.     

浅埋近距离煤层内错布置采空区自燃危险区域研究

浅埋近距离煤层内错布置开采下部煤层时,地表裂隙易与复合采空区相互贯通,造成地表漏风,使采空区,特别是上部老采空自燃危险区域的分布难以预测。针对此问题,以酸刺沟煤矿6上109工作面至地表空间为研究对象,在漏风测定及束管监测的基础上,建立地表与复合采空区漏风模型,借助FLUENT数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。研究表明,地表漏风最终汇入下部采空区回风侧,加大了其自燃危险区域范围;漏风流在向回风侧偏移的过程中,由于煤柱的阻挡,风速逐渐降低,与下部漏入的风流共同作用,使上部老采空区形成了氧浓度中间低四周高的不规则环状自燃危险区域;下部采空区进风侧向上的漏风增加了本煤层采空区的总漏风量,加大了其自燃危险区域宽度,同时增加了上部老采空区局部氧浓度,使其自燃危险性增大。     

超长工作面CO2相变致裂分区增透高效抽采技术试验研究

针对超长工作面抽采时间不均衡导致抽采达标时间长的问题,提出了工作面分区增透高效抽采技术,运用分组试验和理论分析的方法,研究了不同布孔工艺参数条件下CO₂相变致裂对低透煤层瓦斯抽采的增透作用规律,并在试验工作面进行了工业应用。研究结果表明:CO₂相变致裂技术对低透煤层增透促抽效果良好,与未致裂抽采相比,采用间距20,10,5 m致裂孔致裂条件下进行抽采时煤层透气性系数分别提高1.8,2.6,5.8倍,平均抽采体积分数分别提高1.9,3.5,4.2倍,平均抽采纯量分别提高2.4,4.2,6.2倍。试验工作面应用分区增透高效抽采技术后,整个工作面形成后仅需抽采87 d即可达标进行回采,显著缩短了抽采周期,对高瓦斯低透煤层缓解采掘接替紧张及提高瓦斯抽采效率具有重要借鉴意义。     

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。     

高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究

为了实现瓦斯与煤自燃两大灾害的联合防治,首先对布置高抽巷条件下瓦斯与遗煤自燃多因素相互影响关系进行了理论分析和归纳总结。结合淮南潘二煤矿11223高瓦斯易自燃工作面,建立了带有高抽巷的物理模型,利用UDF编译了本煤层与邻近层瓦斯涌出源项、采空区三维孔隙率和低温条件下煤氧化反应氧气消耗速率。在此基础上,分析了高抽巷布置参数和抽采参数以及工作面风量对高抽巷瓦斯抽采效果和采空区自燃带分布相互影响的规律。结果表明,当工作面风量为2 000 m3/min,高抽巷布置在顶板上方40 m时,高抽巷瓦斯抽采浓度和纯量分别达32.3%和29.07 m3/min,占总瓦斯涌出量的69.71%,同时能满足实际防火的要求。研究结果可为类似条件下高抽巷最佳施工与抽采参数提供借鉴。     

CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究

为了解CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性,用自行搭建的实验系统,从超压、火焰传播速度和火焰结构3个方面研究了CO2-超细水雾形成的气液两相介质对9.5%瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑爆效果、影响因素与原因。研究结果表明:随着CO2体积分数和超细水雾质量浓度的增加,爆炸火焰最大传播速度、爆炸超压峰值均出现明显下降,火焰到达泄爆口时间显著延迟;尤其当CO2体积分数达到14%与超细水雾的共同抑爆效果凸显,瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压的“震荡平台”消失,同时火焰结构呈现“整体孔隙化”。所得结论为煤矿井下高效防爆抑爆技术进行了完善和增强。