组合溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化研究

为了对比分析组合压裂液中不同溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化特征,分别以有机溶剂(THF)和无机酸(HCl)、有机溶剂(CS_2)和强氧化剂(ClO_2)为组合,对山西长治的高阶煤进行不同顺序试验,并借助接触角和低温液氮吸附试验。结果表明:有机溶剂+无机溶剂作用下的萃取(溶出)率要高于无机溶剂+有机溶剂作用下的,其中有机溶剂的萃取率远大于无机溶剂的溶出率; HCl作用后的煤样接触角减小,表面张力增大,润湿性增强,而有机溶剂和ClO_2作用后的煤样则相反;不同溶剂作用后煤样的BET比表面积和BJH孔容均显著增大,其中有机溶剂+无机溶剂作用下的增大程度大于无机溶剂+有机溶剂作用下的;各种溶剂对煤样均具有扩孔效果,特别是对小孔径段效果最为显著。相比而言,两种溶剂作用后煤样的扩孔效果要明显优于一种溶剂作用后的,且CS_2+ClO_2组合溶剂最为显著。因此,将CS_2溶剂和ClO_2溶剂分别作为压裂液中的前置液和携砂液,可更好地改造煤储层的透气性。     

煤体变形对气体等温吸附量计算影响及模型优化

为研究煤体变形对CO₂吸附量计算的影响,开展了原煤在He和CO₂气氛下的等温吸附/解吸试验,同步测试了煤样应变,分析了煤样在2种气氛下的吸附/解吸及变形特征,探讨了He升压和降压过程样品罐自由空间体积与气体压力的关系,建立了绝对吸附量的精确计算模型.结果表明：在He气氛下煤样产生压缩变形,应变与平衡压力关系曲线可以划分为Ⅰ～Ⅱ2种类型,Ⅰ类曲线升压过程和降压过程均具有2个变形阶段;Ⅱ类曲线升压过程和降压过程均仅具有1个变形阶段.在CO₂气氛下,煤样吸附气体产生膨胀变形,1/3焦煤和贫煤最大体应变分别为1.72%和1.63%;等温解吸过程,煤样解吸应变存在超前和滞后2种现象,且完全解吸后存在富余变形.随气体压力增大,1/3焦煤样品罐自由空间体积先减小后增大至趋于稳定,表现出明显的“减”—“增”2个阶段;贫煤样品罐自由空间体积始终随气体压力的增大而增大;随气体压力降低,1/3焦煤和贫煤样品罐自由空间体积均表现为缓慢增大和快速增大2个阶段.提出了能有效消除He气氛下煤样受气体压缩变形导致吸附量计算误差的方法.综合考虑煤吸附/解...     

软煤应变强度硬化冲击灾变

煤与瓦斯突出软煤层不具冲击倾向性,但在深部开采中却发生了软煤层冲击灾变动力现象.为探索软煤冲击灾变的成因,通过文献研究和工程案例实证分析,证明了软煤层冲击灾变现象的客观存在;通过煤样无侧限单轴压缩试验和冲击倾向性测定,得知试验煤样无冲击倾向性,极限载荷后单调应变强度软化;模拟工程背景现场与掘进工作面和采煤工作面中部相同的边界约束和加载条件,开展单自由度边界承压试验,考察灾变全程应力、应变、声发射特征,研究软煤冲击灾变机理.结果表明:单自由度边界条件下加载,3个煤样均出现应变强度软化-硬化-灾变过程,甚至反复软化-硬化;经应变强度硬化,灾变前煤样抗压强度均超过冲击倾向性的阈值条件;定义了应变强度软化、应变强度硬化系数,灾变前应变强度硬化系数分别为1. 26,1. 53,2. 25,应变强度硬化程度比较显著;软煤在单自由度约束条件下承压,应变硬化达到煤样冲击破坏强度条件时,可发生类似硬煤的冲击灾变,合理解释了现场软煤层冲击灾变的成因.深部高应力条件下,煤与瓦斯突出软煤掘进和开采,要对应变强度硬化导致煤层冲击灾变引起重视;工程上,这种冲击灾变的强度一般不高,但其可诱导煤与瓦斯突出或瓦斯异常涌出,危害性很高.     

