主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
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煤炭学报
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  • 作者(Author):赵毅鑫刘斌杨志良宋桂军杨东辉
    关键词(KeyWords):沉积岩赋存深度抗拉强度声发射断裂韧度深部开采

    摘要:为研究神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉及断裂性能,利用声发射监测系统对神东矿区不同赋存深度沉积岩样品巴西劈裂加载过程中的声发射参数进行监测,探讨了岩样抗拉强度、I型断裂韧度及两者比值k随赋存深度的变化规律;分析了劈裂破坏过程中损伤演化、破坏特征及前兆信息。结果表明:抗拉强度和断裂韧度随赋存深度增加而增大,且二者均与赋存深度呈幂函数关系,埋深-300 m以浅岩样的抗拉强度和断裂韧度分别在0.5 MPa和0.15 MPa·m1/2以下,而-300 m以深岩样则分别在1.0 MPa和0.15 MPa·m1/2以上;岩样抗拉强度与断裂韧度的比值k也随赋存深度的增加而增大,且与赋存深度呈对数函数关系,即埋深-300 m以浅岩样k值为2~3,-400 m左右k值为3~6,-500 m以下k值相对离散。同时,神东矿区不同赋存深度岩样破坏为张-剪混合型,张拉破坏贯穿整个破坏过程,但剪切破坏发生时间不同,即-300 m以浅岩样剪切破坏发生在峰后阶段,而-300 m以深岩样剪切破坏发生在峰前阶段;不同赋存深度岩样在峰值强度前均会出现破坏前兆点,-300 m以浅岩样(除中粗砂岩外)基本在应力峰值的70%~90%,而-300 m以深多在应力峰值的92%以上;可以看出沉积岩失稳预警时间随赋存深度增加而减少,且随深度增加其失稳破坏更加迅速且剧烈。
  • 作者(Author):郭辉王春波邹潺邢佳颖
    关键词(KeyWords):水蒸气煤焦燃烧气化反应砷释放

    摘要:煤燃烧过程中痕量元素排放的研究已成为燃煤污染中的一个新兴前沿领域。特别是一些易挥发元素或化合物,它们排放进入大气,成为环境污染的一个重要来源。其中最易挥发的痕量元素砷引起人们的广泛关注。选取清水沟煤焦,利用自制的恒温燃烧试验台,研究了5%氧浓度下煤焦在800,1 000和1 200 ℃燃烧过程中水蒸气对砷释放的影响。通过改变不同停留时间,并进一步探究水蒸气在不同温度、不同粒径下对砷释放特性的影响,得出煤焦燃烧过程中砷释放比例随时间的变化曲线。实验结果表明:水蒸气对煤和煤焦中砷释放的影响是同步的,水蒸气主要是与焦炭发生气化反应促进了煤焦中砷释放进而影响了煤中砷释放;燃烧气氛中水蒸气对煤焦燃烧砷释放具有一定的促进作用,原因是低氧下水蒸气与煤焦发生了气化反应,提高了砷的释放速率并增加最终的释放比例,但促进作用随着水蒸气体积分数的增加逐渐减弱;不同温度下,水蒸气对煤焦燃烧砷释放的促进存在差异,1 000 ℃下水蒸气对煤焦燃烧砷释放的促进作用较800 ℃和1 200 ℃下更明显;在同一条件(温度和气氛)下,煤焦粒径越小,砷的最终释放比例越大,且砷释放峰值对应的温度随着粒径的减小向低温区移动;气氛中含20%水蒸气时,煤焦燃烧砷释放的表观活化能和频率因子均大于气氛中不含水蒸气。
  • 作者(Author):代树红王晓晨潘一山刘柳
    关键词(KeyWords):模量指数冲击倾向性评价指标软化模量声发射

    摘要:为研究模量指数评价煤的冲击倾向性的可行性,选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样试件,测定各组煤样试件的模量指数、冲击倾向性评价指标和声发射信号,分析模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性,模量指数对煤加载过程中内部能量释放特征的影响。研究结果表明:模量指数同其它冲击倾向性评价指标具有相关性,同单轴抗压强度之间的相关性最强;各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小。各组冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大。煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,煤的冲击倾向性越强,模量指数越大。依据模量指数评价煤的冲击倾向性的结果,同其它评价指标的评价结果具有一致性;不同冲击倾向性煤样的软化模量是决定煤的模量指数大小的关键因素,弹性模量对模量指数大小的影响较小;煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关。模量指数小的煤样在全程加载过程中声发射事件频繁出现,模量指数大的煤样在破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件。模量指数可用于评价煤的冲击倾向性,模量指数对煤样能量释放的影响规律可用于指导现场监测。
  • 作者(Author):郭金玉郝成亮王灵双畅志兵杨彦博周玲妹初茉
    关键词(KeyWords):长焰煤非离子型表面活性剂复配D-最优混料设计超净煤

