低浓度瓦斯安全直接燃烧技术研究

煤矿抽采的低浓度特别是爆炸浓度范围内的瓦斯直接利用存在诸多技术难题,直接排空时也存在安全风险。通过对金属纤维燃烧器和阻火器的阻火阻爆机理研究、实验研究、设计和现场试验,证明在合理的设计参数下,金属纤维燃烧器能够有效阻火、隔热,可将瓦斯爆炸转变为安全燃烧;金属纤维阻火器能够有效实现管道的阻火、阻爆,隔断瓦斯爆炸的传播。在此基础上研发出处理能力为2 000 m3/h、甲烷体积分数为10%的低浓度瓦斯安全燃烧系统,通过安全分析和工业性试验,证明了该系统的安全性和可靠性,能满足煤矿低浓度瓦斯的处理要求,为爆炸浓度范围内的瓦斯安全排空、减少甲烷排放和瓦斯利用提供了新的技术途径。     

不同孔密度多孔介质燃烧器内低浓度瓦斯 燃烧特性研究

为了解决我国煤矿瓦斯抽采中大量低浓度瓦斯无法直接利用的问题,通过搭建多孔介质燃烧器内低浓度瓦斯燃烧试验系统,探究了5种不同孔密度多孔介质燃烧器内低浓度瓦斯燃烧温度分布及污染物排放规律。研究结果表明:多孔介质燃烧器孔密度对低浓度瓦斯燃烧温度的影响并非线性函数关系,在孔密度由10孔增加到20孔时,多孔介质燃烧器内燃烧温度成上升趋势;在孔密度由20孔增加到40孔时,多孔介质燃烧器内燃烧温度出现先降低后升高的趋势。孔密度为20孔的多孔介质内整体换热效果较好。相同流速燃烧工况下,不同孔密度多孔介质内的CO排放浓度均随当量比的增加而降低,NO的排放浓度随当量比的增加而升高。孔密度为20孔的多孔介质对应的CO排放浓度在所测当量比范围内普遍偏低,NO的排放浓度相对较高;孔密度为10孔的多孔介质对应的CO排放浓度偏高,NO的排放浓度偏低。     

基于多孔介质的煤矿低浓度瓦斯燃烧的二维数值模拟

利用商业软件Fluent 6.3建立二维模型并进行合理设置,对基于多孔介质的煤矿低浓度瓦斯燃烧进行数值模拟,研究了入口瓦斯浓度、瓦斯流速对燃烧器轴向温度和CO2分布的影响,以及多孔介质燃烧器中速率分布情况。结果表明,不同瓦斯浓度下,随着流速的增大,最高温度位置逐渐向燃烧器出口处移动,最高温度大小也随着流速增加逐渐增大;不同瓦斯流速下,轴向最高温度随着瓦斯浓度的增加而变大,到达最高温度时的位置随浓度变大而越靠近瓦斯入口处;燃烧器中的速率分布由于受到多孔介质的影响,有明显的规律性。     

低浓度瓦斯在泡沫陶瓷内过焓燃烧的实验研究

为了解决我国煤炭开采过程中大量低浓度抽放瓦斯在现有技术条件下无法直接利用的问题,设计搭建了低浓度瓦斯燃烧实验系统,对低浓度瓦斯在泡沫陶瓷内过焓燃烧贫燃极限扩展方法与特性开展了研究,得到了煤矿低浓度瓦斯过焓燃烧的贫燃极限、火焰传播速度范围、污染排放特性。研究表明：低浓度矿井瓦斯在甲烷浓度小于5%时仍然可以在泡沫陶瓷内稳定燃烧,具有较高的燃烧效率和低污染排放特性;贫燃极限可以进一步扩展到4%以下。     

低浓度煤矿瓦斯在多孔介质中的燃烧特性试验研究

为了解决低浓度煤矿瓦斯无法直接燃烧的问题,自行开发了多孔介质燃烧器,基于此试验系统,对三种分别为40PPI-30PPI-20PPI-10PPI,40PPI-30PPI-20PPI-20PPI,40PPI-30PPI-间隔10mm-20PPI-20PPI的多孔介质燃烧器开展试验研究,研究不同当量比、不同混气流速下的瓦斯在多孔介质组合中燃烧温度变化,并用温度变化研究燃烧火焰的移动规律。同时得出不同多孔介质组合下不同当量比所对应的脱火流速及回火流速。试验结果为多孔介质燃烧器设计提供了依据,对于利用低浓度瓦斯能源,保护环境具有重要意义。     

矿井低浓度瓦斯在多孔介质内预热增压燃烧特性研究

对低浓度煤矿瓦斯在泡沫陶瓷内的预混燃烧特性展开了数值模拟研究,探究预热和增压条件下对可燃气体温度分布、燃烧速度和贫燃极限等特性参数。模拟结果表明:随着预热温度和压力的升高和增大,气体温度分布更均匀,化学反应速率更迅速,贫燃极限主要受预热温度的影响较大,压力对多孔介质内可燃气体的贫燃极限几乎没有影响。     

