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采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2711-2727页

作者：田富超贾东旭陈明义梁运涛朱红青张同浩中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿灾害防控全国重点实验室辽宁沈抚示范区113122 煤炭科学研究总院北京100013 石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院河北石家庄050043 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式,煤自燃作为瓦斯燃烧、爆炸等灾害事故的“点火源”,无疑是防范煤矿采空区复合灾害的关键。目前关于采空区遗煤残余瓦斯(吸附态为主)与风流瓦斯(游离态)对煤自燃影响... 详细信息

采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式,煤自燃作为瓦斯燃烧、爆炸等灾害事故的“点火源”,无疑是防范煤矿采空区复合灾害的关键。目前关于采空区遗煤残余瓦斯(吸附态为主)与风流瓦斯(游离态)对煤自燃影响机理的认识还不够深入,为此探究了含瓦斯条件下煤自燃相关研究的最新进展。现阶段针对含瓦斯风流/气氛下煤自燃特性的研究内容较为丰富,但吸附态瓦斯影响条件下的煤自燃特性实验平台及相关研究成果较匮乏。研究表明,游离瓦斯易引起煤低温氧化气体产物出现明显的“滞后效应”,同时煤体放热强度减弱、活化能整体增大,这反映出氧化气氛中的瓦斯对煤自燃具有抑制作用;相应地,煤自燃过程中的官能团、自由基及煤微晶结构等微观特征参数均会随瓦斯体积分数呈现规律性演变。进一步,考虑到遗煤内部残余瓦斯与风流瓦斯的赋存状态差异,探究了瓦斯对煤自燃过程的影响机理,包括CH4对O_(2)的驱替稀释作用、CH_(4)与O_(2)的竞争吸附解吸引起的置换效应,以及高温环境下的O_(2)分子化学吸附和煤氧复合效应作用。基于此,提出了采空区遗煤在吸附态瓦斯影响下的自燃过程特性、含瓦斯煤自燃流–固–热–化多场耦合特征、含瓦斯煤自燃监测预警理论应用等亟待突破的瓶颈问题。

关键词：煤自燃复合灾害环境微观特征多场耦合遗煤残余瓦斯热动力灾害

原煤与氧化煤在不同氧气浓度下的氧化特性研究

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应用化工 2024年

作者：梁运涛罗奕杭贾宝山孙勇王同友崔鑫峰段佳磊辽宁工程技术大学安全科学与工程学院煤炭科学研究总院煤矿安全技术国家重点实验室中煤科工集团沈阳研究院有限公司山东唐口煤业有限公司

本文通过自主研发的程序升温装置，以山东唐口烟煤为研究对象，分析了原煤与氧化煤在不同氧气浓度下的耗氧速率、放热强度、CO气体浓度、特征温度、交叉点温度的变化规律。结果表明：在21%氧气体积分数下，原煤的耗氧速率、放热强度均... 详细信息

本文通过自主研发的程序升温装置，以山东唐口烟煤为研究对象，分析了原煤与氧化煤在不同氧气浓度下的耗氧速率、放热强度、CO气体浓度、特征温度、交叉点温度的变化规律。结果表明：在21%氧气体积分数下，原煤的耗氧速率、放热强度均高于氧化煤，原煤的CO量反应初期小于氧化煤，后期大于氧化煤；在15%、10%氧气体积分数下，原煤的耗氧速度、放热强度低于氧化煤，氧化煤产生的CO量总高于原煤；在5%氧气体积分数下，原煤的耗氧速度、放热强度前期大于氧化煤，后期小于氧化煤，氧化煤产生的CO量总高于原煤。随着氧气体积分数的下降，原煤和氧化煤的特征温度都逐渐升高；在21%、15%氧气体积分数下，氧化煤的特征温度都低于原煤的特征温度，10%、5%氧气体积分数条件下原煤和氧化煤的临界温度和干裂温度相差不明显；随着氧气体积分数下降，原煤和氧化煤的交叉点温度都增大，且氧化煤的交叉点温度相较于原煤更提前。

关键词：煤自燃程序升温不同氧气体积分数二次氧化特性参数

卤盐阻化剂对煤自燃阻化作用的定量识别及机理

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 132-141页

作者：孟祥宁梁运涛郭宝龙孙勇田富超煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室和煤矿灾害防控全国重点实验室辽宁抚顺113122 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590

煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产,卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一。优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制。为此,探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式,明确其物理、化学作用对煤层阻化的... 详细信息

煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产,卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一。优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制。为此,探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式,明确其物理、化学作用对煤层阻化的贡献比显得尤为重要。基于此,提出一种定量识别卤盐阻化剂阻化作用的方法。本次研究卤盐中具有代表性的MgCl_(2)阻化剂,采用超声波清洗器多次反复冲洗阻化煤样和水洗煤样,得到水洗阻化煤样和水洗参考煤样。通过程序升温试验和红外光谱试验研究不同煤样的指标气体浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团的变化规律,从宏微观角度研究卤盐阻化剂的物理、化学阻化作用。结果表明:水洗阻化煤样的产气浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团含量明显低于原煤样,却高于阻化煤样,这说明MgCl_(2)阻化剂对煤自燃起到协同抑制作用,具有物理化学双重阻化效果。煤氧化反应前期,物理阻化作用大于化学阻化作用,煤氧化反应后期,化学阻化作用占主导地位,明显高于物理阻化作用。MgCl_(2)的化学抑制作用体现在能与煤中活性物质反应生成比较稳定的物质(ROCl)和镁络合物(Mg(OH)Cl),使得煤的活性下降,从而降低了煤的自热风险。MgCl_(2)阻化剂物理、化学阻化作用对平庄褐煤的贡献比分别为56.37%和43.63%,对同忻烟煤的贡献比为57.91%和42.09%,对白芨沟无烟煤的贡献比为59.60%和40.40%。随着煤样变质程度的增加,物理阻化作用贡献比增加,化学阻化作用贡献比减小,平庄褐煤的化学阻化作用是白芨沟无烟煤的1.08倍。该研究有助于丰富卤盐阻化剂的阻化机理,并为优化防灭火工艺提供理论指导。

关键词：煤自燃卤盐阻化剂化学阻化作用物理阻化作用阻化率

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阻燃输送带火灾早期温度变化与烟气成分研究

矿业科学学报 2024年第2期9卷 135-143页

作者：段佳磊梁运涛贾宝山孙勇王睿德罗奕杭崔鑫峰辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000 煤炭科学研究总院北京100013 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122

为实现带式输送机火灾早期预警,改进滚筒摩擦实验平台并监测阻燃输送带温度。利用质谱(MS)技术,分析钢丝绳芯阻燃输送带在摩擦事故早期的升温规律与烟气成分。研究表明,随着摩擦持续进行,阻燃输送带表面温度分布呈现出较强的对称性,最... 详细信息

为实现带式输送机火灾早期预警,改进滚筒摩擦实验平台并监测阻燃输送带温度。利用质谱(MS)技术,分析钢丝绳芯阻燃输送带在摩擦事故早期的升温规律与烟气成分。研究表明,随着摩擦持续进行,阻燃输送带表面温度分布呈现出较强的对称性,最高温度区域逐渐向输送带中心集聚,烟气成分随温度变化而改变。根据实验中烟气产物主要成分以及对应的反应过程,将钢丝绳芯阻燃输送带升温过程分为氧化反应阶段(环境温度至100℃)、取代反应阶段(100~160.2℃)和热解反应阶段(160.2℃以后)。当阻燃输送带处于氧化反应阶段时,输送带热容量较小、升温快,产物多为烷基和酯类化合物;取代反应阶段热容量逐渐增加,升温放缓,产物多为硝基、醚类、羧酸类化合物;热解反应阶段输送带内部热容量基本稳定,升温速率最小,在160.2℃时在烟气成分中首次检测到含氯化合物。

关键词：阻燃输送带滚筒摩擦实验质谱分析升温规律烟气成分

CF_(3)H和CO_(2)抑制CH_(4)爆炸实验研究

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煤矿安全 2024年第5期55卷 122-130页

作者：白洁琪白纪成梁运涛王琳宋双林田富超煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 平顶山天安煤业股份有限公司河南平顶山467000

为对比研究CF_(3)H和CO_(2)对CH_(4)爆炸特性的抑制效果,使用20 L球型爆炸压力测试系统分别测量对比2种抑制剂对CH_(4)在空气中爆炸极限范围的影响;研究了不同体积分数的2种抑制剂对CH_(4)体积分数9.5%爆炸压力参数影响,分析了2种抑制... 详细信息