    摘要:随着优质无烟煤资源的逐渐枯竭,国内外学者广泛的采用储量较为丰富的低阶煤制取超净煤,但采用常规浮选药剂浮选超细颗粒低阶煤时药耗大,分选性差。为了改善超细颗粒低阶煤浮选效果,以神东超细颗粒长焰煤为研究对象,选取非离子型表面活性剂(曲拉通X-100、司盘-80)和常规捕收剂煤油为原料制备新型复合浮选药剂,采用D-最优混料设计的试验方法,建立了复配药剂不同配比与浮选精煤灰分和产率之间的回归模型;通过因子作用分析和响应分析,研究了曲拉通X-100、司盘-80和煤油配比对浮选精煤灰分和产率的影响规律,并探讨了复配药剂中的因子作用与交互作用;通过优化试验,获得了复配药剂的最佳配比。结果表明:浮选精煤灰分和产率不仅受曲拉通X-100(A)、司盘-80(B)、煤油(C)复配药剂单因子的影响,还受复配药剂因子间交互作用的影响;在药剂配比中B或C因子所占比例较大时,会对精煤灰分和产率产生显著的影响,复配药剂因子作用对浮选精煤灰分和产率影响的大小为:B>C>A;A与B,B与C之间存在显著的交互作用,复配药剂因子间交互作用对精煤灰分和产率影响的大小为:BC>AB>AC;复配捕收剂的最佳配比为:曲拉通X-100体积分数0.7%、司盘-80体积分数1%和煤油体积分数98.3%;在最佳配比条件下通过浮选试验可以得到灰分为1.54%、产率为56.04%的超净煤;在相同试验条件下与常规捕收剂相比,该复配捕收剂具有降低药耗、提高精煤产率和降低灰分的特点,具有较好的浮选效果。
  • 作者(Author):赵家巍周宏伟薛东杰苏腾邓慧琳杨洪增
    关键词(KeyWords):大采深奥灰承压水隐伏构造裂隙扩展渗流路径

    摘要:针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈“正八字”形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈“倒八字”形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。
  • 作者(Author):马汝嘉张帅侯丹丹刘琬玥袁亮刘钦甫
    关键词(KeyWords):高煤级煤分子结构分子模型结构优化

    摘要:分子模拟可从分子尺度探究高煤级煤石墨化过程中微晶结构的演化,对煤系石墨的成矿机理和开发利用具有重要意义。构建高煤级煤的分子结构模型是对其进行分子模拟的基础。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段,对陕西凤县地区赋存于石炭系草凉驿组含煤地层中的高煤级无烟煤的分子结构进行了研究,发现凤县无烟煤的芳香结构以萘、蒽和菲为主;脂肪碳以亚甲基、次甲基、脂肪侧链和环烷烃的形式存在,其中脂肪侧链以短链为主;含氧官能团以酚羟基和醚氧基为主,还含有少量的羰基;吡咯型氮是氮元素的主要赋存形态;硫元素的主要赋存形式是硫醇硫酚。依此构建了其大分子平均结构模型,并对构建的模型进行了结构优化和退火动力学模拟。经退火动力学模拟后,模型的总能量明显降低,模型中的芳香片层趋于规整的平行排列。在最终模型的能量构成中,非键结势能大于键结势能,是保持煤结构稳定的主要因素。范德华能在非键结势能中占主导地位,归因于高煤级煤中芳环之间的π-π相互作用,该作用是保持高煤级煤结构稳定的主要能量来源。本研究对凤县高煤级煤分子结构模型的构建为从分子尺度研究高煤级煤石墨化的微晶结构演化提供了模型基础。
  • 作者(Author):武强涂坤曾一凡刘守强
    关键词(KeyWords):煤炭资源主体能源升级版关键科技难题对策

    摘要:我国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的能源禀赋特征决定了煤炭资源作为我国主体能源的地位在短期内不会改变;同时,相对丰富的煤炭资源仍然是我国目前稳定供应最有保障、成本可接受的优势能源矿产,抛弃以煤为主的现实能源选择去解决中国的能源问题,是本末倒置,是不现实、不科学、不明智的,应该有清醒的认识;可以说,煤炭产业虽然不是“朝阳产业”,但短期内也决不会变成“夕阳产业”。但是,应该看到煤炭资源在过去的地质勘查、开发和消费利用全生命周期过程中带来了环境污染、生态损害、资源浪费、超高排放等诸多问题。因而,在新时代我国煤炭工业的发展必将发生重大变革,以科学化、安全化、生态化、高效化、标准化、数字化、和谐化和智能化等为特征的科学勘查和开发及清洁化、低碳化的消费利用方式,将是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。针对我国煤炭工业面临的挑战和机遇,分析了煤炭资源从地质勘查到开发和利用全生命周期过程中的现状与存在问题,制定了打造我国主体能源(煤炭)升级版的战略思路,提出了在实现我国主体能源(煤炭)升级版过程中面临的十一大关键科技难题,即:煤炭资源在地质勘查过程中的综合协调、绿色、深部、智慧难题和开发过程中的绿色化、安全、采出率、职业健康、高效益难题以及消费利用过程中的清洁化和低碳化难题,并探讨性地提出了相应的解决对策措施,对推动我国从煤炭生产大国转变为煤炭工业强国的转型升级、破解我国目前经济社会发展与生态环境保护之间的尖锐矛盾,具有指导意义和实用价值。
  • 作者(Author):原富珍马克庄端阳王振伟孙兴业
    关键词(KeyWords):底板突水微震监测断层RFPA2D

