地下坑道瓦斯热着火实验研究

坑道瓦斯热着火的实验研究对丰富爆炸安全科学理论体系、研发防火防爆技术与装备具有重要意义。对坑道瓦斯空气混合气在高温热源条件下的热着火现象进行实验研究。根据实验结果,详细讨论了瓦斯的热着火方式、临界着火温度以及浓度、温度的变化规律。实验发现:高温热源条件下瓦斯混合气的着火模式为燃烧、热爆燃;瓦斯引燃分为热裂解、快速氧化反应、加速氧化反应3个阶段;瓦斯在自燃点附近开始快速化学反应,热着火临界温度高于自燃点近80 K;温度特征曲线在着火时具有突变性质。     

济北矿区煤尘层最低着火温度变化规律分析

为了探究埋深、粒径对煤尘层最低着火温度的影响,选取济北矿区煤样,在对深部煤层物化性质研究的基础上,通过热板实验测得不同埋深、粒径的煤最低着火温度。结果表明:在实验温度范围内,煤尘层厚度为5mm,埋深增加,其挥发分含量上升,由33.65%增至38.9%,煤尘层最低着火温度从330℃降至270℃,煤尘层着火现象用肉眼可观测到。随煤样粒径不断减小,不同埋深煤样的煤尘层最低着火温度明显减小,在煤尘层同为5mm时,随煤样粒径由180μm逐渐减小到75μm,3种不同埋深煤样煤尘层最低着火温度分别减小了16%、19%、25%,差异显著。     

烟煤煤尘云最低着火温度实验研究

为了研究彬县大佛寺矿不粘煤、安徽口孜东矿气煤、山西天池矿301工作面瘦煤等3种烟煤的煤尘云最低着火温度,实验采用Godbert-Greenwald加热炉对以上3种烟煤的煤尘云最低着火温度进行了测试。研究发现气煤、不粘煤、瘦煤的灰分依次增大,挥发分依次减小,固定碳依次增大,水分随瘦煤、气煤、不粘煤依次增大;这3种烟煤煤尘云的最低着火温度都随煤尘粒径的减小而降低;根据最低着火温度,得知煤尘云被引燃的难易程度依次为瘦煤、不粘煤、气煤。此基础研究可为煤矿的安全生产提供实验依据。     

温度和放散空间体积对等容变压法测定瓦斯放散初速度的影响分析

在煤矿煤与瓦斯突出防治工作中,瓦斯放散初速度（ΔP）是一个重要的指标。通过资料对比、理论分析、实验研究对瓦斯放散初速度测定中温度、放散空间体积等对测定的影响进行了研究。研究表明瓦斯放散初速度在煤样一定的情况下与放散空间体积和实验温度有关。随着温度的升高,瓦斯放散初速度减小,减小的幅度和煤样自身的瓦斯放散初速度大小有关。放散空间体积越大,瓦斯放散初速度越小;不同煤样放散空间体积对瓦斯放散初速度影响不同。建议瓦斯放散初速度测定应在恒定温度下进行,实验温度建议与井下温度相同,仪器的放散空间体误差应小于1 mL。     

温度对煤体瓦斯放散初速度影响的实验研究

为准确测定瓦斯放散初速度ΔP,从而提高煤与瓦斯突出区域预测准确性;通过理论分析温度对瓦斯放散初速度的影响,运用自主改进的WT-1型恒温水浴瓦斯放散初速度测定仪,以土城煤矿3个采区所采集的煤样为实验对象,探究煤样瓦斯放散初速度ΔP与温度之间的关系。研究结果表明:煤体瓦斯放散初速度受温度影响,且随着温度的升高煤体瓦斯放散初速度逐渐变小,且呈现二次函数的关系。同一煤样在实验温度为10～30℃时误差较大,究其原因是受室温的影响造成,即后续研究应该充分考虑室温对煤体瓦斯放散初速度ΔP的影响。煤体瓦斯放散初速度受煤体影响,究其原因是由煤体的吸附特性造成。     

基于连续变温变件的含瓦斯煤渗流特性数值模拟

针对含瓦斯煤渗透率与温度变化关系,基于物理实验和数值模拟对比研究了温度变化对煤样瓦斯渗流的影响,通过对煤样的瓦斯渗流特性的深入的分析,得到以下结论:通过应力场-温度场-渗透率的实验研究,煤样渗透率随温度升高而下降,其变化曲线呈"S"型曲线;煤样渗透率随温度变化曲线可分为5个阶段,分别为缓慢下降阶段、加速下降阶段、减速下降阶段、二次加速下降阶段、平缓阶段;温度T=25~80℃的范围内,煤样渗透率随温度变化的幅度是随着轴压围压的增大而升高的;利用数值模型可以很好的对热力耦合情况下的煤岩的渗流特性进行计算模拟,其数值模拟结果与物理实验结果的吻合度较高。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

