煤岩的纳微力学特性研究:以Pocahontas煤岩为例

煤岩的力学特性是煤炭开采设计及安全开发过程中要考虑的重要因素。尽管目前对煤岩的宏观力学性质已经有深入的研究,但是对煤岩纳微尺度力学性能测试及相应的力学参数测试却少有涉及。笔者采用原子力显微镜峰值力轻敲模式(AFM PeakForce Tapping mode)对美国阿帕拉契亚山脉地区Pocahontas煤岩进行试验,定量分析其纳微尺度形貌,纳微尺度的力学参数及相应的纳微尺度力学特性。研究表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以定量测定纳微尺度煤岩的形貌、折减杨氏弹性模量(DMT)、黏附力、变形量和耗散能,并将测试结果以二维和三维的形式进行展示。该测试煤岩的DMT模量为10～14 GPa,黏附力约20 nN,最大变形量约12 nm,耗散能约3 keV。该结果表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以用来测定煤岩纳微尺度力学参数,为研究煤岩的纳微力学特性及相应的煤岩力学数值模拟试验奠定基础。该试验方法不仅对研究纳微尺度煤岩破裂机理和解释煤岩瓦斯耦合作用(吸附等)而产生的力学现象有一定的指导作用,同时也为探索煤岩纳微力学特性提供一种新的研究方法和视角。     

火成岩侵入区煤岩变质特性实验研究

针对火成岩侵入煤层、正常煤层进行了单轴、三轴和XRD实验,研究了不变质程度煤样的力学性质和细观成分特征。研究发现,受到火成岩侵入影响,煤体在宏观上表现出了石英的一些属性,煤体的变质程度加强,煤层发生了受热变质、硅化,脆性增强,容易破碎。     

不同变质程度煤尘爆炸残留气体特征研究

为分析不同变质程度煤尘爆炸残留气体成分的特征规律,利用水平管道煤尘爆炸实验装置进行了贫瘦煤、肥煤、气煤、长焰煤4种不同变质程度的煤尘爆炸实验,研究了不同变质程度煤尘爆炸后气体残留物含量的差异,并对气体残留物产生机制进行了分析。研究结果对于揭示煤的变质程度与煤尘爆炸气体残留物成分特征的关系以及研究煤尘爆炸机理具有重要意义。     

西山煤田不同变质程度煤孔隙结构分形特征及影响因素研究

为研究煤的多孔介质属性及其分形特征,以山西沁水盆地西山煤田为研究对象,采用扫描电镜(SEM)分析了煤表面孔隙结构特征.基于SEM图片,通过盒维数法计算得到了不同煤样表面孔隙分形维数,并分析了其影响因素.研究结果表明:煤表面具有显著的分形特征,分形理论能够较好地描述煤孔隙结构复杂程度;在本测试煤样中,不同煤样分形维数值在...     

我国西部弱还原程度煤分布及煤质特征研究

以详实的原始测试数据为资料,分析了我国西部弱还原程度煤的煤岩、煤质总体特征.研究表明,与同变质程度的其它地区煤相比,西北侏罗纪弱还原程度煤中惰质组及过渡组分含量较高,导致其挥发分产率较低,氢含量低、氧含量相对较高,黏结性较弱,煤种以不黏煤和弱黏煤为主.沉积环境的弱还原程度主要对中低变质程度烟煤的性质有明显影响.     

煤岩摩擦过程表面电位特征规律实验研究

实验研究了煤岩摩擦过程中表面电位及其变化规律,初步探讨了煤岩摩擦表面电位变化机理。结果表明：煤岩摩擦过程中有表面电位产生,并且与载荷有较好的对应关系。煤岩摩擦过程分别经历了静摩擦阶段和动摩擦阶段,且动摩擦阶段的表面电位信号强于静摩擦阶段。岩石摩擦过程表面电位信号基本呈正负双向突变,摩擦面两侧表面电位极性相反,具有对称性;煤样摩擦过程表面电位信号基本呈单向突变,摩擦面两侧表面电位极性对称不显著。煤岩摩擦引起表面电位发生变化可由摩擦起电、热电子发射和场致电子发射等机制解释。     

