煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第3期

• 煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

  万志军, 张源, 师鹏, 苟红, 王朱亭, 于振子,

  在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:(1)矿区地热水静态可采量为1.14×1017 J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×1016 J/a,折合标煤1.01 Mt/a。(2)生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。(3)随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。(4)均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。(5)通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。(6)矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m2的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10 327 t,减少CO2排放量26 900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

• 城市深层地热能可持续开采多场耦合效应数值模拟研究进展

  赵志宏, 刘桂宏, 王佳铖, 徐浩然,

  我国中深层(200~3 000 m)和深层(>3 000 m)地热资源储量丰富,具有很大的开发空间,可持续开发利用地热资源将是碳达峰、碳中和目标如期实现的重要保障之一。然而,地热能开采过程涉及复杂的温度场、渗流场、应力场耦合效应。为此,总结了笔者团队在水热型地热资源开发利用多场耦合效应数值模拟方面的研究成果,包括面向城市深层地热能可持续开采的资源量评价、采灌方案优化设计方法和在典型地热工程中的示范应用。从温度、水位、变形3个方面给出了深层地热能可持续开采的多指标评价体系,以及基于数值模型的可采地热能计算公式。基于深层地热井-储系统多场耦合数值模型给出了满足可持续开采标准的可采地热能评价方法,提出了开采井风险评价的“红绿灯系统”,并依托雄安新区容东安置区地热开发利用工程验证了资源评价方法的合理性。基于深层地热井-储系统多场耦合数值模型给出了满足可持续开采标准的采灌方案优化设计方法,采用Plackett-Burman设计构建了代理模型,通过多响应优化实现了参数的快速优化,并依托北京市城市副中心地热开发利用工程验证了采灌方案优化设计方法的合理性。为城市深层地热能可持续开采提供了理论与工具支撑,以促进城市深层地热能更大规模和更高质量的开发利用。

• 花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征

  赵鹏, 冯子军, 南翰墨, 李杰,

  水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段,水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下,节理裂隙/断层岩体的剪切-渗流特性演化特征,利用自主研发的高围压大位移实时剪切渗流装置,研究了花岗岩干热岩体裂隙在剪切蠕变、剪应力增加、水压力增加和位移速率增加4种诱因引起的滑动过程中的渗流特征,并利用现有的速率-状态方程分析了诱发地震过程中裂隙/断层的摩擦特性。结果表明:(1)在三轴静水压力下,花岗岩裂隙内的注水压力与注水流量之间呈线性关系,裂隙的等效张开度与渗透率随法向应力的增加呈负指数衰减特征。(2)剪切蠕变、注水压力、剪切应力速率和剪切位移速率4种诱因所引起的裂隙/断层的黏滑均导致裂隙/断层的渗透性显著增加,且滑移变形和滑移速率越大,渗透率增幅越大。4种诱因中,剪切蠕变引起的渗透率增幅最小,剪切应力速率引起的渗透率增幅最大。(3)在剪切-渗流过程中,速率-状态摩擦定律仍然可以用于分析裂隙/断层的稳定性特征,随着黏滑次数的增多,剪切应力降、b值(即摩擦因数随时间或变形的降幅)及滑移速率等摩擦参数在规则黏滑中以对数形式增长,断层滑移的不稳定程度增加;而在混沌黏滑中,上述参数符合朗格缪尔方程,并趋向于0,断层滑移的不稳定程度降低。

• 深部矿井埋管充填体换热器蓄/释热过程中的热干扰问题

  张波, 杨紫桐, 刘浪, 赵玉娇, 郇超, 王美, 屠冰冰,

  矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/释热性能而不容忽视。利用COMSOL仿真软件建立并验证了典型蛇形埋管充填体换热器的三维非稳态传热模型,通过管间热干扰系数(Itub)和层间热干扰系数(Ilay)量化研究了管间距、管径、充填体导热系数和比热容对埋管充填体换热器的单层蛇形管管间和多层蛇形管层间热干扰影响,通过引入相对灵敏度参数讨论分析了管间和层间热干扰对研究参数的敏感度。结果分析表明,Itub随蓄/释热时间呈先下降后上升的变化趋势,整体变化不大(0.92~1.00),说明单层蛇形管管间热干扰影响较小。Ilay呈单调显著递减,在蓄/释热阶段末分别低于0.25和0.49,说明多层蛇形埋管层间热干扰随着蓄/释热的进行严重恶化。通过灵敏度分析发现,Ilay对研究参数的敏感度明显高于Itub。Ilay对充填体比热容、管间距、充填体导热系数和管内径的敏感度依次降低,其中充填体比热容和管间距为正面影响,另外2个为负面影响。Itub在蓄/释热的大部分时间段对管间距最敏感。本研究量化了关键参数对埋管充填体换热器热干扰的影响,为优化蛇形埋管布置及充填材料制备以降低热干扰影响提供了依据。

• 顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践

  郑建伟, 鞠文君, 吕大钊, 孙晓冬, 姜鹏飞, 李海涛, 付玉凯, 杜涛涛, 刘彪,

  坚硬顶板是良好的储能体,破断时释放大量弹性能极易诱发冲击地压灾害。以陕西省孟村煤矿中央大巷为研究对象,通过对中央大巷的地质赋存特征、煤层物性力学特征、巷道空间关系和地应力赋存特征进行综合分析,认为高地应力赋存、强冲击倾向性、多巷布置造成的应力集中和上覆易“储能”的坚硬顶板是导致中央大巷冲击地压频发的主要因素。基于此,提出顶板条带弱化法来对巷道上覆坚硬顶板进行致裂弱化,达到防治巷道冲击地压的目的。顶板条带弱化就是指在巷道正上方一定范围的坚硬顶板内通过人工措施沿顶板顺层方向制造平行于巷道轴向的条带状弱化范围,其主要作用是降低能量存储、增加能量耗散和局部结构调整,并对这3个作用机制分别进行了力学建模和分析。最后,在孟村中央大巷采用超长孔水力压裂技术在坚硬顶板内构筑顶板条带弱化范围,借助SOS微震监测系统对比措施前后一定区域内微震事件的能级和显现特征,结果显示措施后监测区域内再无能量大于104 J的微震事件出现,其他等级的能量均出现明显的下降,且能量的集聚区域也发生了一定的改变,也就是说措施范围内坚硬顶板的完整性和储能能力降低,表明顶板条带弱化法取得了良好的防冲效果,同时也表明该技术可以为巷道防冲提供新的技术手段。