    摘要:针对董家河煤矿工作面断层突水问题,通过构建工作面微震监测系统,对断层区域底板岩体微破裂信息进行分析,再现了过断层前后底板岩体微破裂萌生演化过程。同时将微破裂信息和岩石破裂过程分析系统RFPA2D结合,研究底板断层围岩导水裂隙带发育过程中应力场的变化规律。结果表明:① 根据微震事件分布结果分析,工作面位于断层前方85 m时,底板断层开始发生微破裂。过断层前断层附近底板微破坏深度达到25 m,底板具有分段局部破坏特征;过断层后,最大微破坏深度为35 m,微破裂逐渐贯通。② 基于微震能量密度分布结果分析,过断层前高能量密度集中区走向长度约15 m,位于煤层下方5~25 m,而紧邻煤层的5 m范围内的断层仍处于稳定状态。过断层后高能量密度区向上盘采空区及深部扩展,沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内,深度方向扩展至煤层下方约35 m。③ 基于微震监测和数值模拟结果分析底板岩体破坏过程,将底板突水通道扩展过程分为过断层前和过断层后两个阶段,过断层前煤层下方25 m附近断层围岩首先发生微破裂,并沿断层向上扩展,煤层下方5~25 m发生局部微破裂但并未形成贯通;过断层后微破裂自上而下扩展并逐渐贯通,形成突水通道。④ 基于数值模拟断层应力演化规律分析,过断层前,断层剪应力为负值且逐渐减小,断层上盘有向下滑移趋势,深度越大剪应力越快达到最大,围岩自下而上发生压剪破坏。工作面位于断层附近时,剪应力方向迅速反转并达到最大,断层上盘在承压水作用下有上升趋势,围岩自上而下发生拉破坏且逐渐贯通形成导水通道。
  • 作者(Author):张新武兵牛蔺楷熊晓燕董致新
    关键词(KeyWords):弛张筛筛分效率近似柔性化动态特性双向耦合

    摘要:颗粒和弛张筛筛面的双向耦合可以为筛机的系统动力学分析提供更加可靠的参考依据,但利用离散元软件EDEM和动力学仿真软件RecurDyn在进行联合仿真时,EDEM不支持柔性体的计算。为了模拟弛张筛面和物料的动态特性,提出了线性分段插值的方法对筛板进行近似柔性化处理。首先计算了近似柔性筛面中点在静止状态和内死点时的挠度和筛孔收缩率,并和悬链线柔性筛面的相对误差进行比较,证明了近似柔性化方法的可行性。然后基于所建立的近似刚柔耦合模型,研究了偏心块质量,筛面倾角和入料粒度组成对筛分效率、生产率和颗粒速度等筛分性能指标的影响。结果表明:筛分效率,生产率和颗粒速度等筛分性能指标与偏心块质量,筛面倾角和入料粒度组成等参量之间均为非线性关系。筛分效率随着偏心块质量、筛面倾角和入料粒度含量的减小而增加;生产率随着偏心块质量的增加而减小,而生产率与筛面倾角、入料粒度含量之间的关系却相反,但难筛颗粒含量为25%时生产率最低,此外,为了考虑筛分效率和生产率同时达到最优,偏心块质量应取为0.5m0;颗粒运动速度随着偏心块质量和筛面倾角的增加呈递增趋势,但受入料粒度组成的影响较小。研究为进一步揭示潮湿细粒煤的运动规律和弛张筛筛面的动力学分析提供了思路。
  • 作者(Author):邢耀文桂夏辉韩海生孙伟曹亦俊刘炯天
    关键词(KeyWords):颗粒-气泡作用力液膜排液显微干涉AFM

