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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤矿热动力灾害防控技术与装备”专题

来源:《煤炭学报》2021年第6期

煤炭是我国的主体能源,截至2020年底,全国煤矿共有4700余处,其中95%以上为井工煤矿,开采条件复杂,矿井普遍存在煤层自然发火和煤尘爆炸危险。煤自燃及瓦斯(煤尘)爆炸等热动力灾害具有易发性、继发性和严重性,长期以来对煤矿安全生产形成了巨大威胁且日趋严重,亟需在火灾与瓦斯(煤尘)爆炸耦合致灾机制、早期监测预警、隐蔽火区探测、安全环保材料、继发性瓦斯(煤尘)爆炸等方面开展重大攻关。

近年来,国家相继布局了一系列煤矿灾害防治专项研发计划,“十三五”期间,中煤科工集团沈阳研究院有限公司牵头承担了国家重点研发计划项目“煤矿热动力灾害防控技术与装备”,重点研究煤自燃、瓦斯(煤尘)爆炸耦合致灾机理、高温火区煤岩体电磁异常响应特征、热动力灾害瞬态灾变信息演化机制等关键科学问题,研发了隐蔽高温火区三维探测、采场环境信息时空协同动态监测、煤自燃靶向阻化、采场隔抑爆装置分级启动与区域联控等关键技术;在重大科学问题、关键技术装备、应用示范等方面取得了丰硕的研究成果,构建了煤矿热动力灾害防控技术体系,有效推动了我国煤矿热动力灾害基础理论和防控技术的进步。

为了交流共享煤矿热动力灾害防控相关的最新科研成果,进一步促进我国热动力灾害研究发展,《煤炭学报》编辑部在2021年第6期策划出版“煤矿热动力灾害防控技术与装备”专题。专题共收到来稿60余篇,最终刊出10篇。希望专题的刊出,能够为广大致力于从事矿山灾害防治工作的专家和学者以借鉴和启迪。

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  • 作者(Author): 《煤炭学报》

    摘要:这篇文章属于“煤矿热动力灾害防控技术与装备”专题
  • 作者(Author): 《煤炭学报》

  • 作者(Author): 梁运涛

    摘要:       煤炭是我国的主体能源,截至2020 年底,全国煤矿共有4700 余处,其中95%以上为井工煤矿,开采条件复杂,矿井普遍存在煤层自然发火和煤尘爆炸等危险。由于煤自燃及瓦斯(煤尘)爆炸等热动力灾害具有易发性、继发性和严重性,长期以来对煤矿安全生产造成了巨大威胁。       因此,近年来国家相继布局了一系列煤矿灾害防治专项研发计划,在国家重点基础研究发展计划(973 计划)、国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划等课题的支持下,我国在煤自燃机理、瓦斯(煤尘) 爆炸传播规律、采空区火区探测等方面取得了阶段性的重要研究进展,初步揭示了煤自燃反应特性,明确了瓦斯爆炸在不同巷道( 网) 条件下的传播规律,提出了采空区测温、束管监测、测氡等火灾探测方法。       “十三五”期间,国家重点研发计划特别立项了“ 煤矿热动力灾害防控技术与装备”项目,重点研究煤自燃、瓦斯(煤尘) 爆炸耦合致灾机理、高温火区煤岩体电磁异常响应特征、热动力灾害瞬态灾变信息演化机制等关键科学问题,研发了隐蔽高温火区三维探测、采场环境信息时空协同动态监测、煤自燃靶向阻化、采场隔抑爆装置分级启动与区域联控等关键技术。该项目在热动力灾害重大科学问题、关键技术装备、应用示范等方面取得了阶段性的研究成果,构建了煤矿热动力灾害防控技术框架,有效推动了我国煤矿热动力灾害基础理论和防控技术的进步。      现今,随着矿井开采深度的增加和开采强度的增大,采矿工程扰动更加明显,地温梯度显著增加,采空区煤自燃、瓦斯(煤尘) 爆炸等各灾种表现出动态性、耦合性的新特点,其致灾机理复杂,风险大、辨识难、预警难、防治难,亟需在煤自燃火灾与瓦斯( 煤尘) 爆炸耦合致灾机制、早期监测预警、隐蔽火区探测、安全环保材料、继发性瓦斯(煤尘)爆炸等方面继续开展科技攻关。      为了交流共享煤炭行业在热动力灾害防控方面取得的最新科研成果,促进我国热动力灾害研究发展,《煤炭学报》编辑部在2021 年第6 期策划出版“煤矿热动力灾害防控技术与装备” 专题。专题共收到来稿60 余篇,最终刊出10 篇。论文涉及煤自燃发生、发展机理研究,煤自燃预警体系构建,防灭火先进材料,采场抑爆、隔爆技术等研究方向。希望专题的刊出,能够为广大致力于从事矿山灾害防治工作的专家和学者以借鉴和启迪。      在专题刊出之际,衷心感谢各位专家学者的大力支持,特别感谢各位评审专家认真细致的审阅,以及《煤炭学报》编辑部为本专题的策划、评审和出版所付出的辛勤工作。
  • 作者(Author): 梁运涛, 田富超, 冯文彬, 邵振鲁, 孟祥宁, 陈成锋

