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          松散煤體注氮過程研究

          煤層注氮是礦業工程研究的熱點之一,注氮驅替瓦斯一方面可以降低煤層瓦斯含量,另一方面低溫氮氣也可以起到防火抑爆的作用,為了更深入研究注氮過程氣體運移和溫度變化情況,實驗者搭建了煤層自燃實驗研究平臺,圖1展示的即為煤層自燃研究平臺的一個子實驗系統,在注氮口將耐低溫輸送管埋入破碎松散煤體內,將液氮氣化得到的高純度氮氣注入,并在實驗系統內部布置監測點研究氣體含量和溫度的變化規律。

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          1:埋管注氮實驗系統圖

          ? ? ? ? 通過多組實驗數據對比可以發現,豎直向下的空間平均溫度變化率大于側向空間溫度變化率,側向空間平均溫度變化率大于豎直向上的空間溫度變化率。其原因在于出口液氮蒸汽溫度較低,密度較周圍空氣大,其擴散行為屬于“重氣云團”擴散,具有常態氮氣所不具備的沉降效應。隨著液氮蒸汽吸收周圍環境中的熱量,溫度逐漸升高,其密度逐漸接近于空氣,其擴散行為會從“重氣云團”擴散變為“非重氣云團”擴散。液氮蒸汽在松散堆積煤體內大致趨勢由注氮口呈橢球狀向四周擴散,如圖2所示。

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          2:實驗觀測氮氣在松散堆積煤體內擴散趨勢圖

          ? ? ? ? 注氮口處溫度較低,而實驗系統長時間放置于室內,認為和室溫相同,因此氮氣和存在于松散煤體內的氣體在系統內的流動伴隨溫度的變化,采用非等溫流動模型并結合稀物質擴散對實驗過程建模求解。圖3分別展示了氮氣注入2min中時,氮氣含量的百分比及監測點的溫度變化情況,和實驗觀測完美吻合。

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          3:仿真氮氣的含量及監測點溫度變化圖

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