    摘要:自20世纪30年代始,微纳尺度下的颗粒气泡黏附就引起了学者的广泛关注并逐渐涌现出一系列试验技术探索颗粒气泡黏附机理。在宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展的基础上,系统的对微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学试验技术研究进展进行综述。技术总体上可以分为两类:力测量法及排液法。排液法是通过光学显微干涉技术直接获得气液界面变形及排液动力学数据,通过耦合扩展DLVO理论及排液方程求解作用力信息,如单气泡撞板显微干涉技术、薄膜压力平衡技术及表面力分析仪等。力测量法则主要是借助胶体探针原子力显微镜(AFM)测试颗粒气泡间表面力及流体阻力,通过流体力学排液模型模拟液膜薄化破裂动力学行为。排液法和力测量法均发现疏水力是颗粒气泡间液膜快速薄化并破裂的根本原因,其中排液法所获得的疏水力倾向于一种长程作用力,而力测量法得到的疏水力为短程作用力,造成这种差异的原因仍不明确。随着AFM-反射干涉对比显微镜联用、变形体系力分析仪和薄液膜力分析仪等技术的问世,作用力和液膜排液的同步测试已经成为一种技术趋势,充分助力了浮选颗粒气泡黏附基础研究。基于现有研究进展应进一步开展颗粒气泡间疏水力的系统研究,通过借助不同检测技术的优势互补及分子动力学模拟等手段,有望从根本上阐明这一科学问题。
  • 作者(Author):吴延鹏王志华
    关键词(KeyWords):导光管天然采光照度TracePro反光片直射光

    摘要:导光管作为一种利用天然光的照明方式,被越来越多的用于地下空间采光,如果这一技术能够用于矿区地下空间,必将极大改善矿井的光环境。然而目前导光管传光效率较低,在早晨、傍晚及整个冬季,由于太阳高度角较低导致入射光线较少,采光效果不理想。在采光罩内增加反光片可以将更多的天然光引入室内,通过增加入射光通量的方式改善采光效果。以北京地区为例,综合考虑太阳高度角及方位角变化,用TracePro软件模拟分析晴天直射光下不同结构的采光罩及反光片对导光管采光效率的影响。模拟结果表明球型采光罩内增加反光片后,在春分日和冬至日采光效率可分别提高13.52%和79.56%,但在夏至日会降低4.11%;在圆柱型采光罩中,反光片的应用可使各个典型日期的采光效率均得到提高。以北京市通州区的两间办公室为研究对象进行了实验及模拟分析,测量时的天气条件包括晴天、多云天及阴天。在晴天,增加反光片后可以使平均入射光通量提高8.67%,并且模拟结果与实测结果误差均在±20%之间,验证了模拟结果的可靠性。在阴天,增加反光片后引入室内的光通量均减少,表明反光片不利于对漫射光的收集。
  • 作者(Author):张雷周宏伟王向宇荣腾龙陈超凡
    关键词(KeyWords):深部煤体时间效应渗透率模型瓦斯运移

    摘要:为了考虑长期抽采过程中时间效应对煤体渗透率的影响,结合平均有效应力建立了时间效应和气体解吸效应耦合作用下的深部煤体孔隙率及渗透率演化模型。运用COMSOL Multiphysics对钻孔周围瓦斯运移过程进行了定量计算,结合现场数据对是否考虑时间效应的瓦斯渗流场变化规律进行了对比分析,并对长期抽采过程中深部煤层瓦斯运移规律进行了模拟分析。结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力的下降呈指数型上升趋势;考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果明显小于未考虑时间效应模型的结果,且随着抽采时间的增长,蠕变本构中的黏弹性元件使得煤体更为致密,深部煤层的时间效应越发明显,考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果与未考虑时间效应的结果差值逐渐增大;考虑时间效应的模拟结果与现场数据匹配度较高,更符合深部煤层孔隙率和渗透率的实际演化特征。在同一抽采时刻,随着距钻孔中心距离的减小,渗透率呈现升高的趋势,压力呈现降低的趋势,当模拟抽采时间为1 d时,临近钻孔中心处渗透率较大、瓦斯压力较小;在不同抽采时刻,当抽采时间逐渐增长时,相同位置处的渗透率逐渐增大,瓦斯压力逐渐减小,当抽采时间由1 d增至30 d时,临近钻孔中心处的渗透率增长近1.4倍,瓦斯压力降低近3.8倍,且模型内渗透率与瓦斯压力的演化趋于平衡状态。
  • 作者(Author):范涛
    关键词(KeyWords):巷道-钻孔瞬变电磁法滑动时窗波场反变换算法虚拟波场动校正算法拟地震反演积水采空巷道