不同成像原理显微镜在煤微表面形貌表征中的应用

本文分析了光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜的基本成像原理,并通过3种显微镜表征了煤样新鲜断面和抛光表面不同尺度的形貌。研究结果表明,光学显微镜下由于观察范围内煤样新鲜断面各点距离焦点不同使得观察到的图像常出现模糊不清的区域;抛光煤样表面较为平整,成像效果相对较好,且可以定性分析煤的不同组分。扫描电子显微镜扫描倍数可连续放大,且能通过二维图像显示三维结构进而得到更细致的微表面信息,其对抛光表面形貌的观察可以定性分析煤的不同组分。原子力显微镜得到的三维图像较二维图像能够更加直观地展示微表面形貌,微表面粗糙度、高差数值及其统计分布规律可准确得到;原子力显微镜可详细表征纳米级裂隙及其宽度,得到裂隙截面上3处宽度分别为21.63 nm、17.31 nm、8.66 nm。在煤样表面形貌研究中,若将光学显微镜细观表征、扫描电子显微镜微米级扫描和原子力显微镜纳米级探测三者相结合,可精确表达煤样从整体到局部、从毫米级到纳米级的特征,得到较为全面连续、定性定量的信息。     

不同变质程度煤自燃指标气体优选

指标气体作为预测预报煤炭自然发火的主要手段得到广泛应用,而其关键问题在于指标气体对煤自燃预测的灵敏度与准确度。总结前人研究成果,根据指标气体选取原则,在此基础上进行不同煤种煤样实验研究。采用程序升温-气相色谱试验,分析煤自燃氧化过程气体产物与温度之间的关系,选取各煤种适宜的指标气体,并以温度为参考对各气体预测指标进行灰色关联度分析,从中筛选出关联度最高的前3种气体预测指标作为主要预测指标与辅助指标,从而提高煤炭指标气体预测预报指标的可信度。     

不同变质程度煤体微孔多重分形特征研究

为研究不同变质程度煤体微孔孔径多重分形的特征,根据低温液氮吸附实验数据,运用多重分形理论对4种不同变质煤体样品微孔的多重分形特征、以及孔隙特征与变质程度之间的关联展开研究。结果表明：4种煤样微孔均具备了多重分形的典型特征,变质程度越高煤样的微孔分布非均质性越强,其微小孔拥有更大的比表面积,将会为瓦斯气体提供更多的吸附位,拥有更大的解吸量;4种煤样的微孔孔径多分布在孔隙空间较为狭小的区域中,约为7～9 nm;微孔结构在弱变形作用下的非均质性明显,在此区域内,较大的孔径分布均一;但从整体看,其连通性与变质程度关系不明显且孔隙以聚集和分布不均匀为主导。     

华北地区不同变质程度煤的物性特征及成因探讨

通过对采自华北9个矿区10块煤岩样品进行了镜质组反射率测定、显微组分分析、比表面积测试、显微裂隙统计和甲烷等温吸附试验,分析了不同变质程度煤的物性特征,并结合华北煤的变质背景,探讨了其物性差异的形成原因。研究发现,煤的变质程度和变质类型影响煤的显微组构、孔隙结构和裂隙演化规律,这是造成煤物性差异的主要原因。微观分析表明,煤在不同的变质阶段,其大分子结构发生一系列变化,造成煤的比表面积和吸附能力的大小呈现规律性的变化。     

不同变质程度煤燃烧阶段链烃生成规律

为研究封闭火区内不同煤种生成气体组分及变化规律,选取平庄矿褐煤、王营矿气煤、朱仙庄矿焦煤和马堡矿瘦煤为试验煤样,通过热重确定了煤燃烧阶段的温度范围。采用双管电炉自制程序升温燃烧试验对4种不同变质程度的煤进行燃烧,对生成的链烃初现温度、体积分数及氧浓度变化规律进行了分析。研究结果表明:褐煤、气煤、焦煤和瘦煤燃烧阶段温度分别为247~433,279~542,313~574和333~618℃;煤变质程度越高,则其生成链烃气体的体积分数越小且耗氧量越大。当发生火灾事故且封闭火区后,可以综合考虑煤变质程度与火区监测的链烃生成量等因素,并根据链烃气体与温度的变化规律判定封闭火区火势发展状况,为进一步开展灭火奠定基础。     

