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教育部重点实验室

时间:[2013-07-10]  来源:作者:

    一、实验室简介

煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室(Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining (Anhui University of Science and Technology)Ministry of Education)于20078月由教育部批准立项建设,建设计划于20079月通过专家组论证, 2012 12 7 通过教育部科技司组织的专家验收。

重点实验室现有人员60人,其中正高职称人员( 包括 教授、教授级高级工程师)16人,副高职称人员19人,博士生导师12人(含兼职2人),硕士生导师29人(含兼职8人)。形成了年龄、职称、学缘、专业背景结构较合理、学术背景丰富、学术研究方向明确的研究团队。实验室主任为 刘泽功 教授,学术委员会主任为袁亮院士。现有实验室场地面积约3800㎡,仪器设备总值超过5000万元,形成了较完备的从事煤矿安全高效开采研究的科研平台。

重点实验室积极开展科学研究,不断提升实验室学术水平。5年来,先后承担973国家重大基础研究项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划、国家科技支撑计划项目等国家级科研项目33项;获人社部博士后基金、教育部博士点专项基金、科技部国际合作项目、煤炭工业协会指导性项目计划、教育部回国人员专项基金、安徽省科技攻关项目、安徽省自然科学基金、安徽省教育厅高校省级自然科学重点研究项目等省部级课题72项,总计获得课题经费约5000万元;建设期间公开发表学术论文546篇,其中SCIEI检索73篇;获得国家科技进步奖二等奖3项,省部级科技进步奖一等奖4项,二等奖11项,三等奖7项;获得国家专利34项;出版专著和教材30部。

重点实验室实行了开放、流动、联合、竞争的运行管理机制,实行学校领导下的主任负责制,积极创造条件对外开放,积极加强合作交流,提高实验室科学研究水平;同时在实验室内部管理方面实行主任负责制下的分级管理制度,提高实验室管理水平。

    二、 主要研究成效

    重点实验室紧密围绕建设期内主要研究内容和煤矿安全高效开采理论与技术发展前沿,研究和解决该领域中重大科学问题,形成了具有鲜明特色的研究方向,各研究方向均取得了重要的研究进展。

    1. 煤矿岩层控制及高效开采

    1.1 复杂条件巷道围岩控制理论与技术取得重大突破

    针对我国东部煤矿深井巷道围岩变形大、破坏及冒顶严重,影响矿井安全生产的现状,研究揭示了深井松软巷道围岩时空演化失稳机理,首次提出了控制围岩最小变形的时空耦合支护方法;基于控制围岩最小变形的时空耦合支护原理,首创了巷道底板超挖锚注回填技术,并研发了锚网索注整体加固主动支护成套技术,并得到了广泛应用。研究成果在淮南、新汶、淮北、徐州、国投新集、皖北煤电、大屯煤电、兖州、枣庄等矿区的深部巷道得到了广泛的应用,有效控制了深井巷道松软围岩失稳,实现了安全经济的深井巷道围岩稳定性有效控制,有力推动了我国煤矿巷道安全控制的科技进步。

    首创了复杂条件下巷道围岩治理模式研究。针对复杂条件巷道的具体条件,在系统研究典型复杂条件巷道矿压特征、巷道的支护现状及围岩变形破坏特征的基础上,分析计算巷道围岩稳定性指标,对各巷道围岩进行整体分类和次分类,再进行巷道支护形式选择和支护参数的设计,形成了一套科学合理的巷道支护设计体系,建立的巷道围岩治理模式在工程实践中取得了很好的效果,产生了显著的技术经济效益,研究成果使巷道支护设计从目前的工程类比阶段推进到针对具体条件进行科学设计阶段,实现了巷道支护设计的科学化、系统化和定量化。

    联合研制了巷道临时支护液压支架,设计应用人造拱断面巷道、研发巷道掘进迎头滞后一段距离的弱化支护技术、优化快速掘进工艺流程以及创建快速掘进保障机制等关键技术研究,实现了高瓦斯复合顶板大断面煤巷月掘进超千米。