    摘要:采空巷道严重威胁煤矿安全和矿工生命,因其体积规模较小,常规物探对其探测精度较差,钻探手段也很难准确命中目标,为解决采空巷道的精细探测问题,提出一种煤矿井下巷道-钻孔瞬变电磁探测方法。该方法属于一种定源动接收的二维工作方法,通过在孔口布设一固定不动的发射线框,在孔内沿钻孔移动接收探头进行三分量观测,进而实现对钻孔径向低阻地质异常体的高精度探测。该装置观测曲线形态复杂,反演难度大。通过基于CPU+GPU异步并行的时域有限差分三维数值模拟分析了其数据特征,提出了结合分时段和全时段波场反变换算法2者优势的基于相关的滑动时窗波场反变换算法对数据进行高精度波场转换,研究了二维装置的虚拟波场时距曲线特征,得出了相应的动校正算法,采用等效导电平面法构建了初始速度模型,最终在虚拟声波介质假设下通过共轭梯度全波形反演技术实现了巷道-钻孔瞬变电磁数据的拟地震反演。计算了三维数值模拟、水槽物理模拟和井下现场模拟资料的反演结果,对钻孔径向的小规模异常体取得了良好的成像效果。结合山西煤矿井下的工程实践,对该方法精细探测积水采空巷道性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:巷道-钻孔瞬变电磁探测方法是井下物探与钻探的有机结合与相互补充,能够有效应用于积水采空巷道探测。
  • 作者(Author):李明徐梦迪晋伟邢耀文桂夏辉
    关键词(KeyWords):柴油浮选起泡能力泡沫稳定性液膜

    摘要:泡沫稳定性是影响浮选过程效率的重要参数之一。为了探究柴油对浮选泡沫稳定性的影响,借助泡沫扫描分析仪(FOAMSCAN)研究了气液两相体系下不同浓度的柴油与体积分数20×10-6的甲基异丁基甲醇(MIBC)混合溶液的起泡能力与泡沫稳定性,采用动态液膜分析装置分析了泡沫间液膜的最终状态,进一步明晰了柴油对泡沫稳定性的影响机制,并通过细粒煤浮选及气液固三相泡沫稳定性试验探讨了柴油对实际浮选体系泡沫性质及浮选效果的影响。气液两相体系泡沫稳定性试验表明,随着柴油浓度的增加,溶液起泡能力和泡沫稳定性逐渐降低。泡沫间液膜测试结果说明,柴油浓度加大使得泡沫间液膜由最终的平衡状态转为破裂状态,液膜稳定性变差,气泡更容易兼并甚至破裂,该结论与气液两相泡沫稳定性试验结果保持一致。浮选结果表明,柴油用量较低时,随着柴油浓度增加,最大泡沫层高度和半衰期逐渐增大,浮选精煤产率也随之增大,这主要是由于柴油改善煤样表面疏水性以及细粒煤的稳泡作用所致;但当柴油用量增加到一定浓度后,最大泡沫层高度和泡沫半衰期减小,浮选精煤产率减小,一方面,柴油油滴进入泡沫间液膜中,在范德华力等力的驱使下,泡沫间的液膜逐渐薄化直至形成经典的油滴架桥现象,最终导致气泡兼并甚至破裂,另一方面,柴油油滴竞争吸附起泡剂分子,使得气液界面的起泡剂浓度降低,从而导致泡沫稳定性降低,柴油具有一定的消泡作用。
  • 作者(Author):陈军闵凡飞刘令云
    关键词(KeyWords):高岭石颗粒间相互作用分子动力学模拟

    摘要:掌握煤泥水中多组分微细颗粒间复杂的相互作用机制是解决煤泥聚团沉降、选择性分选及脱水困难的重要基础。为了探寻煤泥水中微细颗粒界面间微观作用机制,以煤泥水中主要微细颗粒煤和高岭石为研究对象,采用分子动力学(MD,Molecular Dynamics)方法对水溶液中微细煤与高岭石颗粒间相互作用进行了模拟研究,模拟计算了高岭石颗粒界面处煤大分子空间平衡构型、原子浓度分布曲线及水分子自扩散系数、原子间径向分布函数的影响。MD模拟结果表明:煤大分子在高岭石(001)面及(001〖TX-〗)面吸附动力学平衡后,能够排开周围水分子与高岭石表面发生了稳定吸附作用,同时煤大分子中的部分苯环结构近似平行于高岭石表面,即苯环结构与高岭石不同表面间都存在较强的静电引力作用;煤大分子中的含氧官能团能够与高岭石不同表面形成氢键,但氢键在煤大分子与高岭石表面间相互作用中所提供的贡献非常小;存在水分子竞争吸附的情况下,煤大分子更容易与高岭石(001)面发生稳定吸附。为验证分子动力学模拟结果的正确性,采用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒度级的煤与高岭石颗粒间微观作用进行观测分析,结果表明:在水溶液环境中,微细煤与高岭石颗粒间能够发生相互吸引作用,使得两者吸附在一起难以分开。水溶液中微细煤与高岭石颗粒间的微观作用机理主要是煤中含氧官能团与高岭石表面形成的氢键作用及煤中苯环与高岭石表面间的静电引力作用,其中以苯环与高岭石表面间的静电引力作用为主导。
  • 作者(Author):徐宏杰桑树勋杨景芬金军周效志高为刘会虎
    关键词(KeyWords):菱铁质泥岩解吸气气体来源元素背景龙潭组

