一氧化碳气体对煤吸附二氧化碳气体的影响研究

CO_2是导致全球气候恶化的温室气体。控制CO_2的排放和对CO_2的有效封存是世界各国学者研究的热点。CO_2的地质埋存是一种极具前景的碳埋存技术。大量的煤岩采空区为CO_2的地质埋存提供了广阔的空间。运用量子化学理论高斯03软件包对CO_2、CO气体与煤特征结构的吸附能力影响进行研究。结果表明,煤特征结构易于与多个CO_2分子发生物理吸附。当煤特征结构分别吸附1个C02分子、2个C02分子和3个C02时,放入1个CO分子会促进煤特征结构吸附CO_2分子。但当煤特征结构吸附CO_2分子的个数大于3个时,放入1个CO分子会抑制煤特征结构吸附CO_2分子。     

不同甲烷气氛下煤自燃指标气体及活化能研究

针对不同氧浓度下煤自燃特性的研究大多只考虑不同氧氮比气氛,而对不同甲烷气氛下煤低温氧化规律研究较少的问题,利用程序升温氧化和热重分析实验,对不同甲烷气氛下煤自燃指标气体和活化能进行了研究。结果表明:随着CH_4体积分数的增大,产生CO和CO_2的初始温度显著升高;在煤氧化初始阶段,不同CH_4气氛下CO和CO_2生成量均随着温度的升高而缓慢增加;在煤加速氧化阶段,CO和CO_2生成量随温度的升高呈指数函数形式增加,且CH_4体积分数越低(O_2体积分数越高),CO和CO_2生成量越大,表明温度越高,CH_4对煤氧化的抑制作用越明显;随着CH_4体积分数的增大,煤低温氧化活化能增大、指前因子降低,说明CH_4体积分数的增大对于煤自燃具有较好的抑制作用。     

煤表面对多种气体分子混合吸附的微观机理

应用量子化学密度泛函理论,在6-311 g水平上对建立的吸附模型进行全优化.结果表明,煤的表面能够与多组分气体发生混合吸附.煤表面吸附氧、氮和二氧化碳分子组成的吸附态中,氧分子和氮分子在煤表面的侧链吸附,CO2则在苯环的上方.煤表面氨基上的C原子和N原子的电子向氧分子中的氧原子转移.煤表面吸附了二氧化碳和氮分子,氧分子所得的电子减少,表明如果煤表面吸附其它种类分子,则削弱了吸附氧的作用.吸附后O2的频率变化较大,N2和CO2的频率变化很小.煤表面与矿井采空区各种气体发生吸附时的亲和顺序为:氧气>水>二氧化碳>氮气>一氧化碳>甲烷.     

煤自燃气体特征及其对瓦斯爆炸下限影响实验研究

现有研究大多从煤自燃单组分气体或部分组分混合气体角度对瓦斯爆炸极限进行分析,而对煤自燃过程中不同阶段产生的混合气体对瓦斯爆炸极限的影响分析不足,对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合致灾开展的实验研究较少。针对上述问题,通过模拟煤自燃实验装置研究了煤自燃过程中气体生成特征规律;采用20L球形爆炸装置对瓦斯混合煤自燃各个阶段生成气体进行实验,研究了煤自燃气体对瓦斯爆炸下限的影响。实验结果表明,实验煤样自燃过程中产生的可燃性气体主要为CH_4,CO,C_2H_4,C_2H_6,C_2H_2等,其中CH_4和CO体积分数最高,最高体积分数分别为0.75%和0.37%;煤自燃不同阶段产生的可燃性气体含量随自燃时间的增加和温度的升高均呈现增大趋势,煤自燃加热初期,温度小于80℃主要产生了CH_4,CO可燃性气体,CO可以作为煤自燃缓慢氧化阶段的标志气体;随着自燃时间的持续,温度超过80℃后,开始产生C_2H_4和C_2H_6,随后逐渐产生C_3H_8气体,C_2H_4的出现表明煤氧化进入了加速阶段;煤氧化自燃后期,大约到220℃时出现C_2H_2,此时煤进入激烈氧化阶段;低体积分数的CO能抑制瓦斯爆炸,高体积分数CO能促进瓦斯爆炸,导致爆炸压力变大,爆炸下限降低;煤自燃过程中产生的混合气体增大了瓦斯爆炸压力,爆炸下限最大降低了0.55%,瓦斯爆炸的危险性变大。     

煤表面对多个氧分子的多层吸附机理研究

应用密度泛函理论,在6-311水平上研究煤表面与氧的吸附作用,比较煤吸附5个氧分子,其表面与氧分子化学键的变化情况,吸附后氧分子的键变长,但不断裂,煤表面的变化很小,证明煤表面吸附5个氧分子是物理吸附,根据优化后的几何结构,证明还是多层吸附.其中侧链吸附的氧分子键长变化最大,由1.2582 A变为1.3244 A,说明侧链吸附的氧分子最活泼.从电荷集居数分析可知,原子中电子转移的多少与化学键的变化成正比,转移越多,化学键变化越大.煤表面与5个氧分子组成的吸附态中,氧分子的振动频率变小,计算其吸附能为409.68 kJ/mol.     

吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

研究和讨论了一种易于实现的光谱吸收型光纤甲烷传感器,该传感器基于比尔朗伯定律,采用双光路结构,大大提高了传感器的灵敏度和测量精度,大气和工业污染中的其它气体分子浓度也可用类似方法测量。     

基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型研究

针对传统煤自燃温度预测模型预测精度较差、基于支持向量机(SVM)的预测模型对参数的选取要求较高和基于神经网络的预测模型测试时易出现过拟合的问题,提出了一种基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型。利用煤自燃程序升温实验选取O_2浓度、CO浓度、C_2H_4浓度、CO/ΔO_2比值、C_2H_4/C_2H_6比值作为煤自燃预警指标数据,并对指标数据进行处理,将数据分为学习集和测试集;对学习集抽样形成决策树并按决策树最优特征分裂形成随机森林;采用均方误差值和判定系数(R~2)优化随机森林算法的参数,进而构建随机森林模型;将测试集数据输入已训练好的随机森林模型,得到煤自燃温度预测结果。模型对比结果表明:与基于粒子群优化反向传播(PSO-BP)神经网络算法和基于SVM算法的煤自燃温度预测模型相比,随机森林测试阶段的R~2为0.869 7,PSO-BP测试阶段的R~2为0.783 6,SVM测试阶段的R~2为0.835 0,说明基于随机森林算法的煤自燃温度预测模型能够较为准确地对煤自燃温度进行预测,具有较强的鲁棒性和普适性,解决了基于PSO-BP神经网络算法的煤自燃温度预测模型和基于SVM算法的煤自燃温度预测模型容易出现过拟合的问题。     

吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

研究和讨论了一种易于实现的光谱吸收型光烷传感器。该传感器基于比尔－朗伯定律，采用双光路结构，大大提高了传感器的灵敏度和测量精度。大气和工业污染中的其它气体分子浓度也可用类似方法测量。     

金属钙离子对煤中含硫活性基团的阻化效果研究

为了揭示阻化剂抑制煤炭自燃的机理,提高阻化效果。采用Gaussian03软件包,对含CaCl_2阻化剂中的金属Ca~(2+)与煤中含S活性结构形成的配位体及分子前沿轨道、稳定化能、自然键轨道和净电荷布居、自然电子组态进行系统研究。结果表明,金属Ca~(2+)能够与煤中含S活性结构反应形成稳定化能变大,前沿轨道能级能隙差变小,形成二配体、三配体及四配体配合物。而且形成配合物后,含S活性结构对前沿轨道的贡献大大减少,同时轨道能级大幅增加,增加了煤中含S活性结构的稳定性,降低了煤的活性,使煤不易于氧发生反应,可有效预防煤炭自燃。     

透射式光纤甲烷气体传感器的研究

根据甲烷气体的吸收光谱,研究了一种用低廉的LED作光源的新型透射式光纤甲烷气体传感器。选择两同型号LED光源作为差分吸收信号。光源驱动器自动实行交替斩波。讨论了提高甲烷对光吸收系数的方法及途径,给出了甲烷气体浓度的测量结果。     

煤中水含量对瓦斯吸附与解吸特性影响规律研究

为了验证煤中水含量对瓦斯的吸附与解吸特性的影响,分别对煤样在不同平衡压力条件、不同水含量状态下的瓦斯吸附与解吸进行了实验。实验结果表明,煤对瓦斯的吸附能力随着煤中水含量的增加而减小,实际应用中可近似用水含量对煤吸附瓦斯影响系数进行修正;煤中水含量越大,瓦斯的解吸就越慢,残存瓦斯量越大,水充填在煤样空隙中后对瓦斯的吸附和解吸均有一定抑制作用。     

