“煤矿热动力灾害防控技术与装备”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“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。

行业视野: 安全
类别; 50个
关键词; 57位
专家; 13篇
论文; 15787IP
点击量; 9435次
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基于煤火发展演化模拟实验的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

作者(Author)：赵婧昱, 宋佳佳, 郭涛, 张宇轩, 邓军, 张永利, 张廷豪

摘要：针对现有对松散煤体自然发火温度场运移特点试验装置的不足，根据实际松散煤体燃烧特点，自主设计研发了煤火发展演化模拟实验系统。选取陕西咸阳孟村煤矿煤样为研究对象，利用该装置模拟松散煤体燃烧过程，分析松散煤体燃烧过程中高温区域的分布及纵深移动规律，再现松散媒体从着火至燃烧最后燃尽过程中高温区域的蔓延过程，剖析温度区域迁移机制，分析高温区域关键点氧体积分数变化规律。结果表明，在松散煤体燃烧过程中，煤样体系温度变化尺度随着时间的增加先上升后下降，试验运行600 h后，整体燃烧室降低至环境温度;试验过程中松散煤体高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分;高温区域纵深移动方向呈现非线性规律；高温区域在纵深蔓延过程中关键点温度呈依次降低的趋势，且下降到极限氧浓度（1%~3%）的时间与其达到燃点温度时间相近；温度下降阶段，高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢;随着纵向深度加深，高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长，关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降;高温区域关键点氧体积分数快速下降阶段所经历的时间范围随着纵深的加深逐渐增大。研究成果可为煤堆、遗煤、煤炭储存状态下等的松散煤体自然发火的防治提供借鉴。

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黄原胶和氧化镁改性黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料的制备及特征

作者(Author)：张昊, 胡相明, 王伟, 梁运涛, 王兆喜, 刘金举, 白光星, 赵艳云, 吴明跃

摘要：针对传统黏土-水泥喷涂堵漏风材料(CCC)强度差、易开裂、堵漏风效率低的问题，提出经黄原胶(XG)和氧化镁(MgO)改性制备黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料(XM-CCC)。通过析水率测试、浆液时变性和流变性试验，确定了0.6的最佳水固质量比和20%(质量分数)最佳黏土掺量。通过力学性能试验和限制膨胀率试验确定了1.5%(质量分数)的XG最佳掺量和5%(质量分数)的MgO最佳掺量，XM-CCC的7 d抗压强度达到25.33 MPa、抗折强度达到9.18 MPa，21 d限制膨胀率稳定在0.028%左右。基于此，结合表征手段对XM-CCC的形成机理和堵漏风机理进行探究。结果表明，XG中羟基、羧基等活性官能团与浆液颗粒表面的Ca2+发生螯合作用，黏土颗粒被束缚在水泥颗粒的水化产物间，促进了XM-CCC力学性能的提升。MgO水化生成的六方板状Mg(OH)2晶体支承在体系的孔隙中，提高了XM-CCC的抵御收缩能力。孔隙结构方面，XG改变了XM-CCC的孔结构，降低了平均孔径;Mg(OH)2晶体充填孔隙，产生的晶体生长压力可以抵御孔隙压力，保持基体不开裂，同时降低了孔隙率;XG与MgO的共同作用使XM-CCC的气体渗透系数仅为1.47×10-12，远低于围岩渗透系数。经济性上，XM-CCC取材方便、制作简单，成本较低，喷涂工艺简单灵活。现场应用结果表明，XM-CCC的涂层均匀、完整，抗开裂与封闭性能较好，具有良好的应用前景。

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管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

作者(Author)：余明高, 陈传东, 王雪燕, 韩世新, 马梓茂

摘要：在实际矿井下，瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前，国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性，通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台，对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下，甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据，并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后，受浮力作用沿管道顶部横向传播，同时受体积分数差向底部纵向扩散，形成横向及纵向的体积分数梯度场，且自由扩散时间越短，体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时，管道内出现三重火焰，且体积分数梯度越大，三重火焰结构愈发明显，三重火焰形态出现后，火焰传播速度、爆炸超压迅速下降，管道内甲烷纵向体积分数分布为16%—4.6%—0时，三重火焰稳定传播时火焰速度约为4.8 m/s。随三重火焰继续传播，火焰传播速度、爆炸超压略有上升趋势。管道内甲烷空气非均匀预混时爆炸超压呈现2个峰值，后波峰压力峰值约为前波峰2/3，压力峰值间隔时间随体积分数梯度减小而减小，且在不同体积分数梯度下，甲烷体积分数越接近当量比时火焰传播速度越快，爆炸超压越高。