    摘要:贵州省含煤区龙潭组泥岩广泛发育,是煤系非常规天然气开发层位的重要组成部分。部分泥岩因含较多菱铁矿物致使含气来源控制具有特殊性。基于贵州省北部LC-1井上二叠统煤系地层钻孔样品气测录井和实验测试结果,研究了龙潭组菱铁质泥岩的含气性及其元素地球化学背景。开展了现场解吸、气测录井、孔隙结构电镜观测、结构物性测试分析(汞注入法、液氮与CO2注入法)、矿物成分测试、岩石热解和有机碳测定、显微组分与同位素测定等系列实验。结果表明:有机质类型主要为Ⅲ型并处于过成熟阶段,TOC含量变化较大,在0.90%~2.71%,碳同位素指示了陆相有机质来源。岩芯样品解吸气组分以CH4为主,解吸气含量介于0.08~7.79 m3/t,平均1.60 m3/t;样品黏土矿物和石英含量分别为35.0%和15.7%;多数样品含有较多的菱铁矿(381%)和白云石(9.5%)。研究发现:样品解吸气量与气体注入法测试BET比表面积和BJH总孔体积、石英和黏土矿物含量均呈显著负相关关系,揭示了有机质是解吸气的主要物质来源,但存储空间并非由矿物质内部的介孔和微孔提供。菱铁矿含量与解吸气含量高度正相关,但与比表面积、孔体积负相关,暗示菱铁矿自身发育的晶间孔也不足以提供解吸气赋存的容储空间。菱铁矿以似层状、葡萄状、透镜状或结核状分布在有机质周围且层理连续性保持完好,形成对有机质的包围从而形成泥岩内部“微圈闭”环境,形成对有机质内烃类气体的封堵,可能是解吸气与菱铁矿含量正相关的主要原因。有机质生烃后就地吸附存储并被“微圈闭”局限,随有机质和“微圈闭”增多,封闭气体量增大,具有进一步形成超压的可能性。菱铁质泥岩与临近煤层缺乏气体运移和交换,可以具有独立的“微含气系统”。元素地球化学指标反应的氧化还原条件与区域海平面升降一致。随海平面由底至顶先降后升,解吸气量、菱铁矿含量和有机碳含量随之规律性变化,揭示沉积期菱铁矿与有机质形成于Eh值、pH值相对稳定、水循环受限的潮坪—泻湖环境。砂粒间隙水代入高价铁离子溶液与有机质还原生成的还原性气体反应,生成烃类气体并被“微圈闭”封闭而原地吸附聚集,进而对菱铁质泥岩解吸气起控制作用。
  • 作者(Author):赵政李德文吴付祥刘国庆隋金君颜鸽来
    关键词(KeyWords):沉积粉尘厚度检测方法粉尘沉积质量-厚度关系粉尘沉积规律粉尘沉积原因

    摘要:为了对有爆炸危险存在的工矿场所的沉积粉尘厚度进行实时在线监测,同时调研发现针对工矿场所的通风除尘管道沉积粉尘厚度检测国内外尚属空白的现状。首先提出了一种高精度的沉积粉尘厚度实时在线检测方法,其核心是将粉尘的沉积质量检测转化为沉积厚度检测,并通过理论研究推导出粉尘沉积质量-粉尘沉积厚度的数学关系式,据此进行信号处理设计完成了该种检测方法。再完成了实验管道选择、粉尘粒径筛选、实验环境条件准备以及由定量发尘器、静电除尘器、压气泵、除尘风硐、风速测定仪、电脑控制台和变频风机等组成的实验系统。基于此实验系统与实验准备,首先实验验证了粉尘沉积质量-粉尘沉积厚度数学关系式的正确性,同时进行了误差实验,验证了该种检测方法的分辨率达到0.01 mm,精度达到0.07 mm,证明了该方法对沉积粉尘厚度的检测效果。然后,对除尘管道内粉尘颗粒物的受力情况进行了理论分析和研究,发现随着粉尘颗粒的粒径增大,颗粒所受的重力、拖拽力、Basset力和Saffman力作用逐渐明显。最后,基于此颗粒受力分析理论和实验系统,利用该种检测方法对通风除尘管道内的粉尘在不同风速和不同粒径下的沉积规律进行了研究,表明:随着除尘风速和颗粒粒径的增大,粉尘沉积率呈指数型降低和升高。文末,对管道内粉尘颗粒的沉积行为进行了原因分析,并给出了对现场除尘风速的设计建议。
  • 作者(Author):许永祥王国法李明忠张金虎韩会军
    关键词(KeyWords):支架结构围岩结构结构耦合特厚坚硬煤层综放开采

    摘要:针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。
  • 作者(Author):单仁亮白瑶孙鹏飞吴永鑫隋顺猛原鸿鹄
    关键词(KeyWords):冻结壁红砂岩裂隙产状冻胀力冻胀扩展

    摘要:裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1.27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。
  • 作者(Author):李旭
    关键词(KeyWords):掘进机回转油缸载荷谱雨流计数法三模态

