井下抽采钻孔瓦斯浓度控制机理及方法研究

为解决煤矿现场瓦斯抽采浓度偏低的问题,给出了封孔深度确定方法,揭示了空气摄入主控截面位置,提出了考虑吸附作用影响的瓦斯流量控制方程,以及采用多级调节抽采负压控制瓦斯抽采浓度的方法。结果表明:最小封孔深度应超越应力峰值位置;空气摄入主控截面可分为封孔改性区、破裂区、塑性区、弹性损伤区和原岩应力区;煤岩缺陷周围表现出显著应力集中现象的原因为,有效应力较名义应力大,随着瓦斯压力的增大,有效应力有所减小;相同孔隙度条件下,随着名义应力增加,孔隙周围应力集中系数增大;空气摄入量与封孔有效半径表现出负相关关系,与抽采负压表现出正相关关系;工程实践表明,采用优化封孔深度和合理多级调节负压的方法可有效控制钻孔瓦斯抽采浓度。     

基于S7-1200的瓦斯智能混配系统设计与 工艺技术研究

为了有效提高打牛厂煤矿抽采的低浓度瓦斯利用率,提升瓦斯发电站经济效益,基于西门子S7-1200PLC控制系统,研发出高低浓度瓦斯智能混配系统。介绍了高低浓度瓦斯智能混配系统的主要功能及其结构组成,以及智能混配系统的关键技术设备和工艺控制原理。智能混配系统通过自动监测、分析高低浓度瓦斯的流量、压力、浓度等主要参数的变化规律,自动调节低浓度瓦斯混配量。应用结果表明:该智能混配系统混配的瓦斯浓度均匀稳定,瓦斯发电机组运行高效可靠,同时压力保护装置不会造成瓦斯抽采泵"憋压",对瓦斯抽采泵站安全运行无影响。     

地面钻孔抽采对采空区瓦斯运移及自然发火的影响数值模拟研究

地面钻孔抽采导致采空区漏风增加,采空区内瓦斯及氧气浓度分布发生变化,影响采空区自燃危险性。采用数值模拟的方法,对不同钻孔抽采量和抽采位置条件下采空区氧化带宽度及瓦斯浓度分布情况进行了模拟,研究结果表明,经地面钻孔抽采后,采空区两侧瓦斯浓度降低,高浓度瓦斯位置整体后移,但自燃氧化带宽度随之增加。随着抽采流量增加,瓦斯浓度降低,氧化带宽度增加;在靠近工作面及采空区深部位置布置钻孔进行联合抽采时,瓦斯浓度及自燃氧化带分布较为理想。采用多孔联合抽采方式时,在合理的布孔间距和抽采流量条件下,既可以降低采空区瓦斯浓度又能控制自燃氧化带宽度范围,能够有效解决采空区瓦斯涌出与自然发火问题。     

采空区埋管抽采瓦斯治理效果研究

根据采空区上覆岩层"O"形圈分布原理以及埋管抽采工作原理,对李雅庄煤矿224工作面影响瓦斯抽采效果的因素进行了分析,并对李雅庄煤矿埋管抽采瓦斯治理效果进行了预测;根据对抽采浓度、混合流量的分析,研究了李雅庄煤矿埋管抽采瓦斯治理效果,认为抽采钻孔是否布置在采动裂隙带内对瓦斯抽采效果有直接影响。     

自适应瓦斯抽采管路阀门自动调控系统设计与应用

为提高瓦斯抽采效率,设计了应用于煤矿井下的自适应瓦斯抽采管路阀门自动调控系统,该系统通过自适应调节算法实时控制阀门的开度,以实现瓦斯抽采浓度或抽采纯流量的最大化。现场工业试验表明:阀门开度由100%调整为50%时,试验钻场的瓦斯抽采浓度由20%提高到最大值45.84%;阀门开度由100%调整为80%时,瓦斯抽采纯流量由0.328m3/min提高到最大值0.464m3/min;并且随着阀门开度的减小,瓦斯抽采浓度和抽采纯流量均呈现出先增大后减小的趋势。     