• 煤矿地下水库平板型人工坝体抗震性能分析

  池明波, 李鹏, 曹志国, 武洋, 张勇, 李海祥, 吴宝杨,

  煤矿地下水库有效地解决了西部矿区矿井水保护与利用问题,地下水库安全稳定是其执行“导储用”核心技术的关键,而人工坝体是连接水库坝体的纽带。为此,针对煤矿地下水库人工坝体安全稳定问题,选取典型的平板型人工坝体为研究对象,基于大柳塔2-2煤层煤矿地下水库基本情况,利用相似模拟实验、数值分析等研究方法,分析了不同地震(1~15 m/s2)作用下煤矿地下水库平板型人工坝体稳定性特征。相似模拟结果表明:煤矿地下水库平板型人工坝体可以抵抗10烈度以上(12 m/s2)地震作用,在由小到大地震循环加载作用下产生的最大位移为0.19 mm;人工坝体产生应力集中的位置主要在坝体底部,应力变化规律为底部>腹部>顶部,同一地震波作用下坝体反面应力峰值约大于正面10%,整个震动过程中人工坝体未出现裂隙发育情况,说明人工坝体始终保持弹性工作状态;顶部压力逐渐增加和循环地震作用过程中,人工坝体内应力急剧增加,坝体水平方向位移与非加压阶段相当,未表现出明显增加现象,但煤柱坝体在此过程中逐渐产生裂隙,最终裂隙贯通造成煤柱坝体垮落破坏。基于力学模型分析及模拟结果表明:大柳塔2-2煤矿地下水库坝体(煤柱+人工)在地震作用下未出现较大塑性变形,位移变化以垂直巷道方向最大,但变化范围均为毫米级,水库坝体在地震作用下保持较好的稳定性;由于人工坝体和煤柱坝体基础性质(强度、密度)不同,震动引起的加速度不同,造成人工坝体作用过程中加速度大于煤柱坝体(差值为1.14倍),导致坝体连接处剪切应力集中,是煤矿地下水库易发生破坏的关键位置。

• 煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型

  王路军, 曹志国, 程建超, 刘升贵, 周宏伟, 武洋, 王俊光, 欧阳迪, 薛东杰,

  煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明:下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行为,建立了煤岩体突渗的逾渗模型,经应力渗流、蠕变渗流等试验验证模型有效且形式简单,为突渗力学行为的数学描述奠定了基础。

• 纤维增强混凝土韧性及声发射特征分析

  胡浩聪, 刘娟红, 王金安,

  针对地下开采所引发的建筑物开裂、破坏等问题,研制了具有较强抗变形能力的混凝土材料。对添加端钩形钢纤维、波浪形钢纤维、微丝镀铜钢纤维、仿钢纤维和丝状聚丙烯纤维5种不同纤维的纤维混凝土(FRC)进行抗压、劈裂、轴心抗压和四点弯曲试验,研究了FRC的抗压韧性评价指标和抗弯韧性评价指标变化规律。并通过声发射试验,对波浪纤维混凝土四点弯曲时裂缝的萌生和扩展进行监测,将声发射相关参数与混凝土的弯曲韧性联系起来,分析了FRC在整个弯曲破坏阶段的力学行为,基于现有弯曲韧性评价方法,提出了一种包含5个指标的新型弯曲韧性评价方法。该方法可以定量分析纤维混凝土的峰前、峰后弯曲性能。研究结果表明:微丝镀铜钢纤维对混凝土的抗压韧性改善最大,能有效抑制混凝土开裂剥落,端钩形钢纤维、波浪形钢纤维对C40和C50混凝土抗弯韧性改善最大,改变了裂纹生长方式。纤维的掺入减小了开裂宽度和早期微裂缝的产生,延长裂缝扩展的时间,拉伸裂纹向剪切裂缝的转变是FRC韧性提升和裂缝以不规则形式攀升的主要原因。声发射特征参数能够准确监测FRC裂缝萌生阶段、稳定增长阶段、失稳开裂阶段、残余破坏阶段与特定挠度下的特征点。由此改进的弯曲韧性评价方法,可以更直观反映FRC的弯曲性能。

• 环境湿度影响下粉晶白云岩的力学特征与数值模拟

  陈伟, 万文, 王卫军, 冯涛, 赵延林, 吴秋红, 周彧,

  为了揭示矿柱(岩心)受环境湿度在强度参数、变形特征和能量演化等方面的控制作用,对茶山岭煤矿-850 m中段的粉晶白云岩矿柱取心并制成标准试样。依托自建的密闭空间稳定湿度环境试验平台,成功实现了基于汽化方式的现场湿度系统模拟。分别测量了试样在干燥以及80%、90%和100%RH(相对湿度)环境下60 d后的孔隙率、质量以及尺寸,并开展单轴压缩试验,借助电子显微镜扫描和核磁共振技术分析了试样微细观结构变化规律及强度变形等力学参数的响应特征。结果表明:(1)环境湿度的增加会导致原本致密及排列规则的矿物颗粒失去胶结物的包裹而出现模糊的层间界面,孔隙率升高并伴有软化接触面的矿物颗粒脱落导致试样质量损失以及尺寸缩减。(2)环境湿度决定受载时试样的极限破坏模式,由干燥状态下的纯拉伸破坏过渡到100%RH环境下的剪切/拉伸混合型破坏,且破坏时试样表面宏观裂纹发育数量随湿度升高呈上升趋势。(3)受高湿从外围至中心扩展的“损伤-联结-侵入”效应,白云岩原生裂隙界面与矿物颗粒之间的摩擦作用以及弹性模量、峰值强度等参数减小,泊松比与峰值点应变则增大,加速了白云岩矿柱的失稳变形与破坏。(4)基于试验数据并依托颗粒流软件实现湿度场水汽腐蚀数值模拟,分析模型试样受载时微裂纹发育特征与能量演化之间的相互作用,揭示白云岩力学状态受湿度扩散影响下由外及内渐进损伤的微细观机制。