    摘要:为得到掘进机回转油缸的疲劳载荷谱,利用大容量数据记录仪(黑匣子)对回转油缸工作载荷进行测取,采用幅值门限法去除载荷数据中的异常峰值点,对测取的载荷进行预处理,得到经载荷平稳性和各态历经性检验的回转油缸拉动载荷样本数据。采用雨流计数法对回转油缸载荷样本数据进行统计处理,结合大量统计分析经验,对幅值和均值概率分布分别作威布尔分布和正态分布的假设,并对其幅值与均值的分布规律进行了研究,利用卡方检验,对幅值和均值的独立性进行检验,针对均值提出了三模态正态概率分布模型。结果表明:在检验水平0.05的条件下,回转油缸拉动载荷的幅值和均值相互独立;幅值服从形状参数为1.156、尺度参数为3.345的威布尔分布;提出的三模态正态概率分布模型,真实反映出均值的统计特征,实现回转油缸载荷信息的准确识别。为保留回转油缸全寿命周期内的工作载荷特征以反映工程实际,根据回转油缸推拉工况作业时间比例,将回转油缸样本拉动载荷数据的累积频次扩展到5×105次循环,基于二维概率分布函数,建立了回转油缸拉动载荷数据8×8级幅均值二维载荷谱。根据疲劳累积损伤理论,应用Goodman方法将幅均值二维载荷谱转化为回转油缸拉动载荷数据8级一维载荷谱,可为回转油缸疲劳寿命预测及疲劳寿命试验提供理论基础。
  • 作者(Author):祝捷唐俊王琪王全启张博张犇
    关键词(KeyWords):煤渗透率力学模型瓦斯压力煤样应变反弹气体压力

    摘要:与气体压力有关的煤层渗透率变化规律是煤矿开采和煤层气开发过程中的重要问题,不同应力条件下,不同类型煤样的渗透率演化特征不同。为了研究瓦斯压力变化过程中煤样渗透性的变化规律,以开滦赵各庄煤矿9号煤层的煤样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,在恒定温度、轴压和围压,降低瓦斯压力的实验条件下测定了煤样应变和瓦斯渗透率。实验结果表明:随着瓦斯压力的降低,煤样收缩应变加剧,渗透率表现为两种变化趋势:逐渐增大和先减小后增大(渗透率回升对应的瓦斯压力小于1.0 MPa)。瓦斯压力降低至0.3 MPa时,渗透率为初始条件下(瓦斯压力2.0 MPa)渗透率的1.9~2.9倍。考虑到煤样在径向和轴向的收缩应变数值接近,针对三维变形煤样建立了渗透率模型,模型同时体现了气体压力和气体解吸对渗透率的影响。理论分析表明,降压过程中煤的渗透率将在某一气体压力(反弹气体压力pr)时由降低转为升高。推导的反弹气体压力pr计算公式显示pr的取值由煤样的体积模量K、与吸附效应有关的Langmuir系数εp和pL共同决定;体积模量K与吸附变形系数εp越大,pr越大。值得注意的是,pr的取值与煤样的外部应力以及内部的气体压力无关。结合本文和前人的实验数据,由本文的渗透率模型计算得到了不同应力和瓦斯压力条件下的煤样渗透率变化曲线以及相应的反弹气体压力pr。模型计算结果与实验数据接近,最大相对误差低于8.9%。研究表明,实验测得煤样的渗透率表现为何种变化趋势,取决于反弹气体压力pr和实验气体压力的关系。当pr≥pmax(实验测点中最大的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而降低;当pr≤pmin(实验测点中最小的气体压力值)时,渗透率随着气体压力增大而增大;当pmin<pr<pmax时,随瓦斯压力的增大,煤样渗透率呈“V”形变化,即先减小后增大。
  • 作者(Author):马念杰马骥赵志强郭晓菲师皓宇乔建永
    关键词(KeyWords):共轭剪切破裂地震地震机理蝶形破坏

    摘要:地震的发生是一个极为复杂且高度非线性的物理过程,基于乔建永、马念杰、马骥等提出的X型共轭剪切破裂-地震复合模型,进一步研究了共轭剪切破裂-地震发生的力学机理,阐明了共轭剪切破裂-地震发生及其演化的物理过程,从软弱异性体周围岩体应力、破坏形态与地震能量变化的角度出发,发现了共轭剪切破裂-地震具有“仿蝶存亡”规律,获得了共轭剪切破裂-地震生成的必要条件。研究结果表明:由于构造应力显现区域应力环境的剧烈变化,地壳岩体中会形成以软弱异性体为中心的性态极不稳定的蝶形破坏区,它的扩展最终会形成显性或隐性的共轭剪切破裂;蝶形破坏区蝶叶每次扩展释放的能量会在一定范围内引发地震,即地震是触发事件动载作用下蝶形破坏瞬态扩展所释放弹性能的非线性动力现象;共轭剪切破裂在不同应力状态下经历了圆形和椭圆形破坏、蝶形渐进破坏与蝶形剧烈破坏的孕育期、生长期与剧变期;依据地震里氏震级的强弱,在共轭剪切破裂动态生成过程中地震活动存在着弱震期,中强震期与强震期的“仿蝶存亡”特点;共轭剪切破裂—地震发生的必要条件主要有地壳中的软弱异性体存在条件,构造应力剧烈变化条件,软弱异性体及其周围岩体强度条件以及地震发生的应力触发条件。
  • 作者(Author):乔建永马念杰马骥赵志强郭晓菲师皓宇
    关键词(KeyWords):花瓣逆定理蝶形共轭剪切破裂地震能量