为对比研究CF_(3)H和CO_(2)对CH_(4)爆炸特性的抑制效果,使用20 L球型爆炸压力测试系统分别测量对比2种抑制剂对CH_(4)在空气中爆炸极限范围的影响;研究了不同体积分数的2种抑制剂对CH_(4)体积分数9.5%爆炸压力参数影响,分析了2种抑制剂针对CH_(4)在空气中爆炸的爆炸三角形。结果表明:CF_(3)H和CO_(2)均能缩小CH_(4)在空气中的爆炸极限范围,抑制CH_(4)至失爆所需CF_(3)H和CO_(2)体积分数分别为12.5%和21.5%;对比抑制CH_(4)体积分数9.5%的爆炸参数(反应峰值压力和升压速率),10%CF_(3)H的抑爆能力是等量CO_(2)的1.95倍和1.3倍,但是低于体积分数4%的CF_(3)H单独使用时对CH_(4)爆炸存在微弱的促进作用;2种抑制剂作用下的爆炸三角形显示CF_(3)H抑制下的可爆区域面积小于CO_(2),安全区域内CF_(3)H的窒息比是CO_(2)的57%。

关键词： CH_(4)爆炸瓦斯爆炸 CO_(2) CF_(3)H 爆炸极限抑爆剂爆炸压力爆炸三角形

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井下硐室柴油蒸气泄漏扩散规律

煤矿安全 2024年第5期55卷 140-150页

作者：李世豪白纪成宋双林姜文忠梁运涛林琦煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 平顶山天安煤业股份有限公司河南平顶山467000 安徽工业大学能源与环境学院安徽马鞍山243002

随着柴油单轨吊和无轨胶轮车等辅助运输装置在煤矿井下的推广应用,在井下运输和加注柴油的频率越来越高,运输和加注柴油过程中泄漏的柴油和挥发的柴油蒸气会污染井下空气环境,严重时还可能造成燃烧与爆炸事故。针对煤矿井下柴油运输及... 详细信息

随着柴油单轨吊和无轨胶轮车等辅助运输装置在煤矿井下的推广应用,在井下运输和加注柴油的频率越来越高,运输和加注柴油过程中泄漏的柴油和挥发的柴油蒸气会污染井下空气环境,严重时还可能造成燃烧与爆炸事故。针对煤矿井下柴油运输及加注过程的环境特点,构建了井下流态环境泄漏柴油蒸发扩散模型,建立了基于风速和蒸发速率的柴油蒸气体积分数峰值预测方法,研究了不同环境风速及柴油蒸发速率条件下的柴油蒸气体积分数分布规律,提出了煤矿井下柴油蒸气-瓦斯混合环境防火防爆措施。结果表明:在井下流态环境中,柴油蒸气扩散呈现出明显的沉降、分层及分段特性,风流对柴油蒸气扩散具有促进作用;当柴油泄漏后20s时,蒸气可扩散至距泄漏点下风侧10 m;当柴油泄漏后40 s时,蒸气可扩散至距泄漏点下风侧15 m;当柴油泄漏后70 s时,硐室中各监测点柴油蒸气体积分数达到峰值并趋于稳定;柴油蒸气体积分数峰值点位于泄漏点下风侧1 m处;可通过采用降低硐室环境温度、减少泄漏面积和增加风速等措施防止柴油蒸气-瓦斯混合气体燃烧和爆炸。

关键词：煤矿开采加油硐室柴油蒸气泄露扩散规律体积分数峰值预测

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遗煤二次氧化对复合采空区气体浓度场影响

煤炭学报 2023年第S1期48卷 139-148页

作者：孙勇王树刚胡沛裕梁运涛张德鹏中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁沈抚示范区113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈抚示范区113122 大连理工大学建设工程学部辽宁大连116024

复合采空区内氧化遗煤发生二次氧化是近年来引发煤矿内因火灾的重要原因之一。从气体浓度场的角度定量分析遗煤二次氧化对复合采空区自然发火的影响,是制定重复采动影响下复合采空区防灭火方案的理论基础,对于煤矿安全生产具有重要意义... 详细信息