• 松散煤体中声波传播特性及主要路径实验研究

  邓军, 屈高阳, 任帅京, 王彩萍, 王津睿, 赵小勇, 白光星,

  松散煤体高温点精准探测一直是煤堆和煤仓煤自燃火灾防控领域的主要难题,研究声波测温法探测松散煤体温度异常具有重要的实际意义。声波在松散煤体中传播路径的确定是声学测温技术在松散煤体中应用的前提与基础,为了探究声波在松散煤体中的传播特性和主要路径,以长焰煤、瘦煤、无烟煤为研究对象,考虑松散煤体的级配特性,采用声波飞渡时间测试系统,分别测试了声波在纯气体环境以及松散煤体饱和气体环境中的声波飞渡时间,计算了声波在3种气氛环境下不同煤样中飞渡时间的变化率。结果表明:伪随机信号的互相关结果较好,其互相关结果的伪峰与主峰之间相差较大,对主峰判定的干扰较小;声波的传播速度与气体摩尔质量呈反比,声波在氮气、空气及二氧化碳3种气体介质中传播时,在二氧化碳中传播速度最慢,在氮气与空气中的速度相近;相较于气体环境中的传播,声波在同一种气氛条件下松散煤体中的飞渡时间变长,但飞渡时间变化规律与纯气体环境中相同(飞渡时间由长到短依次为二氧化碳、空气、氮气),表明声波飞渡时间与煤的变质程度关系较小;对无烟煤煤样进行重新装样后测试发现,声波飞渡时间变短,但是在松散煤体饱和二氧化碳与饱和空气中的飞渡时间依旧相差较小;在3种气氛环境的不同煤样中,声波在氮气-空气气氛中飞渡时间变化率最小;在氮气-二氧化碳气氛中的变化率最大;不同环境中声波飞渡时间变化率的变化趋势相同,表明声波在松散煤体中传播时主要沿着松散煤体空隙进行传播。研究结果可为声波测温在松散煤体中应用提供一定的理论依据。

• 断层构造对煤结构及氧化自燃特性的影响

  李宗翔, 张明乾, 杨志斌, 刘宇, 丁聪, 黄戈,

  为探究断层构造对煤结构及自燃特性的影响规律,以红庆梁煤矿11301工作面断层构造煤和原生煤为对象,采用红外光谱FT-IR实验、热重分析实验、低温氮气吸附实验和封闭式煤氧化实验,分别从微观和宏观角度对煤样的活性基团含量、燃烧特征温度、孔隙结构特征、耗氧速度和氧化放热强度进行分析。红外光谱FT-IR实验结果表明,断层构造煤的活性基团多于本煤层原生煤,断层构造煤的氧化活性高;热重分析实验表明,断层构造煤的裂解温度、临界温度、着火温度、峰值温度和燃尽温度均低于原生煤,断层构造煤表现出更强的自燃倾向性;低温氮气吸附实验结果表明,断层构造改变了煤的孔隙结构,相较于原生煤,断层构造煤比表面积增幅为2.5倍、平均孔径增幅为2.36倍、微孔孔容增幅为2.71倍、介孔孔容增幅为1.69倍。断层构造作用对煤体的孔隙结构特征的影响,便于氧气进入煤体与孔隙中的活性基团发生氧化反应;通过封闭式煤氧化实验可知,温度25~70℃条件,煤的耗氧速度、CO释放速度、CO2释放速度和氧化放热强度随温度升高呈指数增长;在氧体积分数为20%、温度25~70℃条件,红庆梁煤矿11301工作面断层构造煤的氧化放热强度是原生煤的1.37~2.00倍。断层构造煤相对于本煤层原生煤自燃倾向性更强。本次研究从微观和宏观角度揭示了实际采掘环境中断层构造煤更易发生自燃的原因是改变煤自身结构和自燃环境因素,使之更有利于自燃。

• 基于Dmol3模块的不同表面活性剂对煤尘润湿性的影响

  聂文, 牛文进, 鲍秋, 于丰宁, 田起凡,

  煤尘防治一直是煤矿井下亟需解决的现实难题,以喷雾技术为基础,通过添加抑尘剂实现对煤尘的有效沉降具有较好的应用前景。但制备抑尘剂的过程中,原材料表面活性剂的遴选往往以实验方式进行,存在效率较低、成本较高以及实验条件苛刻等技术难题。随着分子模拟技术已相当成熟并广泛应用于物理、化学、生物等多个领域,成为物质结构分析、过渡态搜索等重要手段,因此利用分子模拟技术,借助量子化学分析中前线轨道能量差作为表面活性剂润湿性的主要判据,以表面活性剂分子的静电势极值大小和氢键数量为辅助手段,对快速渗透剂T、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)的煤尘润湿性进行讨论。通过表面张力、表面活性剂毛细反渗透实验和接触角实验对上述表面活性剂的润湿性进行宏观论证;并在分子层面通过建立煤/水/表面活性剂动力学模型进行分子动力学分析,观察不同表面活性剂体系下各分子间的相互运动趋势,并对模拟结果进行相对浓度、均方位移和径向函数分布分析,在分子层面对不同的表面活性剂的润湿性能进行验证。结果表明:快速渗透剂T的前线轨道能量差与水分子形成的氢键数目为5.077 eV、1 098个,SDBS为4.387 eV、1 046个,CAB为2.077 eV、1 029个;而3者的水溶液对煤尘的最小表面张力、接触角和煤尘渗透高度分别是23.80 mN/m、27.12°、4.1 cm; 26.83 mN/m、32.69°,3.2 cm; 29.94 mN/m、39.61°、1.4 cm。随着轨道能量差的减小,表面活性剂溶液对煤尘的润湿效果也逐步下降,表面活性剂前线轨道能量差与其润湿性有直接联系,表面活性剂轨道能量差越大,与水分子形成的氢键数量越多,则表面活性剂溶液的润湿性越好,这与相对浓度、径向函数等分析也相一致,实验结果与与分子模拟结果展现出相同的变化规律,验证了模拟的合理性。