不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响

为研究煤的纳米级（<100 nm）孔径对吸附常数的影响,对9种不同煤样的孔径分布和吸附常数进行测试,测试结果表明：煤的变质程度越高,吸附常数a值越大,吸附常数a值随着煤变质程度的降低呈现出线性减小的趋势。煤的变质程度对大孔（>1 000 nm）孔容的影响较大,对微孔（<10 nm）比表面积的影响较大。采用曲线相似度法分析吸附常数a和b的主导因素,结果表明：纳米级孔比表面积决定煤的吸附能力,吸附常数a随着纳米级孔比表面积增加呈线性增加;纳米级孔的容积决定煤的吸附速率,吸附常数b随着纳米级孔容积的增加亦呈线性增加。     

[BMIM][BF4]对不同变质程度煤自燃热行为的影响研究

离子液体作为新型阻化剂可溶解破坏煤中活性基团,抑制煤氧化反应进程,从根本上达到阻化煤自燃的目的。但不同变质程度煤样微观结构不同,而且离子液体成本较高,因此,难以在煤自燃领域现场实施应用。基于此,考察了离子液体对不同变质程度煤自燃热行为特征的影响,且从经济性和实用性方面考虑,选用低浓度(质量分数为5%)1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])对褐煤、长焰煤、气煤以及1/3焦煤进行热重-差热联用(TG-DSC)实验和热物性参数测试实验,得出离子液体处理不同变质程度煤的特征温度、热效应及热物性参数变化规律。结果表明:离子液体延后了煤失重过程中的特征温度,提高了煤自燃过程中的初始放热温度和最大热释放速率温度,对最大放热速率以及放热量都有着明显的抑制效应,且抑制作用随着煤变质程度的升高而减弱,说明离子液体对于低阶煤效果较好;与原煤样相比,离子液体处理煤样的热扩散系数和导热系数较低,比热容则较高,说明离子液体降低了煤体之间热量传递的速度,增加了煤体温度上升所需的热量,弱化了煤体因温差传递热量的能力,对煤样的传热性能起到了抑制作用,并且煤的变质程度越低,抑制效果越明显。结果可为离子液体抑制煤自燃领域的推广及现场应用提供借鉴。     

不同煤阶煤孔隙特征及其吸附能力响应

我国是煤炭资源大国,煤层气储量规模相当可观,但煤储层又具有低孔、低渗的不足,照搬国外或常规石油天然气的开采程序和方法已被证实是走不通的。应结合实际,根据不同地质条件、不同煤阶的开采程序,进行孔隙特征研究。煤孔隙特征、连通性和吸附能力对煤层气开采影响尤为重要,为研究煤孔隙结构特征随煤变质程度的变化关系及其吸附能力的响应特点,采取不同地区不同变质程度煤样,进行压汞测试和等温吸附实验。实验结果表明,煤孔隙度和平均孔径均随变质程度增加呈现降低—升高—降低的趋势;煤中孔隙连通性随煤变质程度增加逐渐变差;随煤变质程度增加,其最大吸附能力也呈现降低—升高—降低的总体趋势。     

Impact of gypsum supersaturated process water on the interactions between silica and zinc sulphide minerals

Flotation recovery and selectivity problems have been reported in the flotation of fine sulphide minerals in gypsum supersaturated process water. In this study, the effect of gypsum supersaturated solution on the interactions between silica and sphalerite (ZnS) minerals was examined by observing deposition behaviour of silica nanoparticles on sphalerite surface using a quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). Significant deposition of silica nanoparticles on ZnS coated sensor surface was observed in the gypsum supersaturated solution, indicating consequential slime coating of silica fines on sphalerite mineral surface. Substantial deposition of silica nanoparticles on SiO₂ coated surface was also observed suggesting strong homo-aggregation of silica fines in the gypsum supersaturated solution. The interaction behaviour between silica–sphalerite and silica–silica is mainly attributed to the high calcium concentration of the gypsum supersaturated solution. Similar deposition behaviour of silica nanoparticles onto ZnS or SiO₂ coated sensor surface was observed in 800 ppm calcium solution, which is similar to the calcium concentration of the gypsum supersaturated solution. Colloidal force measurement between a silica particle and a fractured sphalerite surface or a silica wafer surface by an atomic force microscopy (AFM) revealed attractive van der Waals force between the mineral particles in both gypsum supersaturated solution and 800 ppm calcium solution. The high calcium concentration of the gypsum supersaturated solution induced the hetero-aggregation between silica and sphalerite, accounting for the observed decrease in flotation selectivity.