研究成果获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步一等奖1项,二等奖2项。

    1.2  复杂难采厚煤层采场围岩控制理论及技术取得重大进展

    系统研究了复杂难采厚煤层大采高开采、厚煤层综放开采、厚煤层大采高综放开采等采煤方法的采场覆岩活动规律、煤壁片帮机理、煤岩稳定性控制机理、支架工作阻力计算与支架设计研制、工作面实现快速推进等理论与技术,初步揭示了大采深、大倾角、大面长、大采高俯斜综采面矿压显现规律及开采参数对其矿压显现的影响特征,初步解决了深井三软大采高煤层与大采高综放煤层煤壁片帮、超前冒顶控制的关键问题;揭示了综放采场顶煤垫层作用的力学本质和采场三维矿压的采厚效应、柱宽机制、岩性效应、工作面长度效应、推进速率响应,提出了采场与巷道的设计思路和关键技术。形成了采场围岩应力壳理论,丰富完善了采场三维矿压场理论。以上研究形成了厚煤层开采围岩控制理论技术体系,为厚煤层采场围岩控制、安全高效生产提供了科学依据和理论基础,推动了厚煤层开采技术的发展。研究成果在两淮、徐州、大同、新汶等矿区得到了广泛应用,取得了显著的经济和社会效益,对指导工程实践和推动厚煤层开采技术的发展具有重要的指导意义。

研究成果获省部级科技进步一等奖1项,二等奖2项。

    1.3  丰富发展了沿空留巷围岩控制理论与技术

    首次开展了锚杆支护巷道二次沿空留巷研究。构建了二次沿空留巷不同阶段工作面端头关键块B“SR”结构力学模型,推求出了二次沿空留巷不同阶段巷旁支护阻力计算式,提出了巷旁充填体宽度的合理计算方法。基于突变分岔理论、损伤理论及混沌理论,研究了二次沿空留巷不同阶段围岩应力时间序列的功率谱特征,分析了充填体宽度、锚杆预紧力、锚杆支护强度对沿空留巷围岩混沌性影响,合理确定了二次沿空留巷充填体宽度、锚杆预紧力、锚杆支护强度、锚杆直径等参数。

基于微震监测、岩移观测和矿压理论,研究了不同采深、不同边界条件下沿空留巷充填体承载力计算方法;采用直接顶充填系数、老顶结构等指标,提出了适合新汶矿区复杂条件煤层多种留巷模式的确定方法;系统研究了沿空巷旁刚性充填体、柔性充填体、巷旁分级充填分段承载留巷机理,并建立了相应的沿空留巷围岩结构模型。

    通过系统开展沿空留巷围岩稳定性控制、巷旁充填材料、快速留巷充填工艺系统和留巷钻孔瓦斯抽采理论与技术攻关研究,为实现煤与瓦斯共采奠定了坚实基础,为两淮矿区低透气性高瓦斯煤层的安全高效开采创造了条件,同时也极大推进了无煤柱开采的进程。

    研究成果获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步特等奖1项,二等奖1项,三等奖1项。

    1.4 揭示了矿山压力演化对煤岩动力灾害发生的机理

    根据煤岩动力灾害发生特点,系统开展了采动应力演化特征、采动裂隙演化特征、煤岩体损伤断裂特征和煤岩扰动蠕变特性研究,构建了应力壳作用下煤岩应力应变本构关系、煤岩耦合模型及应力壳与采动裂隙演化模型,揭示了一次采厚增加有利于缓解煤与瓦斯突出危险的作用机理,为井工开采煤岩动力灾害的预防与控制提供了理论基础。

    自主研发了新型含瓦斯煤气固耦合参数测试仪及测试技术,首次研究发现了深部开采高瓦斯工作面煤体存在扩容区,且扩容区内瓦斯压力不稳定易发生突变及失稳现象;创新性揭示了工作面以采动应力为主控因素的应力-瓦斯压力和流量耦合互馈的突出致灾机理。研发的工作面煤层采动应力瓦斯压力和流量一体化动态监测系统和技术、工作面采动条件下煤体扩容探测仪及探测技术,科学实现了煤与瓦斯突出灾变的近场动态监测与预警。