多孔介质不同出口形状下瓦斯燃烧特性研究

为了更好地使用多孔介质燃烧器燃烧抽采的低浓度瓦斯气体,模拟了出口敞开和带遮热罩时燃烧室内的燃烧情况,模拟结果表明:出口带遮热罩时燃烧情况明显优于出口敞开时,且相同初始条件下,出口带遮热罩的燃烧器燃烧火焰温度变大,且贫燃极限增大。     

钻孔瓦斯燃烧防治技术

煤矿井下瓦斯火灾、爆炸事故一直是困扰着煤矿安全生产的顽疾,针对煤矿钻孔瓦斯燃烧开展实验模拟研究,旨在分析引起钻孔瓦斯燃烧的主要影响因素,结合现场,自行设计了细水雾灭火喷头和灭火受限空间,开发了相应于煤矿井下打钻过程中出现瓦斯燃烧现象的灭火技术。开展了针对不同水压下细水雾抑制扑灭瓦斯燃烧的实验研究,并确定了在不同水压条件下,喷头喷雾特性与水雾抑制瓦斯火焰传播及灭火的最佳工况。通过研究,有助于对煤矿井下瓦斯抑燃、抑爆防治技术的研究与开发相应技术提供支持,提高煤矿防灾抗灾能力。     

采煤工作面瓦斯燃烧发火原因分析

为研究祁东煤矿6135工作面瓦斯燃烧发火原因,以指导瓦斯燃烧事故的治理和预防工作,设计实验室自燃基础参数测试和现场的温度、气体监测实验,得到60、61煤层自燃特性和采空区内温度、气体情况。经分析结果表明:聚氨酯自热及高强度抽采漏风引起60煤体自燃为瓦斯燃烧引火源的可能性较小,6135机巷断层附近保留煤柱氧化自燃为工作面瓦斯燃烧事故的引火源。     

中等挥发分烟煤回燃逆喷式燃烧数值模拟

为扩展逆喷室燃煤粉工业锅炉对中等挥发分烟煤的适用性,以大同烟煤为研究对象,利用数值模拟技术,对14 MW旋流逆喷式燃烧器三维建模,模拟了燃烧器内的燃烧组织过程。通过对比挥发分较高的神华煤模拟结果发现:着火位置、供料量和燃烧室温度均是影响中挥发分烟煤燃烧稳定的关键因素,延长高温区域、增加回流区域面积、强化燃烧器燃烧过程组织可有效提高燃烧器对中等挥发分煤种的燃烧效果,根据煤质特性,选择相应的运行条件可起到良好的稳定燃烧作用。结合现场运行,同时对现有燃烧器进行了优化研究,最终确定了14 MW燃烧器燃用大同煤的最佳运行工况,即一次风速为24 m/s、二次风速为10 m/s和进料量为0.35 kg/s的优化运行条件,经对运行过程检测,燃烧器出口和炉膛温度由原来的926.5℃和856.7℃分别升高至1 055.6℃和938.8℃,燃烧效率达到98%以上,燃烧更加稳定。     

放顶煤采空区瓦斯源强度与自燃的关联性

研究了采空区瓦斯涌出与遗留煤自燃之间的内在耦合关联问题。通过运用G3软件对采空区非线性渗流-多组分气体-温度场和非均匀耗氧的数值模型的求解,量化给出采空区不同瓦斯涌出强度下各变量分布状态。计算结果表明：采空区瓦斯源涌出与工作面风压形成压力平衡,决定着工作面与采空区之间的风流交换和瓦斯涌出,影响变化近似呈一一对应的线性关系。瓦斯涌出强度越大,采空区氧浓度分布空间大大缩小,采空区自燃氧化带宽度与瓦斯涌出近似呈衰减变化。从自燃升温过程模拟得到,高强度瓦斯涌出能够抑制采空区自燃升温,延长了采空区自然发火期。模拟结果符合现场实际情况。研究指出高瓦斯易自燃矿井采空区瓦斯治理应与自燃防治相结合综合考虑。     

口孜东矿13-1煤层自然发火指标气体特性参数实验研究

对煤炭自然发火指标气体特性参数进行研究,能够为保障煤矿的安全高效开采提供重要的理论依据。通过实验,研究了口孜东矿13-1煤层自燃特性,以及自燃过程中生成的气体随温升的变化规律。结果表明,指标气体的比值能更好地表征煤温的大小,也更能准确地判断井下煤自燃的状态。     

顾北煤矿煤自燃试验及早期多级预警技术

为了做好顾北煤矿煤自然发火防治工作,建立适用于顾北煤矿的煤自燃早期预警体系,提前分析顾北煤矿存在的煤自燃问题,以顾北煤矿13121工作面煤样为研究对象,进行煤自然发火试验,分析试验气体产物及各指标气体比值随温度变化规律,确定煤自燃指标气体及其临界值。试验结果表明,不同特征温度下对应的气体表征参数存在突然变化;结合试验数据分析得到CO、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆能够作为主要预测指标气体。最终结合煤自燃指标气体及临界值,提出适用于顾北煤矿的多预警级别的煤自燃分级预警指标体系,为煤自然发火预测预报提供了理论依据,对安全生产具有一定指导意义。     

