N2和CO2对煤明火燃烧灭火性能的对比实验研究

为掌握N₂和CO₂对煤明火燃烧过程的不同灭火效果,采用自主研制的煤明火燃烧实验装置,对平煤八矿煤样进行了通入相同流量N₂和CO₂气体灭火剂的煤明火燃烧灭火实验,测定了在煤有焰燃烧和阴燃熄灭阶段的温度场温度、标志性气体(O₂、CO和CH₄)组分、热释放速率以及火焰图像面积的变化规律。结果表明:相比于煤自由燃烧,在煤有焰燃烧阶段,通入CO₂时明火火焰熄灭时间、煤温上升速度、耗氧量、热释放速率以及CO和CH₄浓度的下降速度比通入N₂时更低;同时,通入CO₂时火焰图像面积呈指数下降,而通入N₂时呈线性下降;在煤阴燃熄灭阶段,通入CO₂时煤温、CO和CH₄浓度下降速度比通入N₂时的更高,而通入CO₂时的耗氧量和热释放速率比通入N₂时的更低;说明CO₂比N₂具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力。     

典型盐粉及盐溶液对甲烷爆燃火焰传播特性的影响研究

为了探究典型盐粉及盐溶液对瓦斯爆炸的抑制规律,在自行搭建的不锈钢火焰加速管道内开展了NaCl、KCl粉末及NaCl溶液抑制甲烷/空气预混气体爆炸试验,研究了不同粉末铺设面密度、铺设长度、铺液浓度、铺液长度对甲烷爆燃火焰传播的抑制效果及其抑爆机理。结果表明,铺设NaCl、KCl盐粉对甲烷爆燃火焰传播具有抑制作用,爆燃压力及火焰平均传播速度均低于空白对照组|当NaCl、KCl盐粉的铺设面密度为150mg/cm2时,两种盐粉的火焰平均传播速度均衰减最大|随着粉末铺设长度的增加,对火焰传播抑制和促进作用均增强,KCl粉末的抑制作用相对于NaCl粉末更明显。布设NaCl溶液,爆燃火焰压力低于空白组。随着NaCl浓度的增加,爆燃压力的变化不明显,火焰平均传播速度呈降低趋势。溶液铺设长度增加,火焰平均传播速度、爆燃峰值压力逐渐降低。     

煤氨混燃方式与掺氨比对燃料排放特性的影响研究

将煤与氨混燃逐步减少煤电是实现降碳的1种新途径，但煤氨混燃后的排放特性仍不清晰，需进一步从煤氨混燃方式与掺氨比对燃料排放特性的影响进行实验研究。因此，基于平焰燃烧器开展煤氨混燃实验，探究燃烧方式(预混、非预混)、掺氨比(0～100%)对排放特性的影响，采用烟气分析仪、热电偶与热重分析仪检测燃烧器上方高度沿程烟气中温度分布，并分析气体排放特性及飞灰特性。研究表明：当预混燃烧时，掺氨比越高，氨燃烧对煤氨气固燃料燃烧的促进作用越明显，即燃烧温度越高；而非预混燃烧时，掺氨比越高对燃烧越不利，即燃烧温度越低，但在燃烧前期消耗更多O₂,是由于此时氨燃烧速率更快，且存在氨与煤争夺O₂的现象，体现了掺氨后对燃烧反应的抑制作用。在预混、非预混2种燃烧方式下，掺氨后相比于纯煤燃烧则NO_x大幅增加，纯氨燃烧时NO_x浓度均有降低的趋势，掺氨比增加，CO₂浓度降低，非预混燃烧时CO₂浓度低于预混燃烧。当掺氨比≥60%时，在剧烈反应段，根据质量变化速率曲线，质量变化速率峰由单峰逐渐向...     

点火能对瓦斯火焰传播影响的实验研究

讨论了在弱点火下点火能对瓦斯火焰传播速度的影响。实验研究表明，瓦斯火焰在传播的过程中，速度都有一个先减小后增大的过程，并且对于一定浓度的瓦斯气体，随着点火能的增加，其火焰传播速度也随之增加。     

点火位置对独头巷道瓦斯爆炸火焰参数影响实验!