研究成果获省部级科技进步一等奖1项。

    1.5 创新了复杂困难地质条件下厚煤层安全高效开采技术

    发展和完善了急倾斜厚煤层走向长壁综采矿压理论和岩层移动理论。提出了-拱组合结构假说;系统全面的对急倾斜厚煤层走向长壁综采工作面围岩与支架关系进行了研究,揭示了开采工序对急倾斜厚煤层走向长壁综采工作面围岩与支架系统稳定性的影响关系;建立了适合急倾斜煤层走向长壁综采开采的顶、底板破断力学模型,提出了围岩破坏判据;研发了急倾斜厚煤层走向长壁综采工作面配套设备,创新了系列适应急倾斜厚煤层工作面开采的关键技术。将走向长壁综合机械化采煤工艺成功的应用到煤层厚度3.5 -7.0m 、煤层倾角45-70°的急倾斜厚煤层开采中,最大月产达到4.96-10.2t。通过该项目的研究,革新了两淮矿区急倾斜厚煤层综合机械化开采技术与装备体系,解决了目前两淮矿区急倾斜厚煤层开采关键技术难题。实现了两淮矿区急倾斜厚煤层安全高效开采的目标,改变了两淮矿区以往急倾斜厚煤层开采中出现的效率低、安全无保证的被动局面;研究成果在两淮矿区急倾斜厚煤层中得到推广应用。

     在系统研究深井大采高综放采场矿压规律、工作面参数、回采工艺及放煤工艺的基础上,深入研究了工作面三机配套选型,提出了相应的配套原则和配套参数。联合研制了ZF15000-23/43 正四连杆大采高综放低位放顶煤液压支架、整体自移式ZTZ20000/25/50型端头自移支架、ZTC30000/25/50型超前支护支架以及 KSW-1500EU型电牵引采煤机,并进行了现场工业试验,实现了复杂条件大采高综放面实现年产千万吨的目标,制定了千万吨级大采高综放工作面设备配套选型标准。

    开展了复杂难采煤层超长大采高俯斜综采面安全高效开采关键技术研究。联合研制了ZZ13000-27/60支撑掩护式液压支架,对大倾角、大采高俯斜综采工作面采煤机、刮板机等设备进行了防滑、防倒、防挤压方面的技术革新,大大提高了机组工作运行稳定性和可靠性及落煤、装煤、运煤的效果,突破了以往俯斜综采难以应用于倾角大于20°煤层条件的瓶颈,构建了地质保障、开采系统与工艺设计、关键设备的研制与革新、工作面不搬家直接通过大断层、采场与巷道围岩控制、瓦斯抽采、一通三防等复杂条件超长大采高综采面安全高效开采技术保障体系,开创了我国东部矿区超长工作面大采高复杂难采煤层实现安全高效开采的先河。

    揭示了极软、易燃、特厚煤层等复杂地质条件下综放旋转开采不同于普通综采的围岩应力分布和变形破坏特征,深入研究综放旋转回采工艺,提出综放旋转开采方式、旋转中心,起始位置、循环内刀数、循环数目及进刀地点等关键技术与参数的确定方法;构建了综放旋转回采期间安全及技术保障体系,成功实施了极复杂条件综放面旋转开采。

研究成果获省部级科技进步一等奖1项,三等奖1项。

     1.6  完善了特殊条件煤炭开采技术

    开展了分岔合并煤层安全高效开采关键技术研究。针对分岔合并煤层复杂难采条件,合理设计了支架参数与结构,联合研制了ZZ7600/20/40新型液压支架,通过科学选取注浆材料与优化浆液配比、合理设计浆液扩散半径与注浆深度等参数、创新提出更换钻头跟管钻进埋设注浆套管的新方法,研发了经济可行的分岔合并煤层近距离破碎顶板注浆加固补强技术,研究成果的应用实现了近距离破碎顶板条件下分岔合并煤层的安全高效开采,取得了显著的技术经济效益。