    摘要:煤矿井下环境气体组分复杂且具有必需性、致灾性、预警性的特点,煤矿气体的定量检测对于矿井灾害危险性早期辨识、继发性次生灾害准确预警、应急救援科学决策具有重要意义。首先,分析了常用的催化燃烧式、热导式、光干涉式和电化学式等气体传感器技术,色谱分析技术,傅里叶变换红外光谱、非分散红外光谱和可调谐半导体激光吸收光谱等光谱分析技术的方法原理和研究进展,总结了各类气体检测技术的应用效果;其次,指出煤矿井下存在大气压力及温度变化范围大、相对湿度和粉尘质量浓度高、电磁干扰强的极端工况环境,从适用气体、优缺点、应用领域、代表仪器等方面对比了不同检测技术在煤矿井下的技术适用性;然后,在交叉干扰分析的基础上,针对CH4,O2,CO,C2H4,C2H2,H2等单一气体检测、多组分气体在线监测及矿山应急救援期间爆炸环境有毒有害气体原位分析提出了应用建议,以检测精度、量程为首要条件,并应综合考虑性价比、背景气干扰、零点漂移等因素影响;最后,提出煤矿痕量气体低检出限、多组分混合气体交叉干扰、特定波长激光器及高性能检测器成本昂贵等“卡脖子”难题,为实现煤矿气体的原位定量分析和动态监测指明了研究方向。
  • 作者(Author): 林柏泉, 李庆钊, 周延

    摘要:我国是采空区复合热动力灾害最为严重的国家之一,探索采空区复合热动力灾害的演化规律对于灾害防治具有极其重要的意义。然而,目前对于复合热动力灾害各灾种间的耦合致灾机理、灾害演化规律、灾害信息探测与辨识等方面的认识尚不够深入,因此导致煤矿采空区复合热动力灾害的预防及治理尚缺乏有针对性的技术方法。基于此,探讨了我国采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害发生的现状,分析了该领域的国内外最新研究进展,指出采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害具有隐蔽性、耦合型、动态性、复杂性的主要特征,由此导致灾害表现出风险大、辨识难、预警难、防治难的特点。从国内外关于采空区复合热动力灾害多场演化规律的研究平台、多场耦合数学模型、气体体积分数场-温度场-风压场等多场耦合演化规律及其关键影响因素、灾害信息探测技术及采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害的判别方法等角度,系统综述了采空区热动力灾害多场演化规律的最新进展。以此为基础,指出采空区复合热动力灾害亟需在多灾种间的互馈耦合作用机理、多场耦合动态演化规律、复合灾害的关键致灾因素及其临界指标、采空区复合灾害监测-预警-综合防控一体化理论与技术等方面展开进一步的深入研究与探索,研究结果将为采空区复合热动力灾害致灾机理和有效防治技术的研发提供参考。
  • 作者(Author): 仲晓星, 候飞, 曹威虎, 仲秋, 朱迪