不同体积分数CS2溶液对煤的增渗试验研究

为了研究CS₂溶液的环保、经济和增渗综合作用效果,以河南焦作赵固矿无烟煤为研究对象,无水乙醇作为混合剂,开展不同体积分数CS₂溶液对煤的增渗试验研究。结果表明：经不同体积分数CS₂溶液萃取后的煤样,渗透率从原始的0.000 16～0.001 33 mD增加到0.000 18～0.022 16 mD,增渗率提高了37.31%～1 566.17%;煤样端面裂隙的面密度与增渗率随CS₂体积分数的增大均不断增大,CS₂体积分数达到50%时,煤样的增渗效果出现了转折点,即体积分数小于50%时,增渗率随体积分数增大而提高,但增幅相对较小,与之相反,体积分数大于50%时,增渗率随体积分数增大大幅提高。煤样的物质组成、化学结构和CS₂萃取煤中的物质不同,是造成不同体积分数CS₂萃取后煤样增渗效果差异的主要原因。     

不同冲击荷载下煤的孔隙结构变化规律研究

为研究冲击载荷作用下煤微观结构变化规律,采用低温液氮吸附实验对不同冲击荷载作用下王河煤矿煤样进行了试验研究,分析受不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构变化规律。结果表明:不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构会发生显著变化。当冲击载荷为68.21 MPa时,煤样部分中孔遭到破坏,煤样总孔容减小,微孔比表面积增加显著;当冲击荷载增加到120.64 MPa时,由于细颈瓶形状的微孔在冲击载荷作用下破坏,微孔比表面积所占比例明显减小,煤样孔容呈进一步减小趋势;可以认为在冲击载荷作用下,煤样微观结构从微孔向小孔、小孔向中孔及大孔转化,液氮吸附量持续减小。研究成果表明煤受外界冲击载荷作用会由于煤微观结构的变化进而影响煤瓦斯的赋存,煤开放孔的增加有利于煤矿瓦斯的抽放,对煤矿石门揭煤和煤松动爆破参数设计具有实用参考意义。     

基于层理和煤阶影响的煤体固有频率特征研究

为探明振动波激励煤体共振增渗技术的优势频率,采用自主搭建的煤体固有频率测试试验系统,依据敲击法测试原理对高、中、低3种不同煤阶的正方体干燥煤样进行三维面固有频率测试和分析。结果表明：汉宁窗较适合煤体振动信号FFT分析,可以准确识别频谱峰值所对应的频率,从而直接得出煤体的固有频率;力锤敲击力度只影响振动信号加速度幅值大小,对煤体固有频率变化无影响;同一煤样平行于层理面的固有频率大于垂直于层理面的,且垂直于层理两个面的固有频率略有差异;受煤基质、矿物质含量等因素影响,高、中、低3种不同煤阶煤样的力学性质不同,这是造成不同煤阶煤体固有频率差异性的主要原因。研究结果可为振动波激励煤体共振增渗技术应用提供理论依据。     

Fenton试剂在中密度纤维板废水处理中的试验研究

研究了Fenton试剂最佳反应条件,探讨了该方法对中密度纤维板废水中的COD和甲醛的去除作用机理,进行了Fenton试剂和生化法联合处理试验.结果表明:当加入1.50 mL/L 30.0%的H2O2、200 mg/L的Fe2+溶液,调pH值为3.5,反应20 m in后,对中密度纤维板废水中COD和甲醛去除率分别达98.0%和99.7%.     

绝热氧化法研究煤的自燃特性

介绍了一种绝热氧化实验设备及其实验方法，利用该设备测试了3种煤样的低温氧化自热升温过程，成功实现了100g左右小煤样的煤自然发火过程模拟试验研究，获得了煤在绝热状态下的氧化升温曲线，建立了煤的绝热氧化产热量计算的数学模型，对实验过程中煤在绝热条件下的氧化产热量进行了计算，获得了不同温度段煤的绝热氧化升温速率和产热速率。     

煤与瓦斯突出模拟试验的研究现状与展望

综述了煤与瓦斯突出模拟试验研究现状,主要从瓦斯压力、地应力和煤体物理力学性质及其综合作用方面分析了其对煤与瓦斯突出的影响以及在这些因素影响下的突出特点、形式和规律。鉴于煤与瓦斯突出的复杂性,目前的研究还存在以下不足:(1)试验过程中用的都是颗粒煤或者是型煤,很难真实反映现场的煤层物理特性;(2)试验载荷的施加方式和大小反映不了现场煤体中真实的三维应力状态;(3)实验室模拟试验中的突出口多数情况是人为打开的,而不是煤体内部达到突出条件后自主打开的。建议使用原煤煤样、加大模拟实验尺度、采用真三轴加载方式、合理设置突出口进一步开展多因素耦合的煤与瓦斯突出模拟试验,对煤层瓦斯突出机理的研究具有重要的现实意义。     

