碳氢/有机硅/低碳醇三元系泡沫及抑制煤自燃的效果分析

泡沫灭火剂是常用的火灾扑救方法之一,但常规泡沫灭火剂存在半衰期短,析液、聚并迅速而影响灭火效能的问题,基于火灾化学和活性剂技术,提出碳氢表面活性剂SDS、有机硅表面活性剂LS-99和低碳醇的三元系泡沫体系,并系统探究碳氢/有机硅/低碳醇的复配配比。通过表面张力、发泡高度、稳泡系数的大量测试,发现LS-99的临界胶束浓度为0.0083%。LS-99和SDS二元系在降低表面张力、提升发泡高度和稳泡系数方面具有良好的协同增效作用。在此基础上引入适量浓度的能够延缓泡沫析液、聚并的异丁醇,设计出了性能优良的碳氢/有机硅/低碳醇泡沫灭火剂。LS-99、SDS和异丁醇的质量分数为0.1%时,测试结果表明SDS/LS-99/醇三元系泡沫的发泡倍数可达52.5倍,25%析液时间可达210 s,300 s时的稳泡系数高达0.958,半衰期远超常规泡沫。煤自燃的灭火抑制实验表明,SDS/LS-99/醇三元系泡沫作用下,煤自燃各反应阶段的活化能相较于空气氛围均增大,反应难度增强;最大失重速率下降,反应剧烈程度减弱。初期吸热阶段的吸热量为78.3 J/g,大于空气氛围下煤氧复合的吸热量,吸热增幅高达2.16倍。放热阶段的放热量为1765.4 J/g,相较于空气氛围放热降幅达到15.15%,表明SDS/LS-99/醇三元系泡沫对煤自燃具有良好的灭火效果。     

底板承压水作用下断层破碎带岩体冲蚀-渗流灾变规律研究

针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体3部分,建立了考虑冲蚀作用的断层突水的流固耦合数学模型。以此为基础,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,数值模拟研究了断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规律。研究结果表明：底板承压水作用下断层冲蚀突水过程可以划分为两个主要阶段,在缓慢渗流阶段,断层的裂隙开度和涌水量缓慢增加;在渗流突变阶段,裂隙开度和涌水量急剧增加。在冲蚀作用下,随着断层内部可冲蚀颗粒的液化、迁移和流失,流体中充填物颗粒体积分数呈现先增大后减小的趋势。在承压水冲蚀作用下,部分裂隙不断扩张和贯通并发展成为数条优势导水通道,最终造成了断层涌水量的急剧增大和突水事故的发生。研究结果对于揭示断层渗流灾变机理并指导其突水防治具有重要理论意义。     

不同速率加锚煤样抗拉力学响应特征试验研究

不同加载速率条件下加锚煤样的变形破坏特征是回采巷道围岩稳控的基础。采用巴西圆盘煤样,通过RMT-150C试验机研究了静载条件下无锚和加锚煤样的抗拉强度、变形和能量演化特征,以及能率变化与加载速率的关系。结论如下：加载速率对煤样抗拉强度和最终劈裂能率的影响大致相同,加锚煤样的抗拉强度和最终劈裂能率始终大于无锚煤样。加载速率较低时,二者随着加载速率的增加变化较为缓慢;加载速率较高时,二者随加载速率的增加变化较大,最后又趋于稳定。加载过程中,煤样表面应变随加载时间呈线性增加至煤样开裂,锚杆应变呈线性增长。无锚煤样破坏后分裂成两半,加锚煤样破坏后仍由锚固剂黏结在锚杆上,破裂面与加载速率无明显关系。加锚煤样破坏分为共同承载和锚杆承载两个阶段,前一阶段煤样相对完整,煤样和锚杆共同承载;锚杆承载阶段,锚固剂为煤体和锚杆的传力媒介,锚杆承受大部分的载荷。     

