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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

热压型煤成型条件优化试验研究方法

2024-05-23


创新点
(1) 自主研发了热压型煤试验系统,并对试验系统优势和今后改进方向进行了汇总。
(2)基于Horsfield致密堆积理论,创建了型煤材料最优配制方案,结合马氏距离度量法与黄金分割法,提出了热压型煤成型条件优化试验研究方法。
(3) 开展了不同成型压力条件下热压型煤试验,研究了成型压力对热压型煤微观结构、物理力学特性和渗透特性等响应特征的影响规律。

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热压型煤成型条件优化试验研究方法

作者许 江, 贾 立, 甘青青1, 2 , 彭守建, 闫发志, 王 旭, 戴诗杰, 焦 峰, 李奇贤, 陈月霞5
单位:1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室2. 江西理工大学 应急管理与安全工程学院3. 太原理工大学 安全与应急管理工程学院4. 煤炭科学研究总院5. 华北科技学院 应急技术与管理学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
能源是人类文明进步的重要物质基础,关系着人类生存与发展。富煤为我国资源禀赋基本国情,强化煤炭安全托底保障是国家重大战略。实现“碳达峰、碳中和”过程中,煤炭扮演着基础能源角色。然而,随着我国煤炭工业不断发展,地表浅层资源正逐渐枯竭,尤其中东部,迫使开采深度正以每年20~50 m的速度向深部进行。尽管,我国拥有丰富的高瓦斯矿井,且含气量高,但也面临着压力大和透气性差等问题,导致瓦斯抽采面临诸多挑战。因此,如何高效抽采瓦斯与有效防控煤矿瓦斯灾害,已成为亟待解决的重大问题。目前,国内外专家针对多个紧要问题已开展了系列研究。
物理模拟试验是一种研究煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的有效手段,常以原煤或型煤来研究含瓦斯煤岩的力学性质。然而,原煤质非均质性强,很难制备出符合试验要求的试件。通过碎裂筛分,并在常温下成型的型煤,在一定程度上能大致模拟原煤特性,但在力学强度、渗透率和孔隙发育等方面,与原煤仍然存在显著差异。因此,使用型煤模拟原煤进行模拟试验,仍需优化研究。型煤性能受成型压力、煤粉粒径分布、使用的黏结剂类型以及炭化条件等多种因素耦合影响。JIA等基于致密填充理论和最大密度曲线理论确定了型煤粒径最优配比,通过添加质量比为6.8%乳白胶和3.0%石膏,优化出可以模拟大尺度煤层气开采的型煤相似材料。王汉鹏等探究了粉煤颗粒级配和胶结剂浓度对型煤物理力学特性的影响规律,使得型煤抗压强度可控范围在0.5 ~ 2 MPa、弹性模量在55 ~ 300 MPa以及黏聚力在60~170 kPa;ZHANG等指出在CO2驱替煤层气相似物理模拟试验过程中,型煤相似材料的最优含水率为6.8%;康向涛等以煤粉作为骨料,用石膏和水泥作为胶结剂制作了相似材料模拟原煤,得到了与原煤相似的形变特征和破坏规律;孟祥跃等选用粒级为0.1~0.2 mm的粉煤,并添加8.1%的水调配成型煤相似材料;田斌等以无烟煤为研究对象,以腐植酸钠和高岭土复配物为黏结剂,制备了加压气化型煤,研究分析了成型压力和粉煤粒度组成对型煤冷压强度、热压强度以及热稳定性的影响规律;CHAIKLANGMUANG等指出当生物质黏结剂与褐煤按1∶1配比时,获得的型煤性能最佳;BLESA等选择糖浆作为黏结剂,探究了低阶煤和橄榄核在600 ℃下炭化反应机理;凌向阳等研究了腐植酸钠与型煤特性的基本关系,指出腐植酸钠对型煤具有很强的亲和力,能渗入煤的微孔结构中,且可以黏结煤颗粒,起到提高型煤强度的作用;郭云飞等明确了生产高性能炭化型煤的最佳工艺,指出控制黏结剂用量16%、成型水的质量分数13% ~ 15%、成型压力50 MPa以及炭化温度800 ℃等条件,能得到抗压强度为13.2 MPa,以及跌落强度为98.2 %的高性能炭化型煤。
综上,学者在型煤材料研究方面已经取得了丰硕成果,但针对热压型煤热压成型条件优化方法,仍鲜有报道。鉴于此,笔者提出了热压型煤成型条件优化试验研究方法,并自主研发了热压型煤试验系统,对热压型煤热压成型条件优化方法进行了探讨,为研究型煤与原煤的相似性提供了一种新思路。