    针对淮南矿区特厚松散层(300 -500m )、薄基岩、富含水、构造复杂的煤层条件,开展了提高回采上限工作面安全高效开采技术研究,获得了提高回采上限煤层围岩稳定性分类体系,提出了回采上限工作面支架工作阻力确定和架型选取办法,初步摸清了厚松散层、薄基岩覆岩运移及地表沉陷对矿压和支架受力的作用机理,提出并实施了提高回采上限工作面安全高效开采的地质保障技术、异常区围岩稳定性控制技术、坚硬顶板控制技术、支架选型与设计技术、采煤工艺优化技术、巷道支护技术、合理回采速度控制技术等技术体系,实现提高回采上限工作面安全高效开采技术。

    基于淮南潘谢矿区A组煤底板具有厚层奥陶系灰岩、寒武系灰岩富水性较强的特征,开展了A组煤开采地质保障、水文水害防治、巷道掘进支护、底板岩体裂隙探测、瓦斯治理和预警保障等关键技术研究,初步形成了多灾源条件安全开采预警方法和成套技术,为回采潘谢矿区A组煤提供了理论依据和技术支撑。

    在近距离煤层群开采理论研究与应用方面取得了创新性成果。对近距离煤层群开采矿压显现规律、采场应力及位移分布规律、底板应力传递力学机理,重复采动下采场底板围岩破坏特征,采空区稳定时效规律等进行了系统的研究,为多煤层跨上山和跨巷回采、下部煤层开采合理布置以及合理确定近距离煤层群采场接续等提供了依据。研究成果在淮北矿区得到了成功应用,取得了显著的技术经济效益。

    以上研究,发展完善了特殊条件煤炭开采技术。

    1.7  创新发展了采矿信息技术体系

    采用ANN-ES、遗传算法、无单元数值计算方法、数值模拟等计算机技术,研究了采场围岩动态信息监测与围岩损伤关系、采场和巷道围岩分类、矿山压力预测预报及控制,开发了基于ANN-ES的巷道支护系统、煤炭安全开采决策系统和三维可视化仿真模型,创立了矿业工程中的无单元数值计算理论,形成了特殊开采信息技术应用体系。

研究成果获省部级科学技术进步二等奖1项。

    2. 煤矿瓦斯灾害防治

    2.1  创立了留巷钻孔法煤与瓦斯共采理论体系

    针对两淮矿区低透气性、高瓦斯、煤层群地质条件,提出了关键卸压煤层无煤柱沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采技术新思路,集成了沿空留巷围岩稳定性控制技术、巷旁充填材料、快速留巷充填工艺系统和留巷钻孔瓦斯抽采技术,创立了煤与瓦斯共采理论与技术体系,实现与综采工作面同步推进的煤与瓦斯高效共采的开采方法,替代了多岩巷抽采卸压瓦斯的煤与瓦斯共采技术体系。开创了低透气性高瓦斯煤层的安全高效开采新模式和科学采矿新阶段。

研究成果获国家科学技术进步二等奖1项。

    2.2 完善了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破强化增透技术理论研究

    研究了深孔预裂爆破应力波在弹性介质中传播的规律及在自由界面附近的反射效应,分析了入射波频率、波在介质中的传播速度与反射效应的关系;得出了爆生应力波在煤体中的传播和衰减规律,即随着介质弹性模量的增加,爆生应力波随传播距离的衰减越来越小,在传播距离小于大约 10m 时,应力波的衰减随着延迟时间的增加而减小,在传播距离大于大约 10m 以后,应力波的衰减随着延迟时间的增大而增大;考察并探明了煤层硬度、埋深、爆破参数等对爆破效果的影响及不同煤层硬度、埋深、爆破参数等对爆破效果的影响、装药耦合系数对地应力卸除效果的影响,即耦合系数大,卸压效果较好。