复合采空区内氧化遗煤发生二次氧化是近年来引发煤矿内因火灾的重要原因之一。从气体浓度场的角度定量分析遗煤二次氧化对复合采空区自然发火的影响,是制定重复采动影响下复合采空区防灭火方案的理论基础,对于煤矿安全生产具有重要意义。以内蒙古平庄能源股份有限公司六家煤矿近距离煤层开采的SIIN_(2)6-9工作面为工程背景,现场采集本煤层原始遗煤与上覆煤层垮落氧化遗煤并制备实验煤样,利用等温差引领升温方法实验测试了2种煤样的宏观自燃特性。实验结果表明:现场采集氧化遗煤二次氧化过程处于激活阶段,煤氧反应更加活跃;相同温度与氧浓度条件下,氧化遗煤耗氧与CO生成速率更高。根据现场采集煤样的宏观自燃特性实验结果,提出采空区多种遗煤氧化情况的煤氧反应源项计算方法,建立了动态推进条件下采空区多种遗煤自然发火过程的数值预测模型。通过对比氧气与CO体积分数的束管监测数据与数值模拟结果,验证了所建立数值模型的可靠性。数值模拟结果显示:上覆采空区遗煤二次氧化增加了采空区遗煤耗氧和CO生成速率,在遗煤二次氧化作用下采空区内氧化带位置较单一煤层采空区向工作面移动约27 m,最大CO体积分数提高了30%。上覆采空区氧化遗煤二次氧化是不可忽略的自燃火灾潜在威胁。

关键词：二次氧化自然发火数值模拟氧化速率

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热板上煤尘着火及引燃煤粉尘云特性试验研究

中国矿业大学学报 2022年第5期51卷 894-900页

作者：梁运涛王泠峰苑春苗田富超王敬燕中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122 东北大学火灾爆炸防治实验室辽宁沈阳110004

为了探究堆积煤尘遇高温表面热着火后,内部阴燃颗粒扬起引发煤尘爆炸的致灾机制,以褐煤为试验介质,首先研究了堆积褐煤在高温热板作用下的温升着火规律.结果表明:质量分数为40%的TiO_(2)粉末惰化条件下,褐煤层内峰值温度较纯褐煤高约60... 详细信息

为了探究堆积煤尘遇高温表面热着火后,内部阴燃颗粒扬起引发煤尘爆炸的致灾机制,以褐煤为试验介质,首先研究了堆积褐煤在高温热板作用下的温升着火规律.结果表明:质量分数为40%的TiO_(2)粉末惰化条件下,褐煤层内峰值温度较纯褐煤高约60℃.粉末惰化程度同时影响堆积褐煤受热时的表层龟裂程度,低惰化程度下表层明显的龟裂现象虽利于煤氧反应、提高温升速率,但也降低层蓄热能力和层内峰值温度.同时,研究了2种不同挥发分堆积褐煤阴燃着火后作为点火源引燃煤粉尘云的能力.结果表明:高挥发分阴燃煤尘扬起后可引燃新鲜煤尘形成的煤尘云,致灾危险性更高.热重和微商热重的分析结果表明:热板作用下褐煤颗粒会经历挥发分热解至固定碳氧化着火的反应过程,从微观角度阐明了褐煤热板着火现象及着火颗粒扬起后的火源特性.

关键词：煤尘爆炸火灾阴燃热板惰化作用

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封闭空间瓦斯爆炸过程的反应动力学分析

中国矿业大学学报 2010年第2期39卷 196-200页

作者：梁运涛煤炭科学研究总院沈阳研究院煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳110016

为了获取瓦斯爆炸过程中反应动力学参数,通过修改化学动力学计算软件CHEMKINIII中的SENKIN程序包,采用甲烷燃烧的化学动力学详细反应机理(包括16种组分、41个反应),建立了定容弹中瓦斯爆炸过程的计算模型.利用该模型对瓦斯爆炸过程中温... 详细信息

为了获取瓦斯爆炸过程中反应动力学参数,通过修改化学动力学计算软件CHEMKINIII中的SENKIN程序包,采用甲烷燃烧的化学动力学详细反应机理(包括16种组分、41个反应),建立了定容弹中瓦斯爆炸过程的计算模型.利用该模型对瓦斯爆炸过程中温度、压力及反应物浓度的变化趋势进行了模拟分析,同时通过对瓦斯爆炸详细反应机理的敏感性分析,找出了影响瓦斯爆炸以及爆炸后部分致灾性气体生成的关键反应步.结果表明:瓦斯爆炸后温度、压力将分别达到2800K,0.24MPa左右;促进瓦斯爆炸的关键反应步为CH3+O2=CH3O+O,CH4+HO2=CH3+H2O2;促进CO与CO2生成的关键反应步为CH3+O2=CH3O+O,CH4+O2=CH3+HO2,CH4+HO2=CH3+H2O2,CH3+HO2=CH3O+OH,H+O2=OH+O.

关键词：瓦斯爆炸化学动力学模型数值模拟敏感性分析致灾性气体