水淹环境下煤层瓦斯解吸特性的实验研究

在煤矿生命周期内,水淹煤层现象时有发生,水淹环境下煤层瓦斯的解吸特性将发生较大变化,为了精准防治煤层瓦斯,开展了水淹环境下瓦斯解吸特性的实验研究,结果表明：随着水淹时长增加,累计瓦斯解吸量、初始瓦斯解吸速度和气体扩散系数均出现大幅降低,三者均与水淹时长线性关系明显;低场核磁共振测试表明,随着水淹时长增加,进入煤体孔隙中的水分增加。经理论分析,提出水淹环境下煤层瓦斯解吸的动力机制,当水分进入煤的孔-裂隙中时瓦斯既受到自身残余压力的动力作用,又受到孔-裂隙中水的阻力作用,当动力大于阻力时,瓦斯冲破水膜束缚;当阻力大于动力时,产生水锁效应;随着水淹时长增加,水分侵入煤体的深度增加,水分被排出的难度增加,从而水锁效应增强。     

柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散模型与实验

为了提高长钻孔瓦斯含量测定的准确性,进行了φ50 mm×100 mm柱状煤心径向和1～3mm颗粒煤球向瓦斯解吸流动实验。实验结果表明：常系数扩散模型不能准确描述柱状煤心瓦斯的径向流动全过程;90 min前,实验值大于理论值;90 min后,实验值小于理论值,这种现象是由于煤体的多尺度孔隙结构引起的。进而提出了柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散系数新模型。计算表明：新的径向动态表观扩散模型能精确描述瓦斯在柱状煤心中的表观扩散;相同时间内柱状煤的径向解吸比率远小于颗粒煤球向解吸比例,损失量较小;因而,进行长钻孔长时间测定瓦斯含量时,柱状煤心比颗粒煤更有优势。     

含软弱夹层顶板采动巷道冒顶机理与控制方法

为揭示采动巷道顶板软弱夹层位态与冒顶的内在关联,以南山矿回采巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场探测等综合研究方法,研究了含软弱夹层顶板采动巷道围岩破裂形态及冒顶机理.结果表明:巷道顶板整体的破裂形态主要取决于软弱夹层厚度、破坏状态及其下位坚硬岩层物理力学性质.采动影响作用下,巷道顶板软弱夹层极易出现破坏,并伴有强烈的膨胀变形压力,有可能致使顶板整体破裂,南山矿回采巷道顶板软弱夹层下位坚硬岩层不足1.0 m时,则出现冒顶隐患.据此,提出了含软弱夹层顶板采动巷道冒顶控制应以抑制软弱夹层破裂区扩展为主,并对南山矿回风顺槽进行了支护设计优化,监测结果表明该支护对策效果良好.     

煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明：抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则...     

电视信号铁塔下压煤开采与动态调斜保护技术

为解放电视信号铁塔下压煤资源并保障广播电视信号铁塔安全运行,在分析地表移动变形规律的基础上,研究了电视信号铁塔采动变形特征及塔身倾斜动态调整保护技术。利用概率积分法对铁塔处地表移动变形进行计算并评估其运行安全性,据此分析了采动影响下铁塔倾覆稳定性。计算结果表明：工作面开采后铁塔基础处倾斜变形超过其极限倾斜变形值,结构抗倾覆能力降低,铁塔运行存在安全风险;对工作面开采过程中铁塔移动变形进行了现场监测,现场监测结果表明：随着工作面的推进,电视信号铁塔呈现阶梯状下沉趋势,采煤工作面停产或推进速度过慢时,塔基处不均匀沉降增幅较大,导致铁塔倾斜变形增大;阐明了铁塔倾斜变形动态调整保护技术原理,提出并实施了电视信号铁塔动态调斜保护技术,根据铁塔移动变形监测结果确定铁塔动态调斜时机并进行铁塔调斜工作,调斜后的塔基倾斜度小于电视信号铁塔的采动极限倾斜变形值,确保了电视信号铁塔的安全运行,成功地实现了电视信号铁塔下压煤资源开采,提高了资源采出率,产生显著的经济和社会效益,并验证了实施电视信号铁塔动态变形保护技术开采其下方压煤的可行性。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...     

煤炭地下气化对地下水的污染及其防控研究进展

煤炭地下气化（Underground Coal Gasification,UCG）是一种重要的煤炭资源转化技术,可提高煤炭资源的利用效率,但同时也带来地下水环境的污染风险。本文主要从UCG产生污染物对环境的影响及其修复防治角度着手,总结了UCG产生污染物的种类、转化迁移规律、净化修复方法和环境评估监测研究现状与进展,展望了未来UCG全面积极推广应加大其现场试验以及污染物监测研究力度的发展趋势,并为煤炭清洁利用领域的发展提供参考。