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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律，基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线，分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律，据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明：有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小，表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程，取得了较好的拟合度。     

潮湿巷道风流温度及湿度计算方法研究

对计算潮湿巷道中风流温度和湿度的方法进行改进,提出将饱和空气含湿量与温度的关系拟合为二次曲线计算巷道壁面水分蒸发的方法,编制模拟潮湿巷道中风流与围岩热交换和巷道壁面水分蒸发的计算机程序,解算出风流温度及湿度的变化规律。并将解算结果与将饱和空气含湿量与温度的关系拟合为线形曲线时的解算结果进行分析对比,将饱和空气含湿量和温度之间的关系简单拟合为线性,风流温度的误差在通风时间较短时相对误差较大。随通风距离增长风流温度和相对湿度的误差增加。     

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。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

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。     

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。     

CO在烟煤中吸附与扩散的分子模拟研究*

为揭示CO在烟煤中的微观吸附和扩散机理,利用Wiser烟煤分子模型,通过巨正则蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学方法,研究5种不同温度（293.15,303.15,313.15,323.15,333.15 K）下,压力为0.1～3.0 MPa时CO吸附量、吸附热的变化,采用能量分布分析CO在烟煤中的吸附行为,利用扩散系数和扩散活化能研究CO在烟煤中的扩散特性。研究结果表明:CO在烟煤分子中的模拟结果符合朗格缪尔（Langmuir）吸附规律,随着温度的升高,Langmuir参数a和b减小,CO在烟煤分子中饱和吸附量和吸附能力降低。温度越高,烟煤分子的等量吸附热越低,烟煤分子吸附CO分子的平均等量吸附热为21.20～23.11 kJ/mol,小于42 kJ/mol,属于物理吸附;随着压力的升高,CO分子由能量较高的优势吸附位点逐渐向相对较弱的吸附位点移动;在模拟的温度和压力条件下,CO在烟煤分子模型中的扩散系数随温度和压力的升高而增加,扩散活化能随压力的升高而减小。研究结果为揭示CO在烟煤分子中微观吸附与扩散规律,准确预测采空区封闭火区煤自燃情况具有重要意义。     

基于热湿交换理论的巷道风流温、湿度影响因素研究

为了研究巷道风流参数的影响因素、预测风流温湿度的变化规律,结合热湿交换理论,建立了风流与围岩壁面之间热湿交换的数学模型,以及贴体坐标系下围岩内部温度场的导热微分方程;利用数值方法,将围岩内部的导热问题与影响风流参数变化的热湿交换问题耦合起来,并以大柳塔煤矿52505综采工作面为例进行计算,得到了与实测参数较为一致的模拟结果,验证了该数值方法的有效性。研究结果表明:风流温度受原始岩温、入风流温度、局部热源强度等因素的影响,风流相对湿度与入风流温、湿度以及井下湿源的数量和强度有关;巷道壁温作为将围岩温度场与风流参数之间关联起来的主要因素,对模拟结果影响较大,其数值取决于壁面与风流之间热湿交换以及围岩原始岩温。     

乌兰木伦矿辅运上山雾气成因分析及解决措施研究*

为研究神东集团乌兰木伦煤矿1-2煤辅运上山内雾气成因,采用数值模拟方法研究进风温度、湿度、风流量等对巷道气候参数的影响。研究结果表明:不同工况下巷道内空气温度均趋近于围岩温度;冬季工况沿巷道走向相对湿度先增加后减小,随进风温度的升高巷道内相对湿度变化幅度减小;夏季工况巷道内相对湿度增加后趋于稳定,随进风相对湿度的升高而升高;巷道内相对湿度随进风速度的增加略有减小。1-2辅运上山起雾是由于风流从进风井至巷道距离过长,造成风流大量吸湿,当风流在1-2辅运上山上行时风流温度降低,风流中携带的水蒸气析出,出现雾气;通过在风路分支设置风窗,风流方向由上行改为下行,可有效解决巷道起雾现象。     

分层充填开采煤层瓦斯运移方式及涌出规律研究*

为了探究使用分层充填法采煤过程中煤层瓦斯的运移方式及涌出规律,以高河煤矿E1302工作面为研究对象,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法建立数学模型,利用数值模拟软件对煤层瓦斯的运移方式及涌出规律进行求解。研究结果表明:使用分层充填法采煤时,充填体渗透率远大于煤体,下分层煤体中的瓦斯会以充填体为媒介向工作面涌入;开采过程中,工作面瓦斯压力随开采时间逐渐降低,开采30 d后,煤层最大瓦斯压力下降18.75％,最大瓦斯渗流速度始终位于充填体、工作面、下分层煤体交界处;工作面绝对瓦斯涌出量随着开采时间的推移呈波动式下降。     

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。     

潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0 MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。     

高温矿井多孔介质相变蓄热降温研究及设计

为了解决机械通风难以满足高温矿井降温需求的问题,提出由石蜡和膨胀石墨构成多孔介质相变蓄热模块来达到巷道降温效果的方法,基于Fluent模拟软件,对通风和相变蓄热联合降温多条件下巷道温度场进行数值模拟,确定相变蓄热模块的设计参数,最后对掘进巷道热环境进行模拟研究和方案设计。研究结果表明：相比于仅通风降温,联合降温效果明显;采用双侧布置相变模块降温效果明显优于单侧布置工况;随着风速逐渐递增,降温效果下降,且降温幅度减小;模块厚度分别为100,200 mm时降温效果基本一致,厚度300 mm时,巷道温度明显升高。     

井下移动热源对巷道局部风流温度影响规律研究

为了研究煤矿井下热源对巷道局部风流温度的影响,通过搭建实验平台以及建立数值模型,采用实验和数值模拟的方法,分析井下固定和移动热源对巷道局部风流温度的影响规律。研究结果表明:对比实验和数值模拟固定热源对巷道局部风流温度的影响,结果显示二者总体温度变化趋势一致性较好,验证了数学模型的正确性;井下热源移动速度不同时,顺风移动速度越大,对巷道局部温度影响越大,且巷道局部温度相对升高;逆风移动速度越大,对巷道局部温度影响越小,且巷道局部温度相对降低。