抽放瓦斯与乏风混合器的性能研究

提出了一种扩张引射式混合器,用于将抽放瓦斯与乏风瓦斯混合,一起送入煤矿乏风瓦斯氧化装置内进行氧化利用。为了保证氧化装置及煤矿系统的安全,采用Fluent软件对混合器的混合过程及混合效果进行了数值模拟研究,计算结果表明：增大引射管的最大直径和锥角可以改善混合均匀性,阻力损失也会随之增大;在一定范围内,增加尾锥锥角可以有效改善混合效果,而尾锥锥角对流动阻力损失影响不大。根据模拟计算结果,设计制造了混合器,并对混合效果进行了实验测试,测试结果与模拟计算结果基本一致,验证了模拟计算的正确性。     

煤矿瓦斯抽采智能系统设计

针对煤炭生产开采中的瓦斯安全问题,通过在抽采主管道、支管道等各个监测节点安装的传感器对抽采管路中的瓦斯浓度、气体温度、管道负压、混合流量等主要参数进行实时监测,由PLC作为核心控制器并利用隐马尔科夫模型(HMM)来处理分析相关数据,调节井下电动调节阀门的开度位置,进而控制管路中的瓦斯抽采浓度始终保持在抽采要求范围内,地面监控中心由组态软件创建上位机实时显示当前瓦斯抽采参数,最终实现瓦斯抽采智能监控。试验结果表明,随抽采过程的进行,矿井温度、负压的作用逐渐减弱,降低瓦斯的抽采负压能够有效提高抽采瓦斯浓度。     

相邻煤层钻孔抽采瓦斯效果的观测和分析

根据相邻煤层钻孔瓦斯抽采流量与时间的观测数据,计算了贺西煤矿3号和4号煤层钻孔瓦斯初始流量、衰减系数、煤层透气性系数。研究表明3号煤层卸压保护开采,使4号煤层钻孔瓦斯初始流量和极限抽采量小于3号煤层,而衰减系数和煤层透气性系数却大于3号煤层;影响钻孔瓦斯流量和浓度主要因素是封孔质量。因此,建议延长3号煤层抽采时间,加大4号煤层孔间距,提高封孔质量以提高各煤层综合抽采效果。     

顺煤层钻孔抽采半径与预抽期动态耦合规律

针对煤层瓦斯预抽钻孔盲目布置引起矿井采掘安全隐患凸显及瓦斯治理成本激增的问题,基于瓦斯流量法,对不同钻孔间距下青岗坪煤矿4~(-2)顺煤层瓦斯流量、瓦斯抽采总量与抽采时间对应关系进行考察。结果表明:不同间距(2m、3m、4m、5m)下瓦斯流量均随抽采时间成负指数衰减,抽采总量均随抽采时间成负指数增加,间距越小则初始流量越小而衰减系数越大,间距越大则抽采总量极限值越大;不同间距下瓦斯抽采率均存在极限值,间距越小则极限抽采率增幅越大,间距2m时抽采率达到最大值79%;瓦斯抽采半径与预抽期存在动态耦合关系,综合考虑合理预抽期和瓦斯治理成本,科学确定了现行采掘和抽采条件的有效影响半径,为青岗坪煤矿4-2煤层采掘工作面瓦斯抽采设计提供理论依据。     