• 大采高综采工作面负压除尘微雾净化装置应用研究

  莫金明, 马威,

  综采工作面一直以来都是煤矿粉尘治理的重点场所,为解决大采高综采工作面采煤机滚筒割煤及液压支架降柱移架过程中产生的大量细微粉尘扩散到采场上部空间形成的高位浮游粉尘,改善工作面粉尘污染问题,创新提出了一种集支架顶梁抽尘净化与风送微雾除尘新方法。通过建立高度仿真的三维实体模型,采用数值模拟与井下测试相结合的方法详细分析了负压除尘微雾净化技术在不同处理风量下对工作面风流场、粉尘场的运移分布影响规律,得出其风量为120 m3/min、布置间距为35 m时,对工作面浮游粉尘沉降效果最为显著。并以此关键参数为依据,自主研制了集动力抽尘与微雾除尘于一体的净化除尘装置。通过自主搭建除尘器性能测试实验系统对研制的除尘装置进行除尘性能测试,结果表明:该装置对总粉尘、呼吸性粉尘的平均降尘效率分别达到98.31%、95.29%。最后通过在国家能源集团神东补连塔煤矿22408大采高综采工作面现场应用表明,应用该装置后工作面总粉尘降尘效率超过80%,呼吸性粉尘降尘效率超过70%,工作面人行区人员呼吸带总粉尘质量浓度降低到15.3 mg/m3以下,呼吸性粉尘质量浓度降低到10.3 mg/m3以下,有效解决了大采高综采工作面高位浮游粉尘污染难题,大幅改善了大采高综采工作面的工作环境,为创建“安全,健康,绿色”的煤矿生产环境提供了新思路。

• 煤尘云对瓦斯爆炸6种中间产物相对辐射强度的影响

  王秋红, 潘婷, 罗振敏, 代爱萍, 蒋夏夏,

  煤矿井下瓦斯煤尘共存爆炸是典型的气固两相化学反应。为了突出了解含煤尘瓦斯爆炸过程中反应中间产物的发展规律,采用瞬态火焰传播实验系统从微观火焰光谱探测角度进行含煤尘瓦斯爆炸现象研究,揭示煤尘云加入后对瓦斯爆炸中间产物光谱特性的影响。体积分数为7%、8%、9%、10%、11%瓦斯分别与130 g/m3煤尘质量浓度的长焰煤、焦煤、无烟煤煤尘云形成混合体系,分析混合体系爆炸过程中关键中间产物的相对辐射强度。实验结果表明,130 g/m3煤尘质量浓度的长焰煤/焦煤/无烟煤煤尘云与不同体积分数瓦斯形成的混合体系爆炸,与瓦斯中间产物辐射强度峰值相比,中间产物辐射强度增强,下部光纤峰值增强幅值比上部光纤的峰值增幅幅度大,6种反应中间产物相对辐射强度峰值由大到小排序为C2·>O·>CH2O>CH·>O2>CHO·。煤种变质程度对中间产物相对辐射强度峰值影响幅度从大到小排序为:长焰煤>焦煤>无烟煤煤尘云。煤尘云参与瓦斯爆炸,增强了瓦斯爆炸体系6种中间产物的相对辐射强度,煤尘云对低浓度瓦斯爆炸中间产物相对辐射强度峰值的影响比高浓度瓦斯强烈,不同变质程度煤尘云对CH2O、O·、C2·的累积速率影响作用大于CHO·、O2。可以在后期研发针对瓦斯爆炸的新型抑爆剂时,综合考虑将CH2O、O·、C2·三种反应中间产物作为靶向抑制目标之一,提升新型抑爆剂的抑爆效率。

• 含水层底部单孔非完整疏放水井渗流特征砂槽试验

  王文学, 郝清扬, 薛景元, 姜彤, 董金玉,

  为研究含水层底部疏放水井渗流特征,设计研发了一种60°扇形体渗流砂槽系统,以潜水含水层底部疏放水为例,开展了不同井长单井非完整井疏放水渗流砂槽试验,研究结果表明:疏放水引起浸润线的下降,并在其上方形成饱和毛细水带负压区;疏放水过程中含水层底部非完整井上部可划分为上层毛细水带、支持毛细水带、饱和毛细水带及自由水饱和带,饱和毛细水带可有效阻止上部空气进入井内;非完整井井片内部压力P存在4种水压分布形态,即P=0、P>0、P<0以及Pup<0且Pdown>0,根据井内压力及井片上部自由水饱和带、饱和毛细带的分布,含水层底部非完整井疏放水似稳定流态水压分布可概化7种模型;非满管段的形成导致其上部自由水压力不能连续传递,其分布不再是满管时的由下至上递减规律,当井片上方存在浸润线时,压力水头分布由下至上呈先增加后减小的规律;当井片上方存在自由水饱和带或较大范围的饱和毛细水带时,渗流量随井内压力减小而增加,当自由水饱和带消失且饱和毛细水带垂直分布较小时,井内压力的减小对渗流的增加效应不明显;非完整井井长的增加可有效增加渗流量,但当井长大于临界值后,渗流量不再随着井长的增加而变化;疏放水过程中,疏放水量由静态补给与动态补给构成且静态补给以一阶指数函数减少、动态补给以一阶指数函数增加。

• 钻孔瞬变电磁法扫描探测磁芯线圈激励电磁场响应特征

  程久龙, 姜国庆, 李垚, 田楚霄, 孟上, 梁沛元,

  瞬变电磁测井一般采用超小线圈作为发射装置,由于激励产生的瞬变电磁场强度较低,仅能进行钻孔孔壁岩层探测,无法实现钻孔外围径向远距离探测及地质异常体精确定位。基于全空间瞬变电磁场相关理论,提出钻孔瞬变电磁法(BTEM)扫描探测方法,利用磁芯线圈激励电磁场,增强发射磁矩,提高钻孔瞬变电磁法的径向探测距离。同时,通过灵活调整线圈方向,对钻孔孔壁进行360°扫描,实现钻孔径向方向全方位探测,提高钻孔瞬变电磁法对含水地质体的空间分辨率和定位精度。建立钻孔全空间三维地质-地球物理模型,提出优化的网格剖分策略,采用特殊网格结构对钻孔中磁芯线圈进行网格加密及规范化,提高数值模拟精度。采用有限单元法分别计算均匀介质条件下钻孔瞬变电磁法磁芯激励电磁场响应以及含有低阻地质异常体时钻孔瞬变电磁法不同装置探测的瞬变电磁场响应,分析了共面偶极装置及共轴偶极装置以及不同几何参数对应的瞬变电磁场响应特征,采用全空间全区视电阻率计算及时深转换算法进行全空间电阻率成像。研究表明,在钻孔瞬变电磁法超小线圈中加入磁芯可以显著增强电磁场强度,并且增强的幅度与磁芯的直径和长度成正比,相比较而言,增大磁芯长度对电磁场响应的增强作用更为显著;钻孔全空间磁芯线圈激励时探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩层中低阻地质体引起的瞬变电磁场异常,共面偶极装置和共轴偶极装置均可以获得较为理想的探测效果,全空间电阻率成像结果分辨率较高,相比较而言,共面偶极装置得到的异常幅度更大,并且对异常体中心的定位更为准确,而共轴偶极装置对异常体整体形态和边界的刻画更为准确。