    研究发现了深井井巷揭煤围岩应力分布的一般性规律,揭示了逐步释放含瓦斯聚能煤岩体能量消除煤与瓦斯突出动力灾害的作用机理;发明了煤矿新型煤矿许用低爆速水胶炸药和深孔爆破药柱,研制出快速封孔器。发明的炸药具有低爆速高威力特性,在钻孔内传爆距离达 60m 以上。对松软低透气性煤层松动半径达4~ 5m ,沿层定向切割煤层药柱对煤层松动范围 12m 以上,现场应用低透气性煤层透气性提高100倍以上,低透气性煤层强化增透后瓦斯采抽效果十分显著;发明了含水地质条件下松软煤层二次成孔多段分步封孔煤层瓦斯压力测定技术及装置。现场瓦斯压力测试时间2~3d,经验证准确率达95%以上;成功的将微震监测技术应用于深井揭煤与瓦斯动力灾害预报。根据矿山微震监测信息与瓦斯监测信息的对比分析,研究受掘进扰动诱发矿山微震活动性与瓦斯活动性和应力场演化之间的关系,建立了瓦斯突出灾害的微震前兆信息和失稳模式,提出了通过微震监测分析进行瓦斯突出预报的建议方法;研究成功深井低透气性煤层深孔预裂爆破强化增透高效抽采瓦斯、卸压煤体加固,加固圈外层钻孔截流抽采井巷揭煤成套技术。

研究成果获省部级科学技术进步一等奖2项。

    2.3  形成了淮南矿区B组煤层群关键保护层开采瓦斯治理成套技术

    针对淮南矿区B组煤层群埋藏深、高瓦斯、低透气性、高地应力、强突出,严重威胁安全开采的现状,研究揭示了淮南矿区不同地质构造块段内B组煤层群首采关键层开采对B组煤突出煤层安全开采的保护机理,得出了B组煤层群关键保护层开采时的三维应力场和裂隙场分布规律及保护层卸压保护范围;针对淮南矿区B组煤层群中多数煤层为高瓦斯强突出煤层,针对上下邻近突出煤层严重威胁首采关键层回采巷道掘进安全施工的技术难题,集成创新了受上下邻近突出煤层威胁条件下的掘进巷道超前综合探测预报技术,保障了关键保护层回采巷道安全高效掘进;针对淮南矿区B组煤层群首采关键层开采后瓦斯涌出量大,严重威胁首采层工作面安全高效开采,研制了瓦斯截流抽采、先抽后采的立体抽采瓦斯综合治理成套技术。

研究成果获省部级科学技术进步二等奖1项。

    2.4 丰富和发展了煤层群开采远距离卸压保护理论与技术

    揭示了远距离保护层开采覆岩变形及裂隙演化规律,对远距离保护层开采覆岩变形和移动动态过程进行模拟分析研究,表明保护层开采后,由于覆岩冒落移动,被保护层一定范围内最大主应力近似呈“W”型分布,而煤厚膨胀变形呈“M”型分布;保护层开采过程中,被保护层卸压区煤层水平变形出现两个区带,保护层切眼上前方(回采方向)一定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致,工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向相反,两带煤层的移动不对称,此时卸压区中区煤层受到水平拉抻和挤压作用,使该区域煤体破坏严重,有利于次生裂隙的发育。

    将非接触式近景摄影技术应用到相似材料模型实验中,利用摄影技术测量模型开挖过程中上覆岩层的位移变化及细观裂隙的发育,大大提高了测量精度和测量信息量;在相似材料模型实验中,研究了保护层开采过程中被保护层煤层变形与透气性之间的关系,对比相似材料模型实验中被保护层变形和透气性系数测定结果,表明煤层变形对煤层透气性有重要影响,煤层发生膨胀变形,煤层的透气性增大,两者之间基本成正比关系。而保护层切眼前方和停采线后方一定区域被保护层透气性增大的另一个原因是次生破断裂隙发育的影响;成功研究出上、下向长钻孔抽采远距离卸压层瓦斯抽采方法,丰富了保护层开采理论与技术,实现了高瓦斯突出煤层的安全开采。