高压水力割缝技术工程实践及瓦斯抽采影响因素探讨

针对低渗煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低以及抽-掘-采衔接不紧密等难题,以大佛寺煤矿4#煤层为研究对象,开展了顺层钻孔高压水力割缝现场试验,考察了水力割缝效果。结果表明：（1）当割缝压力为70 MPa,割缝时间为10～15 min时,等效割缝半径为1.16～1.41 m;(2)受水锁效应影响,割缝钻孔瓦斯抽采参数随时间的变化过程可分为抽采初期、抽采稳定期和抽采衰减期3个阶段,其单孔平均抽采浓度、纯流量分别是常规钻孔的1.81～2.36倍和1.93～4.50倍,且割缝间距越小提升效果越显著,衰减越慢;（3）随着负压的增大,割缝钻孔的抽采浓度加速降低,抽采纯流量和混合流量不断升高,但抽采纯流量的增长幅度远小于混合流量的增幅,且差距逐渐拉大。由此可见,高压水力割缝能够增强煤层渗透率,提高瓦斯抽采效率。     

大佛寺煤矿瓦斯氧化工程应用安全措施

为了在煤炭行业推广瓦斯氧化装置,保证氧化装置应用的安全性,根据目前煤矿井下通风要求和矿井主要通风机扩散塔结构形式,提出乏风输送时其输送管道与主要通风机扩散塔的接口方式和输送要求、抽排瓦斯输送及与乏风掺混技术,并提出外部条件缺失时的安全保护措施。通过大佛寺煤矿瓦斯氧化发电工程设计、建设和运行检验,证明氧化装置在煤矿应用是安全可靠的,不会对煤矿带来不安全因素。     

矿压显现对工作面瓦斯涌出规律影响分析

文章通过对煤层瓦斯存在形态、采空区瓦斯分布规律和矿压显现对煤层瓦斯存在形态及采空区瓦斯分布影响进行定性分析,解释矿压显现对工作面风流中的瓦斯浓度变化原因。为煤矿瓦斯管理及工作面周期来压的预测预报提供科学理论依据和方法。     

煤矿乏风瓦斯流入特性对填充床内置换热器取热的影响

在实验验证数学模型有效基础上,研究了气体流入特性对煤矿乏风氧化床内置换热器取热的影响,结果表明:填充床内置换热器取热率随床层入口气体质量流速均匀性指数的下降而减小,蜂窝陶瓷的存在导致气体流动单向导通、增大床层物理流速及辐射面积,使床层入口气体质量流速均匀性指数减幅相同时填充床内置换热器取热率减小幅度要比空床换热器大;床层入口气体平均质量流速不变时,内置热器取热率随床层入口气体温度均匀性变差而减小,温度分布不均同时引起流速分布不均,温度分布不均引起的取热率下降幅度要明显大于相同平均质量流速、温度下床层入口气体流速不均引起的取热率下降幅度;对于立式氧化床,各部分气体由于温度不同导致的浮力大小不同以及气体所受浮力由于进风方式不同导致的对流动影响差异,换热器取热率也随之发生变化,随着床层入口气体平均温度逐步升高,进风方式对取热率影响越来越明显。     

入口弯管对矿用轴流通风机气动性能影响的数值研究

以某大型矿用低压轴流式通风机为研究对象, 采用气体动力学性能试验和数值模拟的方法研究了不同入口弯管对风机性能的影响, 重点分析了入口弯管引起的叶轮内部流动特征和损失分布的变化规律。研究结果表明, 风机入口采用弯管连接缩短了进口管道的轴向长度, 节省了地下空间, 但同时来流的均匀性受到影响。弯管内气流速度梯度较大, 管道内侧易发生流动分离, 产生回流区, 增大了流体流动时的能量损失, 风机的整体性能下降。弯管与叶轮入口之间的连接长度会影响内部流场, 当附加直管段较长时, 来流均匀性得到提高, 风机性能有所改善。     

