三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

地下含水层帷幕注浆单液水泥浆扩散规律研究

帷幕注浆逐渐成为矿井水害防治的主要技术手段之一,为解决帷幕工程中注浆孔间距的布设问题,通过室内试验得到帷幕注浆材料单液水泥浆的物理性能参数,采用COMSOL数值软件建立了地下含水层帷幕注浆单液水泥浆扩散数值模型,研究了地下含水层帷幕注浆工程中单液水泥浆的扩散机制。研究结果表明:单液水泥浆水灰比越大,浆液的凝结时间越长黏度越大,而结石率与抗压强度越小,根据所得浆液性能参数针对不同地层特征选取相应水灰比的浆液进行注浆;地下含水层帷幕注浆单液水泥浆的扩散形式以注浆孔为中心的圆形扩散,单液水泥浆的扩散半径随注浆时间的增加而增大,且扩散半径最终趋于稳定,稳定后的浆液扩散半径平均值为10.22 m,浆液扩散的范围可达到20.44 m;单液水泥浆扩散半径的理论计算与数值计算结果较为一致,理论解与数值解之间的误差小于5%,证明作者建立的数值模型用于研究帷幕注浆浆液扩散范围具有一定的可靠性。基于研究结果,选取帷幕注浆孔距为20 m,2排交错布孔,建立有效宽度约为40 m的帷幕墙,以阻隔帷幕墙外侧含水层中地下水向井田内的补给。帷幕墙建造完成后,通过检查孔对受注地层进行取心,得到含有浆液结石体的岩心,实验室...     

碱金属氯化物对金属材料的高温腐蚀特性研究

准东煤及生物质燃料中由于富含碱金属如Na、K等元素,在燃烧过程中会产生灰相关问题,易形成烟气侧受热面的积灰结渣以及金属管壁的高温腐蚀,影响金属管束的换热效率和使用安全,严重时会导致爆管,威胁锅炉的正常安全运行。通过模拟烟气气氛对金属材料15CrMoG和T91进行高温腐蚀试验,并采用KCl涂抹方法模拟受热面表面碱金属盐的沉积腐蚀现象,利用SEM、EDS和XRD等检测方法分析腐蚀产物的形貌与组成,研究金属材料、腐蚀时间和反应温度对碱金属氯化物高温腐蚀的影响。结果表明:金属表面的KCl涂层加剧了金属腐蚀,碱金属氯化物可有效加剧对金属材料的高温腐蚀程度。在不同腐蚀时间和反应温度下,金属材料15CrMoG的腐蚀增重与腐蚀层厚度均大于T91,表明T91的抗腐蚀性能优于15CrMoG。随着反应时间的增加,腐蚀增重与腐蚀增厚逐渐增大,而腐蚀速率逐渐降低,在腐蚀时间低于20 h时,腐蚀速率较快;处于20～48 h时,腐蚀速率明显降低,总体上腐蚀曲线符合抛物线规律。导致腐蚀后期腐蚀速率降低的主要原因是由于碱金属腐蚀会导致形成致密氧化膜覆盖在金属基体表面,对金属有一定的保护作用,减缓了腐蚀的发生。随着反应温度的增加,腐蚀加剧,在温度低于500℃时,腐蚀增重曲线斜率较小,腐蚀速率较低;温度高于500℃时,曲线斜率明显增加,腐蚀速率加快。腐蚀增厚曲线与增重曲线趋势基本一致,腐蚀曲线符合抛物线规律。随着温度的升高,碱金属腐蚀的化学反应速率与温度呈指数关系,温度升高,参加腐蚀反应的活化分子数增多,腐蚀反应速率得以迅速加快。由腐蚀微观形貌图可看到腐蚀前金属基体结构完整,表面较平滑,腐蚀后金属与腐蚀层的接触表面出现凹凸不平的结构,随着腐蚀时间的增加,腐蚀层的厚度逐渐增大。综合分析样品的SEM-EDS检测结果可以得到2种金属材料腐蚀产物的主要组成元素是Fe和O,结合XRD物相峰谱识别分析得到金属材料的腐蚀产物主要以Fe2O3的形式存在。