微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响

针对3组不同变质程度的软硬煤样,采用等温吸附实验分析了不同软硬煤的瓦斯吸附特性;通过低压液氮吸附实验,研究了不同软硬煤的孔隙结构特征,从煤的物理微结构(孔隙结构)角度分析了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理;同时对不同软硬煤样进行了红外傅里叶光谱(FTIR)实验,研究了不同软硬煤的表面化学微结构特征及其对瓦斯吸附行为的微观作用机理.研究结果表明:不同软硬煤样的瓦斯吸附能力差异明显,随煤阶的升高,VL从17.35cm3/g增加到37.89cm3/g,pL在0.88~1.75 MPa范围内变化;肥煤和焦煤软煤的瓦斯吸附量均明显高于同种变质程度的硬煤,而无烟煤则正好相反;软煤的总比表面积始终明显大于对应的硬煤,不同软硬煤样的孔径分布峰值均出现在3~10nm的微孔范围内,微孔所占孔比表面积比例均大于50%,是比表面积的主要贡献者;肥煤和焦煤软煤较同阶硬煤拥有更大的比表面积和更少的含氧官能团,具有超前演化的特征,展现出了更好的瓦斯吸附性能;而无烟煤软煤较硬煤的成熟度更低,含氧官能团含量更高,导致其瓦斯吸附量小于相应的硬煤.煤体瓦斯吸附行为不仅受孔隙结构的影响,还与化学结构紧密相关,在实际应用中应同时予以考虑.     

巨厚火成岩对下伏煤层煤与瓦斯突出事故控制作用

以海孜煤矿120m巨厚火成岩下伏煤层群12个煤样为研究对象,采用工业分析、压汞试验和显微组分定量的方法,对比分析了7,8,9,10煤层的多元物性参数和与火成岩距离的关系.结果表明:煤层靠近巨厚火成岩,连续煤样的挥发分Vdaf有减小的趋势,灰分Ad有增加的趋势.煤样的孔隙率和比表面积有缓慢增大后急剧下降的趋势,这和岩浆侵入7煤有关.镜质组反射率Rm取值范围为2.358%～2.777%,煤层靠近岩床,Rm值有递增的趋势,煤的变质程度和成熟度提高.巨厚火成岩的热演化范围大于168m(1.4倍岩床厚度).火成岩像个密封盖,对下伏煤层瓦斯有圈闭作用,容易发生煤与瓦斯突出事故.     

煤层开采过程中CO气体来源实验测试与分析

煤层开采过程中易出现CO气体超限现象影响安全生产,亟需开展CO气体的来源和产生规律研究.对3种不同变质程度煤样(无烟煤、贫煤、焦煤)在氮气和空气氛围下开展破碎实验,测试CO气体和煤样温度;通过煤样恒温加热实验,研究在不同温度和气氛下CO,CH4气体体积分数变化规律.结果表明:煤样在氮气氛围下破碎过程中产生CO气体体积分...     

振动流态化的能量传递机制及对细粒煤的分选研究

研究了振动能量在粗颗粒(直径大于1mm)气固流化床中的传递与耗散规律,分析了振动改善流化性能的机制,揭示了振动流化床对细粒煤的分选机理.分别对6～3mm和3～1mm粒级乌海煤样进行分选,试验结果表明:振动流化床可有效排出高灰矸石,得到低灰精煤产品,2种入选煤样的分选可能偏差E值分别为0.19～0.225和0.175～0.195,说明了振动流化床可以有效地实现细粒煤的分选.     

煤对N2/CH4/CO2混合气体竞争吸附特征与机理研究

为研究煤对N₂,CH₄及CO₂混合气体的竞争吸附特征及其机理,通过混合气体吸附/解吸装置,结合穿透曲线法,对大柳塔(DLT)、硫磺沟(LHG)、瑞能(RN)、山阳(SY)和屯宝(TB)5种煤样,开展了温度为20℃、注气压力为0.25 MPa条件下N₂,CH₄和CO₂等比例混合气体的竞争吸附试验,得到了不同煤样对混合气体竞争吸附的规律;通过低温氮气吸附法,分析了5种煤样的孔隙结构,研究了孔隙对混合气体竞争吸附的影响.结果表明：DLT,LHG和RN煤样中N₂和CH₄先达到吸附平衡,一段时间后这2种气体在装置出口端的体积分数均超过其初始体积分数,而SY和TB煤样中只有N₂的出口端体积分数超过了其初始体积分数.试验结果与Yoon-Nelson模型拟合结果较好,线性相关系数R²基本可达0.9以上;各煤样传质速率常数均有k(N₂)>k(CH_4<...     

松软煤层穿层钻孔水力压裂实验研究

分析了煤层水力压裂增透的原理,设计了两个穿层钻孔(一个压裂对象为构造软煤,另外一个为软煤的坚硬顶板)的压裂方案,在淮北矿业(集团)有限责任公司临焕煤矿进行了现场试验,采用压裂后钻孔瓦斯抽采浓度与流量等指标考察压裂效果.试验表明,水力压裂对松软煤层效果甚微.针对这一问题,提出了对松软煤层的坚硬顶板进行压裂以达到对该煤层卸压增透的目的,现场结果表明松软煤层顶板压裂能大幅增加松软煤层的渗透率,增强瓦斯抽放的效果.     