低温对煤中瓦斯放散的抑制作用

针对煤矿井下瓦斯含量测定中煤样温度过高、瓦斯放散量过多导致损失量推算出现偏差,使煤层瓦斯含量测值不准确的问题,基于煤的瓦斯放散速度随温度升高而增加的性质,提出了低温(0℃以下)取煤样的方法,以期通过抑制瓦斯的放散来提高瓦斯含量测值的准确性。结合实验室现有条件,设计了低温条件下煤的吸附/解吸实验。结果表明,低温取样可以增加煤对瓦斯的吸附性能,减慢瓦斯放散速度,尤其是对解吸初期影响较大,低温对煤中的瓦斯放散具有抑制作用。     

最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究

火电厂及煤化工行业中需要将原煤加工成煤粉,煤粉在制备及输送过程中具有粒度小、环境温度高和供氧条件充分等特点,易发生自燃现象。最低点火温度Tm指在一定条件下煤粉能够发生自燃的最低环境温度,是衡量煤粉自燃危险性的重要参数。因此,研究煤粉在最低点火温度下的自燃特性参数及热动力学行为,对了解在最低点火温度时煤粉自燃行为、建立相应的预警机制具有重要意义。以3种不同变质程度的煤粉(张家卯弱黏煤ZJM、兖州气煤YZ和长治贫瘦煤CZ)为研究对象,采用油浴程序控温试验装置对煤样自燃特性进行测试,确定了3种煤粉的Tm和延迟点火时间ti;得出最低点火温度下各煤样耗氧速率、CO及C2H4产生量的变化规律;采用热动力学分析方法计算了3种煤粉的表观活化能。试验结果表明:①ZJM、YZ和CZ煤粉的最低点火温度分别为120、130、164℃,随变质程度的增加而增加;煤的变质程度越高,内部活性基团数量越少,自燃需要热量更多,导致高变质程度煤的最低点火温度较高;3种煤粉在最低点火温度处的延迟点火时间均约为20 min。②耗氧速率呈现出先增加后缓慢减少的趋势,在试验后期由于氧气浓度较低,引起煤粉氧化反应强度降低,最终导致耗氧速率出现缓慢下降;最低点火温度处的CO产生量随时间呈现出先升高后降低趋势,当煤粉温度约120℃时,产生C2H4。③最低点火温度处ZJM、YZ和CZ煤粉的表观活化能分别为24.33、29.50和18.67 kJ/mol,其中变质程度最高的CZ煤粉的表观活化能低于另外2个煤样,这表明高变质程度煤样的最低点火温度高,初期氧化反应速率较高。     

工程温度下煤岩单轴力学特性研究及分析

利用自主研发的深部温度-压力耦合气体运移实验系统,对四川芙蓉白胶煤矿的煤样进行不同工程温度(20、25、30、35、40℃)下的单轴压缩试验,研究工程温度对深部煤岩物理力学性质的影响规律。结果发现,煤岩的单轴抗压强度和弹性模量随着温度的升高而降低,且温度越高力学参数下降梯度越大。根据不同温度下恒温阶段瓦斯逸出量变化趋势认为吸附瓦斯的解吸运移对影响煤岩力学性质有很重要的作用。     

煤尘着火温度与其粒径的关系研究

通过测定不同粒径范围下煤尘层和煤尘云的最低着火温度,得到如下结果:煤尘层和煤尘云的最低着火温度随着煤尘粒径的减小而降低;煤尘层的最低着火温度随煤尘层厚度的增大而降低;同一粒径范围内,煤尘层的最低着火温度低于煤尘云的最低着火温度。分析了煤尘层着火温度与煤尘云最低着火温度概念上的区别,对煤矿防尘工作提出有效建议。     

温度对煤样罐内煤体瓦斯解吸的影响

采用特制的瓦斯解吸试验系统,对阳煤五矿15号煤煤样进行了不同吸附和解吸温度条件下煤屑瓦斯解吸量测定实验及恒温和变温吸附解吸条件下煤样罐中煤屑瓦斯解吸过程中温度变化测定实验。试验结果表明:煤屑在40 ℃吸附后,在27 ℃解吸时速度明显低于40 ℃下解吸速度,30 ℃吸附40 ℃解吸明显高于40 ℃吸附27 ℃解吸的解吸速度;气体分子的吸附解吸过程伴随着多孔介质系统的能量改变而导致了温度变化,热量从煤样罐外围环境传导到煤样需要一定时间,在瓦斯解吸过程中,外界温度的急剧变化不会立即对解吸扩散过程产生影响,在这一时间阶段内,对煤样温度变化起主要决定作用的还是煤解吸瓦斯过程中自身的吸热反应,但一定时间后其决定作用将会是外界温度。     