• 拉曼光谱在煤大分子结构表征中的应用

  程南南, 石梦岩, 侯泉林, 潘结南, 韩雨贞,

  煤是一种特殊的有机岩石,其主体组成物质为大分子聚合物。准确刻画并定量表征煤大分子的结构特征,能够为探讨煤结构演化机理提供重要信息。拉曼光谱是近年来迅速发展的一种快速无损的碳材料表征技术,被广泛应用于煤大分子结构的表征研究。通过对国内外有关拉曼光谱技术在煤大分子表征中的研究进展进行系统的调研分析和总结,得到:(1)对于煤的拉曼光谱测试,对样品进行煮胶和抛光打磨、选用不同激光光源和激光能量以及信号收集时间,都会对拉曼光谱产生影响,并且对拉曼光谱进行分峰拟合时要充分考虑样品煤级以及谱峰所蕴含的结构信息。(2)温度对煤中有机质结构演化的影响分为石墨化前拉曼光谱无规律性变化和高温石墨化过程中拉曼无序性参数逐渐降低两阶段特征。常温加压条件下拉曼光谱的特征峰会向高峰位出现线性移动,这与拉曼光谱对应力的响应变化规律一致,并且构造应力产生的结构缺陷会降低煤系石墨的结构有序度。(3)拉曼光谱无序性参数与煤化程度之间并无严格对应关系,综合前人研究成果认为,这可能与煤大分子结构有序性的演化和化学结构的演化并不完全同步以及构造应力通过引入结构缺陷造成结构无序性增加等因素密切相关。(4)拉曼光谱在煤结构表征中的其他应用包括计算芳香层片的大小、特殊峰的指示意义以及二阶拉曼光谱表征煤结构信息等,但在实际使用过程中还需谨慎。

• 微米CT扫描尺度下构造煤微裂隙结构特征及其对渗透性的控制

  王相龙, 潘结南, 王凯, 李建新, 程南南, 李猛,

  煤中裂隙是煤层气运移的主要通道,是影响和控制煤储层渗透性的直接因素。我国构造煤普遍发育,不同类型构造煤中裂隙特征差异显著,对煤储层渗透性的影响也不一样。因此,对构造煤中裂隙与渗透性的研究十分必要。选取河南平煤十三矿和山西晋城胡底矿中、高煤阶的2种变形程度构造煤,首先利用环氧树脂制作了柱状构造变形煤样品,解决了构造变形煤制样难的问题;其次通过扫描电镜、微米CT扫描结合数字图像处理技术展现了2种构造煤中开度大于15μm裂隙的发育特征、分布规律、形态与结构的差异性;最后基于泊肃叶定律、三轴渗透实验结合CT扫描裂隙结构参数建立了渗透率预测模型,并探讨了裂隙结构对渗透性的控制机理。研究结果表明,在开度>15μm尺度下弱构造变形煤(偏向原生结构煤)多发育形态简单的大裂隙,裂隙连通性与连接强度均较差,而强构造变形煤中微裂隙形态复杂,裂隙的连通性与连接强度均较好,强构造变形煤的裂隙率大于弱构造变形煤。2种构造煤渗透率随有效应力增大均呈负指数下降趋势。煤储层渗透率受多因素综合控制,包括裂隙开度、数量、体积、连通性与连接强度,其中裂隙开度的影响最为显著。在此基础上,综合考虑到这些控制渗透率的因素以及裂隙分形维数与粗糙度建立了管状裂隙渗透率预测模型,并验证了该模型在此尺度下预测渗透率的准确性和适用性。

• 鄂尔多斯盆地陇东地区上古生界含煤地层晚成岩作用阶段划分标志异常及其成因

  余威, 魏新善, 杨兆林, 桂小军, 田景春, 王峰, 刘宝珺, 弓俐,

  为探讨鄂尔多斯盆地陇东地区上古生界含煤地层晚成岩作用阶段划分标志异常及成因,利用薄片鉴定、阴极发光、X-衍射、扫描电镜、镜质体反射率(Ro)以及包裹体温度等测试手段对样品进行分析。结果表明:上古生界含煤地层烃源岩Ro平均为2.3%,最高热解温度Tmax平均值为555.1℃,黏土矿物主要为伊/蒙混层、伊利石、高岭石及绿泥石,在砂岩发生了具有浅变质的绢云母化、石英Ⅲ-Ⅳ级加大边、矿物定向排列、干气气藏等晚成岩作用阶段的特征。但研究发现砂岩黏土矿物相对含量中高岭石大量存在,伊/蒙混层质量分数较高,且包裹体均一温度低于正常晚成岩阶段的成岩温度等异常标志。陇东地区上古生界含煤地层中烃源岩热演化程度较高,油气携带酸性流体进入砂岩,引起长石等铝硅酸盐的溶蚀,而长石类铝硅酸盐矿物的溶蚀作用为自生高岭石提供大量的Al3+,导致地层中高岭石的大量存在,K+含量很低也阻碍了高岭石发生伊利石化;由于地层中的钾长石等富钾矿物的含量有限,不足以提供蒙皂石和高岭石全部转化成伊利石,而蒙皂石和高岭石就会被保留下来,导致伊蒙混层大量存在,且地层中的凝灰质岩屑发生泥岩化,使蒙皂石质量分数增加,也导致地层中伊蒙混层质量分数较高;研究区包裹体的盐度与均一温度呈负相关,且包裹体的盐度水平达到了中等盐度,使大部分成岩温度低于晚成岩阶段,且水-岩作用不活跃导致只有少量晚成岩阶段温度包裹体被记录下来,从而所测到的温度大部分停留在中成岩阶段,只有个别温度处于晚成岩阶段。