    摘要:准确获得煤氧化自热过程中的反应动力学参数是研究煤自燃及其特性的基础。针对现有方法尚无法获得煤自燃不同反应温度对应的动力学参数这一问题,开展了煤氧化自热动力学参数测试方法的研究。基于热分析动力学理论推导得到了以转化率为纽带的煤氧化自热动力学参数计算模型,提出了多升温速率实验和恒温实验相结合的测试方法。为确定测试方法的最优参数,引入了煤氧化自热反应时间作为对比参量。采用绝热氧化测试装置和同步热分析仪开展了3种不同变质程度的干燥煤样在纯氧条件下的绝热氧化实验、多升温速率实验以及恒温实验。根据多升温速率实验结果,分析了升温速率对煤氧不同反应阶段整体质量变化量的影响,确定了煤氧化自热动力学参数测试的最大升温速率。在此升温速率范围内,依据推导的计算模型,对比分析了不同升温速率组合和转化率计算步长对动力学参数计算结果的影响,发现转化率计算步长主要影响动力学参数计算结果的疏密程度,而升温速率组合对动力学参数计算结果的影响不大。根据绝热氧化实验结果,综合考虑测试时间成本,确定了获得煤氧化自热动力学参数的最优实验和计算参数,并对其准确性和适用性进行了验证。结果表明:当升温速率组合为0.2,0.5,1.0,2.0 ℃/min,转化率计算步长为0.03时测试得到的煤氧化自热动力学参数与实际最为贴近。
  • 作者(Author): 辛林, 冯洺泽, 谢军, 程卫民, 李凯旋, 刘伟韬, 李佳泽, 吴景

    摘要:煤炭地下气化火焰工作面高温气体作用于气化通道周边煤岩体,使其呈单向受热状态,煤岩体法线方向的热损伤和热破裂呈现明显的梯度分布规律。为了对煤岩体在单向高温热作用下的热损伤特性规律进行研究并提供新的实验手段,自主研发设计了煤岩单向加热模拟试验装置,该装置主要包括加热和温控单元、温度和热应力监测单元、声发射监测单元、约束和加载单元4个部分。采用的试样尺寸为50 mm×100 mm,最大单向加热温度为600 ℃,热应力监测量程5 MPa。介绍了试验装置的主要功能和技术参数、结构与关键技术以及研制过程中的技术难点和解决方案等,并使用本试验装置开展了相关实验。本试验装置的显著特点包括:① 实现单向高温加热和单向约束,模拟煤岩体受热状态;② 实现加热过程的温度、热应力和声发射的多信息同步监测,便于多因素耦合分析;③ 边界加热温度程序可控,可模拟不同类型受热边界条件。采用该试验装置进行砂岩的单向高温加热试验,可以揭示煤岩体试样单向受热条件下高度方向上温度、轴向热应力以及热破裂声发射特性规律,并通过主频分析,进一步揭示煤岩体热破裂的演化规律。该试验装置适用于地热开发、煤炭地下气化等特殊环境下煤岩体受单向高温热源作用的热物理现象和规律的探索研究,为其提供新的实验手段。
  • 作者(Author): 任万兴, 郭庆, 石晶泰, 陆伟, 孙勇

    摘要:采空区煤自燃是影响矿井安全生产的主要灾害之一,标志气体与煤温是煤自燃预警的关键参数,2者之间的数学模型及其统计学特征是构建煤自燃预警指标体系的基础。通过程序升温控制实验,获得了88组煤样气体体积分数随煤温的变化曲线,选择指数函数、多项式函数和Logistic回归函数对气体体积分数进行拟合,以R2,方差SSE和均方差MSE等参数为评价指标,确定了Logistic回归函数为最佳拟合函数;利用Logistic函数拟合标志气体的变化曲线,得到CO与C2H4体积分数的4个参数A1,A2,p和x0,基于统计学特征确定上述4个参数的值并检验其有效性,得到“气体-温度”的本构方程;最后,归纳了不同标志气体的初现温度、拐点温度的统计学特征,构建了基于气体统计学特征的煤自燃预警体系并进行了煤自燃危险阶段划分。结果表明:① 30~350 ℃实验温度内,标志气体体积分数变化分为波动段、稳定段和衰减段,气体体积分数与煤温符合Logistic回归模型:CO与C2H4的拟合参数分别为A1(CO)=23,A2(CO)=14 990,p(CO)=11,x0(CO)=294;A1(C2H4)=0.3,A2(C2H4)=27,p(C2H4)=17,x0(C2H4)=283;② CO初现温度、第1拐点温度、C2H4初现温度、第1拐点温度和C2H2初现温度可作为煤自燃预警指标,预警值分别为30,156,120,204和285 ℃;③ 基于初现温度和拐点温度将煤自燃分为6个危险等级:安全、低风险、一般风险、较大风险、重大风险和特大风险,可根据等级不同采取相应的响应措施。

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