煤尘粒径与最低着火温度的关系研究

对所采集煤尘样品进行实验分析,测定了不同粒径范围下煤尘层和煤尘云的最低着火温度。结果表明,煤尘层和煤尘云的最低着火温度随着煤尘粒径的减小而降低;煤尘层的最低着火温度随煤尘层厚度的增大而降低;同一粒径范围内,煤尘层的最低着火温度低于煤尘云的最低着火温度。分析了煤尘层最低着火温度与煤尘云最低着火温度概念上的区别,并对煤矿防尘工作提出了可行建议。     

煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一,研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律,是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响,特选用2种组分不同的煤尘(烟煤和无烟煤)。依据EN 14034标准,使用10 kJ化学点火头在标准20L球形爆炸容器中,分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m^3和70 g/m^3,瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后,烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m^3,无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m^3。基于上述测量结果,对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响,并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明:2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低,但挥发分含量低的煤尘降幅更大,即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值;Le Chatelier模型预测值高于实际测量值,且误差随瓦斯浓度的增大而增大;Bartknecht模型适用性相对较好,且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。     

Numerical investigation on the spraying and explosibility characteristics of coal dust

This paper utilises FLUENT software to simulate the spraying and explosion of coal dust in a spherical explosion chamber. The influence of particle size on coal dust spraying is analysed. Explosion easily develops for small particle sizes under the same conditions of coal dust concentration and ignition temperature. For large-size coal dust particles, the speeds of release and transmission reduce dramatically due to lack of oxygen inside. Explosion is very difficult to develop in such conditions. Coal dusts with smaller particle size distribute uniformly in the chamber, whereas larger particles concentrate in parts of the chamber. The influence of coal dust concentration, ignition temperature and particle size on the pressure of coal dust explosion is also studied. The results show that, when ignition temperature is less than a certain value, the maximum pressure increases rapidly with the growth of ignition temperature. As ignition temperature is larger than the value, the change of the maximum pressure is small. The maximum explosion pressure increases first and then decreases with the increase of coal dust concentration. Because the inside of large size particles burn only partially due to lack of oxygen and slow combustion heat release and transfer, the decrease of the maximum explosion pressure is proportional with the increase of particle size.     

褐煤热破裂的显微CT实验

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统并配以微型气氛炉,研究了内蒙古平庄褐煤热破裂随温度的变化关系。研究结果表明,褐煤在100 ℃左右时,大裂隙(>800 μm)占主导地位;200 ℃左右时,中等裂隙（100~400 μm）占主导地位;300 ℃之后微裂隙（<100 μm）占主导地位;热破裂的阈值为300 ℃左右;在300 ℃之前孔隙裂隙的产生发展主要是因为热破裂,300 ℃之后,微裂隙和孔隙的产生主要是因为煤体发生热解化学反应,油气逸出,固体骨架逐渐转变为半焦体。     

硫化矿尘云最低着火温度试验研究

利用标准测试装置Godbert-Greenwald 恒温炉对硫化矿尘进行了矿尘云最低着火温度试验研究。在设定试验条件下测试了硫化矿尘云最低着火温度,并探究了矿尘含硫量、粒度以及质量浓度对硫化矿尘云最低着火温度的影响。结果表明：A、B、C 3种硫化矿尘云最低着火温度分别为386、454、512 ℃;最低着火温度随矿尘含硫量的增加而降低、随粒径的减小而降低、随矿尘质量浓度的增加呈现先降低后升高趋势。研究结果对了解硫化矿尘云着火、爆炸危险性和指导硫化矿山安全生产具有参考价值。     

受限空间煤尘爆炸残留气体特征分析

采用20 L球形爆炸装置进行煤尘爆炸实验,研究了不同条件下煤尘爆炸后气体体积分数变化及生成规律。结果表明:爆炸残留气体成分及体积分数与煤尘浓度、粒径、点火能量以及煤尘变质程度关系密切。随煤尘浓度升高,爆炸后残留气体体积分数φ(CH4),φ(CO),φ(H2)及φ(CO)/φ(CO2)呈上升趋势,φ(CO2)呈先上升后下降趋势。一定范围内随煤尘粒径减小,φ(CH4)增大,φ(CO)及φ(CO)/φ(CO2)呈减小趋势,当粒径小于25μm时,φ(CH4)急剧减小。随点火能量增大,φ(CH4)及φ(CO)增大,φ(CO)/φ(CO2)整体变化量不大,当点火能量大于10 k J时,φ(O2)明显减小。随煤尘变质程度增加,φ(CO)/φ(CO2)先增大后减小,φ(CH4)整体呈降低趋势,烟煤煤尘爆炸消耗的O2量较褐煤、无烟煤少。     

置于楔形热板上的煤自燃特性数值模拟

基于着火和阴燃蔓延两步化学反应,构建了煤自燃楔形热板模型,考虑了热对流以及热辐射,研究了置于楔形热板上的煤自燃特性.首先进行了模型可靠性验证,之后对楔形热板上的煤样自热温度特性、自热过程的多物理参数的变化以及最敏感点火位置进行研究.研究结果表明:构建的数值模型与实验结果有较好的一致性,楔形热板上的煤样发生热失控的临界温...