在实验室模拟独头巷道的小型方形管道内,采用微细热电偶、离子电流传感器和火焰光信号传感器,测试了闭口终端处和距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm位置处五种点火情况下甲烷-空气预混火焰锋面传播过程中温度、离子电流强度及速度的变化情况。实验结果表明:闭口终端点火时,火焰锋面向开口端传播过程中各截面的温度先减小后增大;距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm处点火时,火焰传播过程中点火处的温度均最高,火焰向闭口端传播过程中温度有逐渐降低的趋势。不同位置点火时,火焰向开口端传播速度是闭口端传播速度的20倍左右;闭口终端处、距离闭口终端200mm处点火火焰向开口方向传播过程中,火焰传播速度均呈现先增大后减小再增大的趋势;火焰向闭口方向传播过程中,火焰传播速度较小,但有逐渐增大的趋势;离子电流峰值的变化趋势与火焰传播的速度基本吻合,说明火焰向开口端传播比向闭口端传播更剧烈。     

基于图像处理的管道瓦斯爆炸火焰传播速度特征

为研究瓦斯/空气预混气体爆炸火焰传播速度特征,利用瓦斯爆炸实验系统开展了9.5%体积分数下的瓦斯爆炸实验,通过高速摄影系统拍摄了爆炸火焰传播图像;分析提出了利用图像相关系数法计算瓦斯爆炸火焰传播速度的基本原理和方法,计算分析了9.5%体积分数瓦斯爆炸全过程中的火焰传播速度动态变化规律。结果表明：爆炸火焰处于加速、减速、反向传播,再加速、减速直至熄灭的过程,火焰不断震荡。进一步地对爆炸火焰进行了细化分析,通过对预处理图像进行横向和纵向的等分,计算视窗中不同部分的火焰传播速度,并与按整体计算的速度进行对比验证。利用该方法可以计算瓦斯爆炸火焰充满整个管道时的传播速度,为研究瓦斯或者其他气体爆炸火焰传播规律提供了一种新途径。     

激光纹影技术在煤矿瓦斯爆燃研究中的应用

为了得到煤矿井下瓦斯/空气预混气体爆燃流场波系演化过程,获取结构内部"看得到"的图像,重新认识激波和火焰之间的耦合关系、障碍物加速火焰的激励效应、惰性介质阻燃剂抑制爆燃的本质,在已建成的中尺度爆炸激波管道上进一步搭建超高速激光纹影系统,并提出"M"型、"Z"型和直线型3种光路布置方式的瓦斯爆燃流场测试方案,以代替传统的压力火焰传感器测试手段,为获取瓦斯/空气预混气体爆燃时激波的演变过程和火焰的微观结构流场提供新思路。     

点火能量对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响

在封闭的DN700 mm管道的瓦斯-空气混合气体中,进行了不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播试验,试验结果表明:瓦斯爆炸火焰传播速度从起爆位置开始随着传播距离的加长而逐渐增大,在靠近出口附近处达到最大值;点火能量越大,火焰传播速度也越大;在点火能量一定时,瓦斯爆炸火焰传播速度与管道长径比呈对数函数关系;在管道长径比一定时,瓦斯爆炸火焰传播速度与点火能量呈二次函数关系。     

低渗煤层CO2-ECBM过程的CO2和CH4的扩散特征

气体扩散能力的强弱是决定CO₂-ECBM成败的关键因素之一。以中国两淮低渗含煤区刘庄矿13煤和祁东矿7煤的煤储层孔隙特征为研究对象，开展CO₂-ECBM过程中CO₂和CH₄气体的扩散行为研究，以期获取CO₂和CH₄气体在储层条件下的扩散规律，为研究低渗煤层CO₂-ECBM过程的扩散规律提供理论依据。研究结果表明：刘庄矿13煤和祁东矿7煤2种煤样中气体扩散类型以Fick型扩散为主，占比50%以上，其次为过渡型扩散，占比接近30%,CH₄的Knudsen型扩散约占10%,CO₂的Knudsen型扩散接近20%;CO₂和CH₄气体进行Fick型扩散和过渡型扩散时，其扩散系数与温度变化关系不明显，在压力2 MPa，刘庄矿13煤中的气体扩散系数约为10 m2/s，祁东矿7煤中的气体扩散系数达到13 m2/s以上，且随压力增加2种类型的扩散系数均开始降低，在0...     