浅埋厚煤层地表漏风对采空区煤自燃影响数值模拟研究

西部矿区浅埋厚煤层通常采用抽出式通风方式,地表漏风不仅使风流紊乱,而且其中的O 2贯穿采空区,与采空区遗煤共同作用使其氧化,从而发生煤自燃,并且产生的CO等有害气体超标,严重影响矿井的正常开采。目前一般采用现场实测、理论分析及实验研究方法对地面漏风引起的采空区内煤自燃的气体浓度场和温度场等进行研究,然而地表裂隙漏风自然发火实验复杂程度较高,理论分析及实验研究方法难以从三维角度认识地表漏风对采空区内煤自燃的影响规律。针对上述问题,根据我国西北矿区埋深浅、煤层厚等特点,建立三维数值计算模型,采用数值模拟与现场实测相结合的方法研究了浅埋厚煤层条件下导气裂隙采空区“三带”分布情况及不同工况下采空区O 2浓度场、CO浓度场、温度场、压力场等的分布规律,并采用ZD5煤矿火灾多参数监测装置进行现场验证。结果表明:采空区内“三带”分布规律和O 2浓度场分布受地表漏风影响明显,采空区顶部O 2容易聚集,改变了采空区内气体流场分布规律,采空区内高体积分数O 2(体积分数为18%~23%)聚集范围为沿采空区走向0~270 m、沿采空区竖直方向3~20 m,特别是在沿采空区走向0~80 m、沿采空区竖直方向3~8 m空间O 2充足、有一定遗煤且热量不容易散失,该区域煤自然发火危险程度较高;采空区内回风隅角压力最小,为-10 Pa,回风口压力最低,进风口压力最大,沿倾向、竖直方向及走向压力均逐渐增大;采空区内温度和CO分布规律类似,在采空区底部受顶部漏风影响很小,主要受工作面进风隅角影响,热量积聚和CO聚集规律与不漏风时基本一致,而从采空区中部开始,温度和CO主要受顶部漏风影响,在中部区域温度和CO均呈现“O”形圈分布,采空区顶部,温度和CO在每个断裂带与采空区交接处达到极大值,并向两侧递减,在最深部的断裂带与采空区交接处出现最大值。     

煤层原生CO钻孔探测试验

当前不少研究均得出煤层赋存原生CO气体的结论,但是未考虑钻孔施工过程中产生CO后被煤体吸附的可能。为探究西北地区易自燃煤层是否存在原生CO的问题,采用原始煤层原位钻孔探测方法进行原生CO探测试验。在未受采动影响的实体煤区域沿巷帮一字排开布置3个测试钻孔,钻孔密封后采用高纯N₂置换密闭气室内气体,采用专用抽气泵抽取钻孔内气体,消除原位探测钻孔施工过程中煤体氧化产生CO对试验结果的影响。在分析煤层原生CO来源可能性及其涌出理论的基础上,探讨了密闭钻孔内气体浓度随时间变化特征,结果表明:密封后钻孔内O₂和CO体积分数随密封时间的延长而迅速降低,12 d后O₂体积分数稳定在2%以下;12 d后CO体积分数低于10^-12,气相色谱仪未检测到CO气体;钻孔内气体主要为N₂。由此推断,待测煤层中无原生CO气体。N₂环境破煤试验和煤样常温恒温氧化试验结果表明,封孔初期检出的CO气体来源于钻孔施工破煤作业。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题,采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型,分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律,探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响,并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明:随着抽采量的增大,瓦斯抽采浓度先增大后减小,采空区氧化升温带宽度呈正相关增长,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,建议高位抽采巷道最佳抽采量为90m^3/min;随着进风量的增大,高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小,采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大,最大时达到109.3m,而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,试验工作面最优进风量为1 500m^3/min。     

Development of coal mine methane concentration technology for reduction of greenhouse gas emissions

In coal mines in such countries as China and Russia,most of the coal mine methane(CMM) generated during mining is emitted to the atmosphere without any effective usage,because the methane concentration of CMM is relatively low and not allowed to be used as fuel for safety reasons.Methane is one of the greenhouse gases.Therefore,if it becomes possible to concentrate CMM to an acceptable level for use as fuel,this will greatly contribute to reduction of greenhouse gas emissions.With the aim of gaining approva...     

煤矿瓦斯气体的光声光谱检测研究

煤矿瓦斯(CH4)是一种可用于诊断煤矿安全生产的特征气体。光声光谱技术是一种新型的气体检测技术,具有选择性好、灵敏度高、动态监测范围大、不消耗被测气体等优点,能很好地应用到CH4气体的在线监测。基于光声光谱技术的基本原理,利用分布反馈半导体激光器构建一种用以检测CH4的光声光谱装置,利用该装置研究了气体光声信号与CH4浓度、温度、斩波频率、激光功率、背景气体、以及压强之间的关系,并测得甲烷在2ν3带的R(3)支的光声光谱。