• PRB处理酸性矿山废水的地球化学反应模拟研究

  李向东, 杜雪虹, 董佳甜,

  随着工业的迅速发展,矿产资源的需求也随之增加,采矿过程中产生的酸性矿山废水(Acid Mine Drainage, AMD)对周围环境具有严重危害性,可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier, PRB)通过下放置反应材料,利用自然水力梯度拦截污染羽流,该技术已成为有效处理AMD的手段之一。为研究PRB内化学反应堵塞对其处理效果的影响,搭建了规模为60 cm×15 cm×20 cm的箱体装置,模拟石灰石PRB处理AMD的过程;基于箱体实验得到的数据,并利用化学反应输运模型理论开发了一种新的地球化学算法,来描述PRB处理AMD过程中可能会发生的化学反应,最后通过MODFLOW和RT3D的耦合模拟并预测PRB有效处理污染物质的最大寿命。结果表明:(1)有效地模拟出了PRB中石灰石的酸性中和能力及其对酸性废水中总铁、Al3+的去除效果,并且很好地反映出PRB系统的化学堵塞过程;(2)模拟结果与实测值吻合程度较好。进口区域、中间区域以及出口区域3个不同位置处出水的pH实测值与预测值的最大误差分别为0.38、0.30和0.29,总铁质量浓度实测值与预测值的最大误差分别为1.570、0.102和0.124 mg/L,Al3+质量浓度实测值与预测值的最大误差分别为1.010、0.374和0.160 mg/L;(3)预测结果表明,该实验室规模的PRB装置在前30 d出水中的总铁和Al3+质量浓度最低,去除效果最好,且去除能力随着时间逐渐减弱。参照地下水质量标准限制,判断出该石灰石PRB能够有效处理总铁的最大寿命为132 d,有效处理Al3+的最大寿命为63 d。

• 神东矿区顶板垮落岩体在不同水化学条件下的离子迁移特征

  苏琛, 吴敏, 唐佳伟, 包一翔, 刘兆峰, 薛蕊, 张海琴, 蒋斌斌,

  采空区内含有大量的顶板垮落岩体,矿井水在地下水库内储存过程中,与采空区内顶板垮落岩体存在离子交换/吸附、溶滤等水岩相互作用,在一定程度上影响矿井水水质。采集了内蒙古哈拉沟矿区采空区顶板垮落岩体,对其阳离子交换容量(CEC)进行测定,并开展了不同水化学条件下(Na+、Mg2+、K+、Ca2+质量浓度各250 mg/L)的水岩耦合静态吸附-溶出实验。实验结果表明:采空区顶板垮落岩体的CEC与粒径大小成反比,当粒径小于120目(0.125 mm)时CEC达134 mmol+/kg,采空区顶板垮落岩体中交换性盐基离子总量排序为交换性钙≫交换性镁>交换性钠>交换性钾;静态吸附-溶出实验48 h后各体系中离子质量浓度趋于平衡,Na+体系溶液中阳离子质量浓度均有所升高,其他3种体系中,原有离子质量浓度均有所下降,且K+质量浓度下降幅度最大。采空区顶板垮落岩体交换至水溶液中的离子质量浓度由高到低的顺序为:Ca2+>Na+> Mg2+>K+,Ca2+质量浓度在试验结束后依然有上升趋势。反应后采空区顶板垮落岩体的CEC均有所增加,Ca2+体系下CEC最大达183.7 mmol+/kg。基于XRD等表征结果进一步揭示了微斜长石、钠长石、硫铁矿等非黏土矿物的溶滤作用可以导致溶液中Ca2+、Na+的质量浓度增加,而伊利石、高岭石等黏土矿物则通过配位作用等对溶液中的阳离子进行吸附/交换。对于阳离子而言,若溶滤作用>离子交换作用(初始质量浓度较低)则质量浓度有所上升;反之则有所下降。因此当矿井水Ca2+、Mg2+质量浓度较高时,煤矿地下水库可通过水岩相互作用在一定程度上降低矿井水的硬度。

• 新疆富铁低阶煤在水蒸气气化过程中的矿物转化特性

  吕俊鑫, 王永刚, 鲍亚寒, 林雄超, 许德平,

  富铁煤在我国分布广泛,研究富铁煤在高温高压下的矿物转化特性对于其高效利用十分必要。采用加压固定床反应器,研究了新疆准东富铁低阶煤(ZC)在水蒸气气化过程中的矿物转化特性。利用XRD、SEM-EDS和拉曼光谱等手段对原煤、热解半焦和气化过程的残渣进行了矿物组成、形貌特征和有机碳微观结构分析。研究发现,典型新疆富铁低阶煤中的铁主要以菱铁矿和铁闪锌矿的形式存在。在灰化过程中,500℃温度使原煤中的含铁矿物转化为赤铁矿,标准灰化温度815℃部分形成铁尖晶石和铁橄榄石等含铁的低温共熔玻璃体。在氮气气氛下热解,半焦中铁的存在形式主要是单质铁。典型新疆富铁低阶煤在水蒸气气化过程中,首先在炭基体表面形成含钙、钠的硅铝酸盐低熔点矿物相。随着气化压力的增加,这种低熔点矿物相含量增加,说明压力能够促进含钙、钠低熔点硅铝酸盐的生成。压力升高到3 MPa,钙铁斜长石晶相含量增加,升高的压力能够促进富铁矿物参与到硅铝酸盐玻璃相的形成过程中,这将使灰的熔融温度进一步降低。气化时间对矿物转化的影响较为复杂,随着气化时间的增加,气化残渣中含铁矿物相的种类和含量都有所增加,在气化时间3 h条件下,主要生成含铁的硅铝酸盐低温共熔物和含铁硅酸盐,如钙铁辉石和钙铁榴石,这主要是因为随着气化时间的增加,阻碍灰分颗粒相互接触的炭基体消失,使得矿物相得到充分的接触。未反应的含铁矿物在气化剂的存在下被氧化生成赤铁矿。含铁矿物的存在,同时也促进了低温共熔物在炭基体表面的聚集,在一定程度上抑制了碳结构由有序向无定型的转化。