煤在高浓度CO2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析（TG-DTA）探讨了大同煤样在20～1 400 ℃,在不同O2浓度（≤5%）的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200 ℃条件下煤对二氧化碳（CO2）气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1 100 ℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1 100～1 300 ℃。常压下当环境温度低于200 ℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1 000 ℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1 000 ℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。     

高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应

基于高瓦斯易自燃煤层高位巷道瓦斯抽采技术条件下,以研究煤自燃形成机理为切入点,依据义马煤业集团耿村矿13190工作面自然发火实际情况,通过理论分析,数学建模及现场辅助测试,对煤岩裂隙发育漏风通道模式、采空区浮煤碎胀特性、漏风动力源展开研究,发现巷道瓦斯抽采,增加了高瓦斯易自燃煤层的自燃风险,主要体现在:1)造成工作面、采空区及抽放巷道端口间存在漏风通道及动力;2)采动应力及抽采巷道松动圈造成采空区煤岩裂隙充分发育,采空区浮煤压实程度降低,浮煤碎胀性增加,有利于煤自燃蓄热;3)采空区浮煤一旦氧化,造成采空区高温点与漏风通道间存在温度梯度,从而形成的内生火风压,加剧采空区破裂浮煤的自燃进程,诱导采空区浮煤自燃发生。     

煤矿采空区自然发火多参数监测系统研究

提出采用气体分析法和测温法相结合来监测煤自燃特征信息的方法,针对采空区煤自燃特征信息特点,研发了采空区无线自组网温度监测系统,并集成煤自燃束管监测系统和安全监控系统系统,构成可对矿井采空区不同位置指标气体和温度同时实时监测的新型煤矿采空区自然发火多参数监测系统。重点在监测方法、系统集成、关键单元的设计和监测方案等方面进行了研究,该系统的研究对于早期发现矿井采空区浮煤自燃隐患,判断自燃危险程度,确定自燃危险区域提供可靠依据。     

采空区石门负压对氧气浓度场影响的动态演变过程研究

为了研究采空区石门负压对采空区氧气场影响的动态演变过程,采用数值模拟方法构建了某矿综采工作面CFD模型并进行二次开发,模拟了瓦斯抽放石门位于采空区不同位置时采空区的氧气场分布。模拟结果表明:当瓦斯抽放石门位于煤自燃"三带"不同位置时,石门负压对采空区氧气浓度场具有不同影响,其中,石门位于散热带和自燃带范围时,石门负压会不同程度减小自燃带宽度,有效缓解采空区防治煤自燃压力;石门位于窒息带范围时,能缩小回风巷一侧自燃带范围,但由于石门负压导致采空区内部负压过高,工作面向采空区内漏风增加,使运输巷一侧自燃带范围急剧扩张,不利于运输巷一侧采空区防灭火工作。最后,将现场实测数据和模拟结果进行对比,证明了模拟结果的正确性。     

阜康矿区白杨河西煤层气井网布设的探讨

为调查并评价新疆阜康矿区白杨河西煤层气的资源潜力和可采性,在白杨河西一带布设了煤层气小井网。通过对该区地形地质条件和煤层气储层特征的分析,结合国内其它地区小井网布设的经验,确定采用"W"型布设井网,并确定了井间距,以期对今后本区煤层气勘查有所借鉴。     

基于主成分回归的自然发火程度判识模型

矿井自然发火是影响矿井安全生产的重大危险源之一。当出现自然发火征兆时,对遗煤自然发火程度进行精准辨识,有助于及时采取科学有效的防灭火措施,确保矿井安全生产。首先采集煤样进行程序升温实验,对实验的结果进行标准化处理,消除量纲的影响;然后使用相关性分析的方法分析各气体与温度之间、以及各气体之间的相关性;最后综合使用主成分分析和主成分回归的方法构建了对数型数学模型。该模型将实验生成的气体作为自变量,煤温作为因变量,可以用于辨识煤的自然发火程度。     

高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理研究

为解决高瓦斯易自燃煤层安全生产过程中的关键难题,结合阳泉矿区石港矿实际情况,利用实验室试验、理论分析和现场实测相结合的方法对高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理进行研究。结果表明:高瓦斯易自燃煤体在含瓦斯风流不同瓦斯体积分数条件下,氧化产物总体上呈现"滞缓效应",而在等温条件下,随着CH4体积分数的增加煤自燃氧化产物总体上呈现"抑制效应";立体抽采条件下采空区漏风使得自燃"三带"范围变宽,同时利用高抽巷和尾巷CO体积分数可进行采空区自然发火预测,将自然发火划分为两个阶段;高瓦斯易自燃采空区立体抽采条件下散热带可采用氧气氮气体积比等于0.221来进行划分,自燃带仍可采用氧气体积分数5%来进行划分。