瓦斯爆燃防爆安全距离及传播特征的数值模拟

运用AutoReaGas软件建立了长为100 m,截面为0.08 m×0.08 m的爆炸巷道,其中前10 m巷道均匀充满体积分数9.5%的甲烷与空气预混气体。结果表明:在瓦斯爆炸传播过程中,最大超压呈现先减小、后增大、再减小的变化过程,它在火焰熄灭的位置附近达到最大。最大燃烧速率和火焰传播速度均随着传播距离的增加而增大,取得最大值后又开始减小。最大超压和最大气流速度在距离点火源35 m时均已减小为零,最大密度在此点也减小为原始密度,此条件下的防爆安全距离为35 m。最大燃烧速率和火焰传播速度在距离点火源17 m时均已减小为零,火焰锋面传播的最大距离为17 m。气体发生逆流与火焰的存在有关。研究成果可为煤矿瓦斯爆炸最佳避灾路线的确定、爆炸发生后的抢险救灾、事故的调查等提供参考。     

高瓦斯矿井采空区注入CO2防治遗留煤体自燃研究

以晋能控股煤业集团某矿北翼采区的N2202工作面为工程背景，通过现场调研、实验室实验、数值模拟和现场工业性试验等相结合的研究方法，对采空区内注入CO₂来防治采空区内遗留煤体自燃难题进行了研究。结果表明：CO₂对于混合煤样中吸附状态CH₄的平均置换率为21%，平均置换比为1.6；注入CO₂后N2202回风侧采空区浅部原本存在的CH₄富集带被消除，采空区浅部区域CH₄浓度明显下降；注入CO₂后采空区内散热区宽度从12 m缩减至10 m，氧化区宽度从84 m缩减至30 m，采空区内氧化区与CH₄浓度较高区被分离开来；采空区内注入CO₂后，高抽巷内抽采气体中CH₄浓度平均值提高了13.7个百分点。研究结果为类似矿井防治采空区内遗留煤体自燃提供了指导意义。     

管内低浓度抽采瓦斯爆燃特性研究

 自行设计了管内低浓度瓦斯爆燃实验系统,基于此实验平台,开展了瓦斯爆燃特性实验研究;不同初始压力、不同初始温度对甲烷爆燃特性的影响。实验结果表明,密闭管状空间火焰速度沿长径比是一个先增加后衰减的过程;峰值超压是随着长径比的增大而增大的。火焰传播速度随着初始压力或初始温度的增大而增大,峰值超压亦随着初始压力或初始温度的增大而增大。当初始压力为-0.09Mpa时,瓦斯不会发生反应。     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程，利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大，CO₂储存量与CH₄产量增加，当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时，驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时，驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中，驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行，CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域，CO₂的注入对煤层渗透率影响较大，煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降；而在CO₂未影响区域，煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

卤代烷气体灭火剂促进-抑制瓦斯燃爆特性试验

瓦斯爆炸是严重威胁煤矿安全生产的主要灾害之一,开发高效的瓦斯抑爆技术可有效提升瓦斯爆炸事故防控水平,而其重点在于抑爆材料的作用性能。为系统研究典型卤代烷气体灭火剂对瓦斯爆炸的作用效果,采用试验测试和理论分析相结合的方法,系统研究了七氟丙烷(C₃HF₇)、六氟丙烷(C₃H₂F₆)和三氟甲烷(CHF₃)等典型卤代烷气体对甲烷燃爆特性的影响,分别利用20 L球形爆炸装置和自研本生灯层流火焰传播速度系统测试了卤代烷对甲烷爆炸压力参数和层流燃烧速度的作用效果。得到了爆炸压力峰值、最大升压速率、层流燃烧速度等特征参数变化规律和层流火焰形貌演化特性。结果表明：富氧工况下卤代烷随添加体积分数的增大而对甲烷燃爆过程表现出明显的促进-抑制双重作用。在化学当量条件下,仅C₃HF₇对甲烷爆炸压力峰值、最大升压速率有先促进后抑制的作用,CHF₃和C₃H₂F₆     

河北开滦矿区晚古生代煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性

研究了开滦矿区不同变质程度煤对不同配比CH₄/ CO₂二元气体等温吸附特性,用扩展Langmuir方程的推论计算了CH₄/ CO₂二元气体各组分在吸附相中的浓度,并分析了其变化特征,表明：煤对CH₄/CO₂二元气体的吸附并不是对纯CH₄和纯CO₂的独立吸附,而是2种气体的竞争吸附,混合气体中CO₂含量越高,总吸附量越大.在开滦矿区煤对CH₄/ CO₂二元气体的吸附过程中,利于CO₂吸附的条件是高CO₂组分浓度和高压力;中等变质程度煤利于CH₄吸附的条件是高CH₄组分浓度和高压力,而低变质程度煤是相对的低CH₄组分浓度和高压力.研究区低变质程度煤对CH₄ 的竞争吸附大于其对CO₂的竞争吸附,并不适合CO₂-ECBM 技术的实施;中等变质程度煤对CO₂ 的竞争吸附优于对CH₄的竞争吸附, 适于CO₂-ECBM 技术的实施.     