• 基于Aspen Plus的废锅流程粉煤气化炉稳态流程模拟

  朱莎弘, 杨欣华, 张双铭, 张扬, 张缦, 张建胜, 杨海瑞,

  粉煤气流床具有氧耗低、煤耗低、碳转换率高等优点,在工业中应用广泛。废锅流程可有效回收粉煤气化炉产生的粗合成气余热,从长远角度看更为经济环保。基于Aspen Plus建立了废锅流程粉煤气化炉稳态流程模型。在建模过程中,由于粗合成气进入辐射废锅时温度较高,需将辐射废锅内进一步的气化反应考虑在内。依据工程经验数据,将散热损失和碳转化率考虑在模型内,并与工业现场数据对比验证了模型的准确性。基于搭建的模型,研究了氧煤比、蒸汽煤比、碳转换率对气化参数的影响。研究结果表明,合成气有效成分随氧煤比的增加先急速增加后缓慢减少,在氧煤比为0.5时达到峰值。氧煤比低于0.5时,气化温度随着氧煤比的增加缓慢增长;氧煤比在0.5~0.9时,气化温度随氧煤比的增加剧烈增长;氧煤比高于1时,气化温度几乎不随氧煤比的增加而变化。考虑到气化温度不能低于煤种的熔融温度以利于炉内排渣,运行时应控制氧煤比高于0.6。合成气中有效成分(CO+H2)含量随蒸汽煤比的增加几乎呈线性降低,随碳转化率的增加而增加;气化温度随蒸汽比和碳转化率的增加而降低。

• Ce、Zr共掺杂提高Cu-ZSM-5催化分解NO性能及抗K中毒能力

  孙瑞彬, 张代鑫, 刘丁赫, 乔晓磊, 金燕, 樊保国,

  将NO在Cu-ZSM-5催化剂的作用下直接分解为环保、清洁的N2和O2是最具经济效益的脱硝手段。高温烟气中存在大量的碱金属,但碱金属会使催化剂催化活性降低、使用寿命大大缩短,并使催化剂造成不可逆的失活。通过离子交换法制备MZ5催化剂(M=Cu、Ce、Zr、CuCe、CuZr、CuCeZr),采用初湿浸渍法将K离子负载到MZ5催化剂。脱硝实验结果表明:在最佳反应温度550℃下,相比于CuZ5,CuCeZrZ5催化剂的NO转化率由原来的53%提高到58%,KCuCeZrZ5催化剂的NO转化率由53%降到52%;相比于KCuZ5,KCuCeZrZ5催化剂的NO转化率由39%提高到52%。采用ICP、SEM、XRD、BET、XPS、H2-TPR和O2-TPD等表征手段对催化剂元素含量、微观形貌、骨架结构、孔隙规律、铜物种种类、化学吸附氧、铜离子还原温度和活性物种中氧气的脱附温度等进行分析。结果显示:Ce、Zr的引入不会对催化剂的骨架结构、结晶度和晶粒尺寸造成损伤;Ce、Zr的引入促进催化剂形成更多的氧空位和活性成分Cu—O—Cu2+,并增强催化剂的储氧和氧运输能力。当K+引入后,KCuZ5催化剂的脱硝活性明显降低、孔隙结构恶化以及K+与活性成分Cu—O—Cu2+结合迁移形成CuO;K+优先与Ce物种结合,进而有效保护ZSM-5的三维交叉孔道结构,减缓Cu2+迁移形成CuO以及促进活性成分Cu—O—Cu2+与Cu——Cu2+之间的氧化还原循环。

• 预热解式煤粉工业锅炉大比例直燃耦合生物质的数值模拟研究

  董琨, 张瀚霖, 谭厚章, 张嘉烨, 胡中发, 程占军, 周月桂, 王学斌,

  燃煤耦合零碳的生物质是现阶段燃煤过程中减少CO2排放成本最低和技术最成熟的技术。根据我国生物质资源分布国情,受生物质资源收集成本限制,在现有燃煤火电机组上只能进行低比例的耦合掺烧,但分布式供能燃煤工业锅炉具备进行大比例耦合甚至全部改烧生物质燃料的条件。目前链条炉和流化床锅炉掺烧和全烧生物质在国内已得到较为广泛的应用,然而相对更高效和自动化程度更高的煤粉工业锅炉大比例耦合生物质的研究和工业应用案例较少。针对近年来国内新发展的低NOx预热解式煤粉工业锅炉大比例直燃耦合生物质甚至全烧生物质的可行性,通过CFD数值模拟进行初步探索,重点对大比例耦合生物质对预热解式煤粉工业锅炉温度场、壁面热流密度、气氛场和NOx排放的影响进行评估。数值计算结果表明:预热解式煤粉工业锅炉大比例耦合生物质后,炉内的温度场、壁面热流密度和气氛场总体分布趋势与纯煤粉燃烧相似;随着生物质耦合比例的增加,主燃区燃烧过程得到强化,但由于生物质含水量较高,火焰总体存在着火延迟现象,主燃区消耗氧气的速率有所降低,挥发分与CO摩尔分数明显升高。受生物质燃料中含氮量高和火焰推迟的双重影响,随着生物质耦合比例的增加,NOx排放先增加后减少。研究结果表明预热解式煤粉燃烧技术可实现煤粉工业锅炉大比例耦合生物质甚至全部改烧生物质,在适当控制生物质燃料收到基氮含量的条件下,大比例耦合生物质可显著降低锅炉NOx排放。