    2.5 系统研究了低透气性突出煤层湿润与抽采耦合防突技术

    采用理论分析、数值分析和现场实验相结合的方法研究了低透气性突出煤层湿润与抽采耦合防突作用。研究表明,煤体注水湿润后,随着水分含量的增加,煤的应力应变曲线的峰值强度降低,峰值强度附近的曲线变得较为平缓,煤体的应变量增大,湿润煤样的弹模将减小4~5倍,当水分增加2%~3%,煤样强度降低1.5~3倍;同时,煤湿润后,其坚固性系数有所增加,瓦斯放散初速度大大降低,可减少90%,阻止吸附瓦斯向游离瓦斯转变,使煤的突出危险性降低;构建了低透气性突出危险煤层预抽与湿润耦合模型,模拟了在抽采条件相同时,水压为5MPa 10MPa 20MPa 时高压水射流破煤湿润过程,分析了低透气性突出危险煤层预抽与湿润耦合作用对煤与瓦斯突出的影响。现场试验表明,注水湿润并进行煤层抽采后,煤体的瓦斯含量、瓦斯压力梯度以及瓦斯解吸速度降低,减弱了瓦斯破坏煤体和煤体破碎时瓦斯的搬运能力,提高了煤的塑性,改变煤层瓦斯动力活性,使的湿润区域煤层支承压力分布均匀,降低煤体弹性潜能和煤层的突出危险性。

    研究成果为低透气性突出危险煤层安全高效开采实施有效防突技术提供理论基础。

    3. 煤矿通风与防灭火

    3.1 建立了高瓦斯高产工作面立体“W”型空气动力学系统

    应用空气动力学理论设计了“U”通风系统+高抽巷+集束钻孔的立体“W”型空气动力学系统结构。此系统将通风系统与抽采系统有机结合,通过集束钻孔的合理布置,使采空区瓦斯由流向工作面改变为流入高抽巷,克服了(此系统)之前因高抽巷位置不合理等原因而导致抽采瓦斯效果差的缺点,为高瓦斯高产工作面安全生产提供了可靠的保证。工业试验结果证明了系统的先进性和安全性。应用理论分析、数值模拟和现场试验方法研究了立体“W”型空气动力学系统中关键参数(集束钻孔钻场间距、集束钻孔数量及其孔底间距、钻孔倾角等),优化和选取获得了高瓦斯高产工作面立体“W”型空气动力学系统合理布置参数。

    得到了采空区孔隙率随空间位置而变化的规律。采空区 20m 深度范围内,孔隙率变化较小约为0.25 20m 100m 间,孔隙率逐渐减小,距工作面 100m 深处,孔隙率基本恒定,小于0.1。由工作面向采空区方向,在冒落带,孔隙率由大变小;在裂隙带,由工作面向采空区方向,孔隙率则表现为先变大再变小的趋势。在平面上孔隙率的大小主要受垂直应力影响,采空区中部孔隙率较小,采空区的四周边缘孔隙率较大。孔隙率在空间上总体分布规律为:冒落带及裂隙带下部孔隙率呈簸箕形分布,裂隙带上部孔隙率呈马鞍形分布。

    在采空区的冒落岩石无压区,风阻较小,风阻变化梯度也小,漏风风阻随着距离工作面位置的增加而缓慢增加;在冒落岩石受压区,由于孔隙率急剧减小,漏风风阻变化梯度急剧增大;在冒落压实区,孔隙率变化很小以至不变,漏风风阻梯度也较小,风阻近乎常数。漏风风阻在工作面倾向的变化规律是,由机巷向风巷,风阻先增大后减小,至风巷位置时,风阻略小于机巷位置的风阻。掩护支架条件下,支架间空隙较小,研究采空区漏风时,需要考虑支架阻力的影响。

    3.2  系统研究了瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应

    运用网络灾害传播理论分析了瓦斯爆炸对通风网络的动力效应及其特征;运用爆炸力学、爆炸动力学理论对瓦斯爆炸的作用过程进行研究,结合图论,研究了瓦斯爆炸灾害在通风网络中的传播规律,建立爆炸灾害在通风网络中传播的模型;利用实验数据修正瓦斯爆炸超压在掘进巷道中衰减的公式,使理论计算结果更具有实用性;