顶板高位定向钻孔瓦斯(CO2)治理技术研究与应用

海石湾煤矿是罕见的煤与瓦斯(CO₂)突出矿井，为进一步降低工作面回风流和上隅角瓦斯(CO₂)浓度，设计在6224-1工作面回风巷施工顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯(CO₂),以孔代巷，解决回采工作面采空区瓦斯(CO₂)涌出问题；结合“竖三带”理论，对大直径高位定向钻孔最佳布孔范围进行了分析和确定，通过定向钻进技术使钻孔分布在煤层顶板回采断裂带(“O”型圈)内，保障工作面回采过程中的瓦斯抽采通道。顶板高位大直径定向钻孔在平面上的布置距离回风巷10～70 m(控制工作面倾斜长度1/3);高程布置距离煤层顶板16～28 m,有效降低了工作面回采时上隅角和回风流中的瓦斯(CO₂)浓度。工程应用表明，大直径顶板高位定向钻孔在瓦斯(CO₂)治理的效果、成本、施工效率等方面均优于传统高位普通拦截钻孔。     

密闭管内甲烷－煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究

在1.2 m长竖直爆炸管内对不同初始条件下的甲烷－煤粉混合物进行了弱点火火焰传播实验。分别考察了甲烷浓度、煤粉浓度、煤粉粒径以及点火延迟时间对复合爆炸火焰传播特性的影响。结果表明,煤粉的存在使得纯甲烷在空气中爆炸火焰传播速度显著增大,最大火焰传播速度出现在距离点火端0.425 m（长径比等于6）处;火焰传播至长管末端壁面后,爆炸压力达到最大值;甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越快;火焰传播速度随煤粉浓度和点火延迟时间的变化趋势为先增大后减小,最佳煤粉浓度为500 g/m³,最佳点火延迟时间为500 ms;在一定粒径范围内,火焰传播速度随着煤粉粒径的增大而减小。     

强火源条件下瓦斯点火化学热力学特征

从基元反应、化学热力学2个方面分析了强火源条件下瓦斯点火的压力峰值、火焰传播速度的变化特征。结果表明,强火源加速了基元反应进程,使自由基产生速度加快,导致瓦斯气体迅速进入自热阶段,同时提高了爆炸压力峰值和压力上升速度,加剧了爆炸强度。     

煤层气井地联合抽采全过程低负碳减排关键技术研究进展

“双碳”目标的实现与煤层气大规模商业化开发迫切需要新技术。在对煤层气开发与CCUS技术系统分析的基础上，以煤层气生物工程为依托，探讨和展望了地面煤层气开发、煤矿瓦斯抽采以及采空区煤层气开发过程中的低负碳减排关键技术。地面煤层气开发阶段，将煤层气开发转化为煤系气开发、将常规水力压裂转化为大规模缝网改造是实现煤层气商业化开发的有效途径；将液相CO₂和微生物发酵液作为储层改造的工作液，在实现煤系三气储层一体化缝网改造的同时又实现了微生物与CO₂联作下的增气增压、储层改性、CO₂驱替甲烷等多重增产效应，为煤层气增产提供了一条新途径，达到低碳减排目的；此外，通过CO₂的生物甲烷化和同步地质封存实现了负碳减排。可见，对于煤层气开发而言，CO₂可以促使其增产；对于CO₂封存而言，煤储层是其最佳归宿。由此，地面煤层气开发实现了“一低两负”的碳减排。在井下瓦斯抽采阶段，根据硬煤的造缝增透增产、软煤的增容增透增产机制以及相关理论，提出了第1代水力强化技术——水力压裂和第2代水...     

CO2-N2复合惰气对氧化煤冷却惰化特性研究

为对比分析不同比例CO₂-N₂复合惰气和纯CO₂/N₂对氧化煤惰化效果,利用程序升温实验系统,分别对比煤处于临界温度和干裂温度下通入纯CO₂/N₂和CO₂-N₂复合气体后O₂、CO气体浓度和煤温的变化特征。结果表明：在氧化煤冷却过程中,相同注气流量下,CO₂含量占比高于N₂时表现出更快的降温速率、更大的O₂和CO浓度降幅以及活化能;以临界温度为初始煤温时,30%N₂+70%CO₂的降氧速率高于10%N₂+90%CO₂和纯CO₂为0.4～1.22 mol/(cm³·s),CO下降速率高于10%N₂+90%CO₂和纯CO₂为0.24～0...