• 基于离散元法的颗粒-气泡间相互作用行为模拟研究

  陈有轩, 张志军,

  颗粒-气泡间相互作用行为的研究对理解浮选原理至关重要。在颗粒-气泡间力学理论的基础上采用离散元法(Discrete Element Method, DEM)构建了颗粒-气泡间相互作用行为的模拟系统,模拟了粒度为0.1 mm,密度级分别为-1.3、1.3~1.4、1.4~1.5、1.5~1.6、1.6~1.7、+1.7 g/cm3的球形煤颗粒与固定气泡在静止水环境中的相互作用行为。研究了颗粒-气泡间相互作用行为的各阶段以及各阶段颗粒速度变化规律、颗粒密度与颗粒-气泡间临界碰撞角的关系、颗粒密度与颗粒捕获概率的关系。模拟结果表明,颗粒-气泡间相互作用行为可分为5个阶段:自由沉降阶段、绕流运动阶段、颗粒在液膜上滑动阶段、液膜破裂并形成三相接触线(TPC)阶段、伴随TPC滑动阶段。颗粒以自由沉降末速接近气泡,在临近气泡表面时会做绕流运动,运动轨迹发生改变。当颗粒与气泡发生碰撞时,其速度降至最小值。碰撞后颗粒随即在气泡表面滑动,滑动速度先逐渐增加,然后急剧下降,再继续增加,在气泡“赤道”位置附近时其速度达到最大值,越过“赤道”后速度开始逐渐降低,最终停留在气泡底部。颗粒在气泡表面的滑动速度近似关于气泡“赤道”对称。当颗粒的密度级从-1.3 g/cm3增加至+1.7 g/cm3时,颗粒-气泡间临界碰撞角从50.77°降低至31.93°,气泡对颗粒的捕获概率从51.74%降低至22.04%。

• Co掺杂对Ni/NiAlOx催化剂结构和菲加氢饱和性能的影响

  陈羽, 李泽, 荆洁颖, 李文英,

  煤焦油中富含稠环芳烃菲,菲加氢饱和后的产物全氢菲因具有高能量、高密度、高稳定性等优势是高能量密度燃料的理想组分。高效加氢催化剂是菲加氢至全氢菲的关键因素之一。贵金属催化剂加氢能力强,但价格昂贵,传统镍钼硫催化剂加氢能力较弱,镍基催化剂成本较低且加氢能力强被广泛应用于稠环芳烃加氢饱和领域。课题组前期利用活性金属镍与载体镍铝尖晶石之间强相互作用合成了Ni/NiAlOx催化剂,活性组分镍处于“缺电子”状态,有利于芳烃的吸附与活化,使得该催化剂具有较高的初始全氢菲选择性,但随着反应进行全氢菲选择性逐渐下降,主要是在反应过程中活性组分镍电子结构发生变化导致。考虑到钴与镍具有相似结构,容易溶到镍晶格中直接调控镍电子结构这一性质,采用先溶胶凝胶法再浸渍法制备出不同钴掺杂量的催化剂,考察了钴掺杂量对Ni/NiAlOx催化剂结构以及菲加氢饱和性能的影响。当反应温度300℃、压力为5.0 MPa、反应原料1%菲/十氢萘溶剂、进料速率为6 mL/h、氢气流量为60 mL/min、重时空速为52 h-1时,钴掺杂量为2%的催化剂在反应第6小时全氢菲选择性为53.6%,高出Ni/NiAlOx催化剂第6小时全氢菲选择性43%。对催化剂结构进行表征分析,发现适量钴掺杂可以促进活性金属的还原,减小催化剂粒径,稳定活性组分镍“缺电子”程度,促进芳烃吸附,最终提升催化剂稳定性。

• 基于双向特征融合的露天矿区道路障碍检测

  阮顺领, 李少博, 顾清华, 江松, 毛晶,

  近年来矿用卡车自动驾驶的兴起,使得障碍检测变得至关重要,露天矿区非结构化道路复杂多变,时常出现碎石、坑洼等小目标或多尺度行车障碍,严重危害行车安全。因此,笔者提出一种基于双向特征融合的露天矿区道路障碍检测方法。通过实地采集并使用数据扩增方法对露天矿障碍图像数据集进一步细分及扩充,并在特征提取阶段提出了更适用于障碍检测的RepVGG+骨干网络结构。在特征融合阶段,提出基于SimAM空间与通道注意力和跨阶段连接的双向特征融合金字塔模型。通过扩大预测小目标障碍的特征图和特征感受野,提升小目标障碍检测性能,通过双向特征融合机制提升多尺度检测性能。同时对网络分类预测模块的卷积层和先验框尺寸进一步调整,提升障碍检测性能,降低特征冗余,加快模型推理速度。在模型的损失函数方面,针对训练中样本不均衡和障碍物边界框定位不精准问题,使用融合标签平滑正则化的Focal Loss作为分类损失函数,GIoU Loss作为边界框损失函数进一步优化露天矿区障碍模型。实验表明本文方法能有效识别复杂背景下露天矿区非结构化道路障碍物,在实际应用中,检测精度达到了91.76%,检测速度达到56.76 fps,相较于主流检测方法有着更好的小目标和多尺度目标检测性能,可以满足露天矿区无人矿卡行进中的障碍安全检测要求。

• 三芯矿用电缆线芯温度预测及故障预警方法

  王彦文, 张旭然, 高彦, 王乐, 武灵杰,

  矿用电缆受潮湿环境影响,易发生绝缘劣化;堆积在护套上的煤粉会影响电缆的散热,而线芯导体温度的异常升高最终可能会导致电缆放炮,甚至形成电气火灾,酿成严重的煤矿安全事故。针对电缆带电运行过程中无法直接测量其线芯导体温度,无法利用电缆线芯异常温升这一极早期特征来实现电缆故障预警的技术难题,采用理论分析与模拟实验相结合的方法,从电缆径向截面上的热传导规律入手,建立了基于等效三等分暂态热路模型的三芯矿用电力电缆线芯温度计算方法,可由电缆外护套表面温度实时计算出电缆线芯温度。针对电缆绝缘层、内护套以及外护套的热扩散率低导致材料内部温度梯度大,会严重影响算法模型计算精度的问题,通过分析电缆材料内部温度梯度的分布特征,使用对电缆绝缘层、内护套以及外护套进行等热容分层计算的优化方法,提出了三等分等热容分层暂态热路模型算法。以型号为MYJV22-6/6kV-3×50的矿用交联聚乙烯电力电缆为实验对象,通过电缆温度电流实验,测得该被试电缆在不同载流量下外护套表面和线芯导体的温度数据。经实验数据分析,证明三等分等热容分层暂态热路模型的计算误差随分层数增加而减小,并确定了电缆绝缘层、内护套以及外护套的最佳分层数均为50。结果表明,采用等热容分层的方法优化后的三等分暂态热路模型具有较高的计算精度,当电缆绝缘层、内护套以及外护套的分层数均为50时,其最大相对误差小于1%,平均相对误差为0.73%,可为矿用电力电缆线芯温度预测和故障预警提供一定的理论依据。