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    松散煤体注氮过程研究

    煤层注氮是矿业工程研究的热点之一,注氮驱替瓦斯一方面可以降低煤层瓦斯含量,另一方面低温氮气也可以起到防火抑爆的作用,为了更深入研究注氮过程气体运移和温度变化情况,实验者搭建了煤层自燃实验研究平台,图1展示的即为煤层自燃研究平台的一个子实验系统,在注氮口将耐低温输送管埋入破碎松散煤体内,将液氮气化得到的高纯度氮气注入,并在实验系统内部布置监测点研究气体含量和温度的变化规律。

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    1:埋管注氮实验系统图

            通过多组实验数据对比可以发现,竖直向下的空间平均温度变化率大于侧向空间温度变化率,侧向空间平均温度变化率大于竖直向上的空间温度变化率。其原因在于出口液氮蒸汽温度较低,密度较周围空气大,其扩散行为属于“重气云团”扩散,具有常态氮气所不具备的沉降效应。随着液氮蒸汽吸收周围环境中的热量,温度逐渐升高,其密度逐渐接近于空气,其扩散行为会从“重气云团”扩散变为“非重气云团”扩散。液氮蒸汽在松散堆积煤体内大致趋势由注氮口呈椭球状向四周扩散,如图2所示。

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    2:实验观测氮气在松散堆积煤体内扩散趋势图

            注氮口处温度较低,而实验系统长时间放置于室内,认为和室温相同,因此氮气和存在于松散煤体内的气体在系统内的流动伴随温度的变化,采用非等温流动模型并结合稀物质扩散对实验过程建模求解。图3分别展示了氮气注入2min中时,氮气含量的百分比及监测点的温度变化情况,和实验观测完美吻合。

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    3:仿真氮气的含量及监测点温度变化图