煤晶体结构受构造变形影响的研究

通过对38个原生结构煤样和47个构造煤样的晶体结构参数对比分析,探讨了煤的晶体结构与煤化作用跃变和煤体变形之间的关系.结果表明,原生结构煤和构造煤晶体结构的演化规律与煤化作用跃变有着紧密的联系;构造煤的晶体结构参数在不同煤化作用阶段与原生结构煤相差很大;尤其是构造煤的La:Lc,在Ro6.0%时随着煤阶的升高呈现倒"U"字形,且比值均小于1.     

酶促Fenton法处理造纸废水的研究

探讨了采用酶促-Fenton法工艺联合处理废纸浆废水的技术方案,即主要利用造纸工业中常见的纤维素酶、木聚糖酶,酶分别和Fenton试剂作用对废纸浆废水进行处理,研究了酶投加量,反应温度,反应时间,pH等因素对废水处理效果最佳时的工艺条件.通过对添加纤维素酶、木聚糖酶和Fenton试剂处理造纸废水的工艺研究表明:纤维素酶和Fenton试剂共同处理废水时,COD去除率最大达到67.78%;木聚糖酶和Fenton试剂共同处理造纸废水时,COD去除率最大达到67.18%.最终得出:当纤维素酶、木聚糖酶和Fenton试剂一起作用时,COD去除率最大达到68.22%.     

基于分子动力学模拟的非离子表面活性剂对煤润湿性影响机制

煤矿深部开采条件下煤尘灾害严重,采用非离子表面活性剂可有效改善煤尘润湿性,抑制煤尘的产生和扩散。为了探究非离子表面活性剂对煤尘表面的润湿过程和润湿机理,采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法,研究非离子表面活性剂月桂基葡糖苷（APG）与曲拉通X–100（Triton X–100）对煤尘表面润湿性能的影响;基于苯环碳骨架结构建立3组煤–水界面吸附体系模型,对比分析表面活性剂在煤表面的吸附平衡构型和分子空间分布,计算煤–表面活性剂–水间相互作用能及能量组成变化,考察APG和Triton X–100与水分子形成氢键的能力;以河南平顶山矿区丁、戊、己3组煤层煤样为测试对象,开展沉降和接触角实验并计算煤样表面自由能组成,验证模拟结果,利用傅立叶红外光谱（FT–IR）测试煤样芳香烃基团特征,验证Triton X–100与煤分子间的作用机制。结果表明：达到吸附平衡状态时,非离子表面活性剂分子通过烷基链相互连接,形成聚集状态,在煤–水界面与水–气界面均有分布;Triton X–100通过增强与水分子的相互作用,促进水分子在煤表面的吸附,对煤表面润湿性能影响较大。室内试验结果表明,Triton X–100对煤表面的润湿效果优于APG,质量分数为1.5%时效果最优,且煤尘中的芳香烃含量越高,越利于Triton X–100的吸附。研究成果可为深部开采的高效抑尘剂研发提供理论指导和借鉴。     

不同温度条件下煤的恒温氧化特性实验研究

通过不同环境温度下煤样的充分氧化实验,获得了煤氧化过程的温度变化曲线,同时对各充分氧化煤样微观结构的变化规律进行了红外光谱测试.结果表明,在一定温度下,煤经过一段时间氧化后反应停止,但在更高的温度下反应又重新开始,因此煤具有随温度变化分阶段发生氧化反应的特性.这主要是由于煤体中各种官能团活化并参与反应,需要不同的能量.一定的温度下参与反应的官能团的种类及数量是一定的,要让更多的官能团发生氧化反应,只有提高温度,给其提供更多的能量.研究从恒温环境角度探讨煤氧复合过程,该条件下煤加热过程所表现出来的温度变化规律,进一步揭示了煤氧复合作用机理.     

粒径对煤氧化升温进程影响的试验研究

为研究粒径对煤氧化升温进程的影响,利用程序升温试验系统,分析潞安集团李阳煤矿15号煤层5种不同粒径煤样氧化升温进程中O_2,CO,C_2H_4等气体的生成规律,并计算了不同粒径煤样的耗氧速率和CO,CO_2,C_2H_4气体的产生速率以及煤自燃倾向性判定指数。结果表明:该煤层自燃临界温度约80℃,干裂温度约135℃,气体产生速率临界温度约160℃;从试验初期到干裂温度段,各煤样气体生成总量变化不大,超过干裂温度后,气体生成量变化幅度增大;煤样在超过气体产生速率临界温度后,各气体的产生速率开始有较大幅度增加,且粒径越小的煤样气体产生速率的变化幅度越大;随着煤样粒径的减小,煤样和O_2反应面积增大,交叉点温度相应降低,煤样粒径对煤自燃倾向性有明显影响。