摘要
 ABSTRACT

针对当前煤矿瓦斯动力学物理模拟试验中型煤材料存在低强度和高渗透率问题,建立了一套热压型煤成型条件优化试验研究方法。首先,自主研发了热压型煤试验系统,并对试验系统优势和今后改进方向进行了汇总,同时基于Horsfield致密堆积理论创建了型煤材料最优配制方案,最后形成了以马氏距离度量法和黄金分割法相结合的成型条件优化方法。为了验证试验方法的效果,通过控制成型温度为311.8 ℃、升温速率为5 ℃/min和保温时间为5.3 h,开展了不同成型压力条件下热压型煤试验研究,研究了不同成型压力条件下的热压型煤微观结构、物理力学特性和渗透特性等响应特征。结果表明:增加成型压力,总孔隙度逐渐减小,单轴抗压强度呈先增大后减少的变化趋势,破坏形式以块状剥落和纵向破裂为主,初始渗透率呈先减小后增大、最小渗透率则呈先减后增再减的变化趋势。

以各成型条件的具体数值为试验点、热压型煤和原煤的关键参数为评价参量构建样本矩阵,计算各成型条件下热压型煤和原煤之间的马氏距离,再结合黄金分割法对试验区间进行优化求解,优化后的最佳成型压力为80 MPa,在此成型条件下制作的热压型煤密度、单轴抗压强度和初始渗透率分别为1.137g/cm3、12.21MPa、1.32×10−15m2,与原煤的1.132g/cm312.83MPa1.08 ×10−15m2相似性极高,达到了提高型煤强度、降低型煤渗透率的目的。

部分图片





 1    热压型煤试验系统


 2    ϕ50 mm × 100 mm 碳钢模具


 3    六方最紧密堆积及 Horsfield 填充


 4    煤粉的制作过程


 5    型煤试件制备流程


 6    不同成型压力下制作的热压型煤的 T谱图


 7    不同成型压力下热压型煤的孔隙度分量


 8    不同成型压力下热压型煤单轴压缩变形特性曲线


 9    不同成型压力下热压型煤单轴压缩破坏实物


 10    不同成型压力条件下型煤渗透率轴向应变主应力差变化曲线


 11    马氏距离分布曲线类型


 12    黄金分割法示意


 13    不同成型压力下热压型煤与原煤马氏距离变化曲线


 14    热压成型条件优化步骤



作者简介

许江,男,1960925日生,湖南永兴人,重庆大学资源与安全学院,二级教授,博士生导师,重庆市安全技术与工程学术技术带头人、重庆大学安全科学与工程一级博士学位授权点始建学术带头人等。兼任中国岩石力学与工程学会测试专业委员会副主任委员、中国职业安全健康协会瓦斯灾害防治与利用专业委员会专家咨询工作组副主任委员以及《重庆大学学报(自然科学版)》、《煤炭科学技术》和《地下空间与工程学报》等学术刊物的编委等职。主持国家973计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金等国家、省市部委或工程现场科研项目50余项。获教育部技术发明一等奖、教育部科技进步一等奖、国家科技进步二等奖、重庆市科技进步一等奖等国家级或省市级的科技奖项近20项,出版学术著作10余部,获权或申请发明专利100余项,在国内外学术刊物或学术研讨会上发表学术论文400余篇,其中SCIEI检索150余篇,培养博士研究生20余人和硕士研究生近100人。


研究方向

主要从事有关岩石力学理论与试验、煤矿动力灾害发生机理与控制理论、山地地质灾害演绎规律与监测预警等方面的研究以及相关分析测试仪器设备的自主研发


主要成果

依托重庆大学资源与安全学院及煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室优越的科研育人平台,主要从事多场耦合条件下煤岩力学特性及瓦斯渗流理论与工程应用方面的研究,针对煤与瓦斯突出灾变过程现场数据难以实时获取,且缺乏模拟手段进行重现与反演的技术瓶颈,研制了多尺度多场耦合条件下煤矿动力灾害系列模拟试验系统,在深部采场围岩应力分布及裂隙动态演化规律、采动煤岩渗透性、采动煤层煤与瓦斯突出灾变机制、煤岩剪切-渗流耦合及广义应力松弛特性等方面取得了系列研究成果。



来源:

许江贾立甘青青热压型煤成型条件优化试验研究方法[J]. 煤炭学报202449(2):739−752.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁

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