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。     

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。     

松散煤体表面温度与热源温度对应关系的热红外实验研究

煤层自燃火灾的自燃火源位置的精确探测是防灭火的关键,也是一项世界性难题。近年来,应用红外技术探测煤层隐蔽火源位置已成为一个热点,通过红外技术定性和定量研究松散煤体升温过程中红外辐射特征变化及影响因素,掌握松散煤体内部热量传递规律,对于利用红外成像技术探测井下煤层自燃隐蔽火源具有重要的参考价值。本文采用在松散煤体中加线状热源,保持热源位置不变,改变热源温度,当温度场达到稳定时用红外热像仪采集表面照片的方法,研究松散煤体表面温度与热源温度的对应关系。结果表明热源上方为高温区域,近似椭圆状,随着热源温度的升高,高温区域不断扩大,表面温度t与热源温度T、像素坐标χ满足关系式。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

采空区隐蔽火源探测及声学法煤温感知新技术探讨*

为精准判定采空区等地下隐蔽火区高温点的位置和范围,综述现有采空区煤自燃温度探测技术,重点总结和分析红外探测法、分布式光纤测温法、指标气体探测法、热电偶测温技术以及同位素测氡法等煤层测温手段的研究进展与技术瓶颈,着重研究声学法测温的技术原理及实现方式;结合分层建模和插值建模的优点,探讨声学测温技术在采空区松散煤体煤温反演探测应用中的可行性。结果表明:受限于煤层赋存及开采方式等煤矿现场的实际情况,准确反演和精确定位采空区等隐蔽火源高温点和位置的探测方法和装备技术有待进一步发展;声学法探测松散煤体自燃温度的基本原理、传播衰减规律、温度场重构模型及其关键特征参量需进一步准确获取;综合考量声学测温技术原理和实现过程,该技术适用于采空区松散煤体自燃火区的环境特征,有望成为采空区隐蔽火源位置精准探测发展前景良好的探测方法。