    摘要:地壳中岩体破坏、断层形成与地震诱发具有成因联系,其中“X”型共轭剪切破裂与地震发生关系密切。为此,基于动力系统结构稳定性理论和孔洞岩体蝶形破坏理论,构建了“X”型共轭剪切破裂-地震复合模型,推导了破裂尺寸计算公式,给出了地震释放能量的计算方法。用动力系统理论解释了破裂扩展尺寸与地震能量释放存在的定量对应关系,从理论上完整阐述“X”型、 “V”型和“Y”型共轭破裂特征的生成及演化力学机理,推演出共轭剪切破裂扩展和伴随地震发生的重要物理力学现象及规律。研究结果表明:在高偏差应力场作用下的地下软弱异性体周围岩体满足摩尔-库仑剪切破坏条件发生破坏,形成蝶形破坏区,即花瓣形破坏区,随着蝶形破坏区的扩展,会形成以软弱异性体为中心的显性或隐性X型共轭剪切破裂;软弱异性体周围岩体强度特征变化,使得共轭破裂表现出“X”,“V”,“Y”型共轭特征;在一定地应力和围岩环境中,地壳软弱异性体及其周围岩体构成的非线性动力系统,对于地应力和地层强度的变化具有敏感依赖性,即共轭剪切破裂的扩展尺寸和地震释放的能量具有相互伴生的指数型变化特征,相同的应力扰动在不同的构造应力场作用下引发共轭剪切破裂一次性扩展的尺度不同,会引发不同级别的地震,存在着非敏感依赖区域向敏感依赖区转化的特征拐点。
  • 作者(Author):楚长青赵冰龙白雪涛吴昌宁翁力李国涛刘科
    关键词(KeyWords):超细磨PBM模型超净煤粒度分布搅拌磨机

    摘要:
  • 作者(Author):胡秋嘉毛崇昊石斌乔茂坡刘世奇刘昌平刘明仁毛生发陈志鑫
    关键词(KeyWords):沁水盆地南部高煤阶相对渗透率气水产出排采制度

    摘要:为了提高煤层气井排采管控的科学性,以沁水盆地南部3号煤为研究对象,基于储层气-水运移产出过程和相对渗透率特征,探讨了煤储层气水产出控制机理及其影响因素,通过开展不同尺度裂隙系统内气水运移实验,分析了各类气水产出影响因素的影响模式及主要作用阶段。以降低气水运移影响因素造成的储层伤害、减小各排采阶段渗透率损失为主要目的,建立了适应于沁水盆地南部高煤阶煤层气井的“变速排采-低恒套压”排采控制方法。研究表明,气水产出依次通过基质孔隙、微观裂隙、宏观裂隙和人工裂缝,期间受到毛细管力、有效应力、启动压力和气水相渗等4要素耦合控制,压裂增压后地层毛细阻力明显增大、排水降压后有效应力会导致裂缝闭合、启动压力使气体产出滞后、气水相渗影响流态的稳定。当气井处在不同的排采阶段时,影响排采效率的主控影响因素各不相同。可将煤层气井降压产气过程依据储层压力(Pc)、临界解吸压力(Pde)、见气压力(Pjq)与井底流压(Pjd)的关系划分为4个阶段,认为Pc<Pjd时需要以01 MPa/d的降压速度快速排采以迅速克服毛细管力,降低水敏伤害;Pjx<Pjd<Pc时需要以0.05 MPa/d的降压速度排采,避免裂缝过早闭合,降低应力伤害;Pjq<Pjd<Pde时需要以0.02 MPa/d的降压速度缓慢排采,减小气对水的抑制作用;Pjd<Pjq时采用0.01 MPa/d的降压速度提产,同时保持套压不高于流压的一半,保持一定压差克服启动压力。在沁水盆地南部樊庄-郑庄区块应用“变速排采-低恒套压”排采控制方法,对比邻近相同地质条件、开发技术的井,相同流压时日产气量提高至原方法的1.4倍,日产水量提高至原方法的2倍,排采500 d后的累产气量增加近25%。4个排采阶段单位压降产水量均高于传统排采管控方法。

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