丁集煤矿超低浓度瓦斯氧化供热技术应用研究

针对丁集煤矿抽放排空超低浓度瓦斯造成的能源浪费和环境污染,介绍了超低浓度瓦斯(甲烷浓度7%以下)回收利用技术,经配气掺混后瓦斯浓度降低至1.2%送入蓄热式氧化装置,生成900℃以上高温烟气,通过烟气余热锅炉生成中温中压蒸汽供背压式汽轮发电机组发电和供热,实现热电联产。描述了应用低浓度瓦斯二次掺混输送技术解决浓瓦斯安全输送问题的方法,应用瓦斯氧化低温热风回用技术提高蓄热氧化炉热效率的方法,以及应用背压式汽轮机和后置机组合热电联产技术解决机组平稳运行与丁集煤矿热负荷波动大难适应问题的方法。最后,分析了丁集煤矿超低浓瓦斯氧化利用工程的经济和社会效益。     

基于Fluent软件的泵前进气管内部流场模拟

利用 Fluent软件,对气浮装置中设置在溶气泵前进水口上的泵前进气管内部结构进行了流场模拟,计算得到了压力云图,速度云图和相分布图,进而获得泵前进气管内部的压力变化、速度变化及相变化情况。通过综合分析,泵前进气管内部压力均会逐渐降低,而速度则会逐渐增大,导致负压区的出现,说明泵前进气管具有吸气能力,而相分布图则证明了泵前进气管内气相的存在。根据分析结果,对泵前进气管结构做了一定优化,而优化后装有节流口的泵前进气管负压区范围明显较大,气相分布较为均匀,说明其吸气性能较好;而泵前进气管入口速度的改变,则证明了入口速度的提高会促使泵前进气管内部负压区范围的扩大,从而提升吸气性能。     

煤矿乏风的蓄热逆流氧化

用自行研制的蓄热逆流氧化装置对煤矿乏风的氧化反应进行试验,考察了CH₄体积分数、乏风流量、换向周期和反应区温度对煤矿乏风氧化的影响.结果表明：当CH₄体积分数大于0.2％时,蓄热逆流氧化装置能够维持自热氧化反应,氧化率在99％以上,且能够回收一定的热量;随CH₄体积分数和乏风流量的增加,氧化装置中心区温度升高,高温区域扩大,有利于氧化反应的进行;最佳换向周期范围为90～150 s;煤矿乏风氧化的最低反应温度为880 ℃左右.     

深海采矿中继站底部Y形管流动状态研究

针对深海采矿泵管输送试验系统中Y形管内流场复杂和矿石泄露风险等问题,采用CFD-DEM方法,对不同速度、不同体积浓度和不同粒径的矿石颗粒进行数值模拟计算,分析了Y形管内颗粒群的运动特性和流场分布规律。结果表明,Y形管内流场分布受弯管曲率和Y形管入口流量分配影响;颗粒群在弯管内贴壁流动,受到上升流作用后颗粒向上偏移;当上升流流速不足、颗粒体积浓度高及颗粒粒径较大时,会造成颗粒沿着底部管道流失,随着上升流速减小、颗粒体积浓度增大及颗粒粒径增大,颗粒通过底部管道流失不断增大;颗粒流的存在导致Y形管内低压漩涡区强度和尺度均减弱。     

基于活性炭的真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验研究

测试了活性炭的平衡吸附特性,在此基础上研究筛选出了适合煤层气提浓的活性炭,其比表面积为1 706 m2/g,并建立了两塔真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验装置,对甲烷体积分数为20%的低浓度煤层气提浓进行了实验。结果表明：利用真空变压吸附的方法,吸附压力在209 kPa以内,解吸压力为21 kPa时,可以将体积分数为20%的煤层气提浓到30%以上且产率超过80%;适当的延长吸附时间有助于提高甲烷的体积分数;降低解吸压力有助于提高甲烷的体积分数和产率;均压有助于提高甲烷的体积分数,既有上均压又有下均压的均压过程对甲烷体积分数的增大效果最好,实验中下均压02 s、上均压04 s时甲烷体积分数最大;维持吸附时间不变,存在一个最佳的产品气与原料气之比（Qc/Qin）,使得甲烷体积分数达到最大值。