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基于爆炸强度与隔爆屏障作用技术的巷道隔爆实验

作者(Author)：薛少谦, 黄子超, 杜宇婷, 司荣军

摘要：为了提升煤矿瓦斯煤尘爆炸灾害的防治技术和效果，基于不同爆炸能量和隔爆屏障粉体质量浓度研究了大尺度巷道内主动隔爆系统的隔爆灭火性能。在敞开空间采用高速摄影技术测试了主动巷道隔爆系统隔爆屏障的形成过程及动态分布特征，隔爆器粉体能在120 ms时刻形成8.04 m2有效断面，在1 200 ms时刻覆盖20 m，在空间内持续作用5 000 ms以上，得出驱动气体压力是影响隔爆屏障动态分布和覆盖距离的直接因素。在此基础上，采用断面7.2 m2大型地下巷道，进行了瓦斯(煤尘)爆炸传播实验和隔爆实验，分析了实验过程中压力波、火焰阵面的传播特性。研究结果表明:粉体隔爆屏障能有效起到衰减压力波和扑灭爆炸火焰的作用，在粉体质量浓度较低时，爆炸火焰将穿越隔爆屏障，而随着质量浓度的增加，隔爆效果增强。在瓦斯隔爆实验中粉体质量浓度为277.8 g/m3时，40 m位置爆炸超压衰减为36.4 kPa;在瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，粉体质量浓度为625.0 g/m3时，70 m位置爆炸超压降低至54.0 kPa，对比同等强度的爆炸传播实验，最大压力下降率均大于60%。瓦斯(煤尘)爆炸隔爆实验中，驱动氮气和粉体所形成的隔爆屏障能有效起到冷却降温、隔绝窒息和消耗自由基的作用。随着粉体质量浓度的增加，爆炸火焰传播速度迅速下降，整个传播过程中的最大火焰速度前移，出现在隔爆器前端，爆炸火焰在隔爆器后20 m区域内被完全扑灭。

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喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用

作者(Author)：丁超, 王信群, 徐海顺, 唐庆, 孔丽丽

摘要：通过触发抑爆装置气体发生器产生高压运载气体(氮气)，驱动超细ABC粉体快速喷射的方式，在100 L爆炸容器内开展了甲烷/空气混合物爆炸抑制研究，旨在揭示抑爆介质喷射量、抑爆装置触发时间等关键参数对瓦斯爆炸抑制效果的影响。结果表明:在抑爆介质喷射总量40 g条件下，甲烷/空气混合物点燃后50 ms时间段内触发抑爆装置，超细ABC云幕均能将爆炸火焰轮廓完全覆盖，甲烷/空气混合物爆炸火焰传播得以完全抑制，当抑爆装置触发时刻超过55 ms时，仅使爆炸发展过程推迟，并不能降低爆炸强度。抑爆装置触发时间维持55 ms不变，只有将抑爆介质喷射量增加到60 g时，才能将爆炸火焰传播熄灭。研究还发现，在抑爆装置触发时间一定时，抑制爆炸所需的超细ABC粉体存在较为确定的临界量，当抑爆介质喷射量低于临界值时，在抑爆介质喷射的初始阶段，爆炸火焰传播有所衰减，但随后火焰传播更加迅速，整体上对爆炸火焰传播起到促进和强化作用;而当抑爆介质喷射量高于临界值时，过量喷射抑爆装置对爆炸抑制效果也起不到进一步改善作用。作为驱动超细ABC粉体的必要动力源，氮气喷射过程对爆炸的强化作用十分显著，通过合适的超细ABC粉体冗余量充装可有效克服上述不足。

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