    设计了瓦斯爆炸冲击波在无风管道和管网不同节点结构(拐弯、分岔、渐变等)传播的实验,得出瓦斯爆炸冲击波超压在管网节点处的衰减系数普遍低于同类单一连接,指出在进行瓦斯爆炸灾害在管网中传播的超压计算时不能采用现有的单一连接的衰减系数;通过对超压在逆风直管道中传播实验研究,发现管道风速越大衰减速度就越快;通过对超压在顺风直管道中传播实验研究,发现管道风速越大衰减速度就越慢;通过对相向冲击波在管网角联中传播的实验研究,发现在角联中形成冲击波叠加高压区,破坏力增强;

    运用通风网络理论,对瓦斯爆炸时期的巷道风流状态进行研究,修正了节点风量平衡方程、回路风压方程,建立了瓦斯爆炸时期的通风网络解算模型;运用复杂网络理论和灾害传播控制理论,研究了通风网络关键节点和社团结构特征,建立了通风网络关键节点的判定模型和社团结构分析模型,对控制矿井通风网络中灾害传播有着重要的意义。

    3.3  丰富和发展了煤炭自燃低温氧化机理研究

    建立了煤在低温氧化自热过程中微观结构(煤的表面结构、孔隙特性、吸氧量、煤的官能团、微晶结构、自由基浓度等)和宏观物理参数(温度、气体浓度、自热升温速率、放热速率)之间有机联系,研究了煤的吸附过程和氧化过程的关系,得到了煤的吸氧量随氧化温度的变化规律。用孔容分形维数定量描述煤的孔隙发育程度与孔隙结构随温度变化规律,得到煤的分形维数以及吸氧量与温度之间的关系。研究了煤氧化过程中自由基浓度Ng、郎德因子(g因子)和线宽等煤的结构参数随氧化温度变化规律,提出了煤的自燃特性主要取决于煤氧化后自由基浓度相对增加速率而不是原煤中的自由基浓度的新认识,阐明了煤氧化过程中自由基浓度的变化与气体产物之间的关系。建立了煤低温氧化动力学模型,得到了褐煤、烟煤在不同氧化温度段的化学反应动力学机理函数。

    研究成果获得煤炭工业协会科学技术三等奖。

    3.4 揭示了抽采条件下“Y”型通风方式采空区漏风分布规律

    应用示踪技术探测了抽采条件下“Y”型通风方式采空区漏风分布,得到了冒落带和裂隙带漏风范围,同时研究得到抽采条件下“Y”型通风方式采空区煤炭自燃三带范围,为煤与瓦斯共采工作面采空区煤炭自燃防治提供依据。

采用模糊综合评价法建立了“Y”型通风方式采空区煤炭自燃危险性评价模型,研究得到了采煤工作面采空区煤炭自燃危险性影响因素分析和工作面采空区煤炭自燃评价指标体系。

    3.5 深入研究了煤炭自燃发火危险性新预测方法

    研究提出了煤的自燃倾向性主要由煤分子结构上具有大于最低反应活化能值的分子数及分子活化速率决定,即是由煤的结构、变质程度与矿物含量等煤本身固有的因素决定,如氧化过程的放热量、吸氧速率等来表征。系统地对褐煤、烟煤和无烟煤自燃特性进行了对比研究,提出了应用自热升温速率和自燃临界温度相结合鉴定煤自燃倾向性的方法。

采用IS-100型等温吸附解析仪、利用梅特勒热重/差热同步分析仪(TGA/SDTA851)型热分析仪以及红外光谱等多种先进仪器联用,实测整个氧化过程中的多种信息,尤其是煤在不同氧化温度下吸氧量的值与放热量值,掌握了煤的吸氧量随温度的变化规律性,并用物理反应与化学反应理论给予合理的解释;推导出了煤在不同氧化阶段的动力学机理函数,为人们从化学反应角度认识煤的自燃过程提供了理论指导。

    研究提出了煤氧化过程中多标志气体产生的机理以及煤低温氧化过程中的低温吸氧蓄热、缓慢氧化和加速氧化的三个阶段,得到了这三个阶段中的气体生成量、氧气消耗量与煤温之间的指数关系,这为煤自燃过程的早期预测预报提供了科学根据。

    研究成果获省部级科学技术进步三等奖1项。

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