不同变质程度煤微观结构特征的试验研究

不同变质程度的煤具有不同的自燃倾向性,研究煤的微观结构特征,对揭示和表征不同变质程度煤自燃的内在属性具有重要意义。以巴拉普库利亚、张家口、龙固、埠康等7个矿区的煤样为研究对象,分析了不同变质程度煤的表面特性、微晶结构和官能团的变化规律,进一步揭示了煤自燃性的内在微观机理。结果表明:煤表面性质参数随变质程度加深先减小后增大,微晶结构阶段性是导致这种变化的关键,且煤Cdaf为90%左右是转折点;随变质程度加深,煤分子内部微晶结构排列逐渐有序化,芳香环深度缩合,脂肪层结构含量减少,煤自燃性减弱;随煤变质程度加深,煤分子中羟基、羰基、烷基醚和芳香醚等官能团的含量均逐渐降低,这些官能团数量的差异决定了煤内在自燃性的难易程度。     

响应曲面法优化表面活性剂改性低渗透煤体工艺

为了改善我国煤层渗透性低、结构致密的特点,以提高煤层渗透性、减少煤层冲击性、防止瓦斯事故为目的,通过单因素实验初步确定表面活性剂改性低渗透煤体时SDS溶液质量浓度、浸泡时间和浸泡温度等因素对煤样孔隙率的影响,进一步采用Box-Behnken实验设计优化其工艺参数,并分析改性后煤样物相结构和微观结构。研究结果表明:表面活性剂改性低渗透煤体的最佳工艺条件是SDS溶液质量浓度为0.5 wt.%,浸泡时间为44 h,浸泡温度为40℃;该条件下煤的实际孔隙率为33.29%,与模型预测值33.37%非常接近,验证了响应曲面设计优化的有效性。改性后煤样碳酸盐矿物减少,硅酸盐矿物增加,内部有杂质残余;煤样表面凹凸不平,结构松散,孔隙增加,矿物解理面模糊不清,胶结面消失。     

球红假单胞菌降解褐煤的试验研究

通过分析球红假单孢菌降解褐煤时的煤样粒度,菌液用量、煤浆浓度和转化降解时间,研究以上各因素对煤炭微生物转化率的影响.研究结果表明,各因素对煤炭微生物转化率影响的大小为煤样粒度>煤浆浓度>降解时间>菌液用量.试验条件下,各因素的最优水平为煤样粒度0.2～0.5mm、菌液用量5 mL/100mL、煤浆质量浓度0.3g/50mL、降解时间14 d,此时经硝酸预处理的义马褐煤的煤炭微生物转化率为74.30%.用XRD和FTIR测试分析了褐煤的微生物转化产物,结果表明,转化产物的芳香聚合度和分子量有很大程度降低,官能团含量也发生了变化,褐煤样中的大量芳香类高聚物降解为低分子量类物质及其他类物质.研究为实现煤炭微生物降解的产业化提供了参考.     

高温高压下煤孔隙结构的变化对瓦斯吸附特性的影响

为了研究高温高压条件下煤孔隙结构变化对瓦斯吸附特性的影响，选取九里山矿无烟煤，在压力为7 MPa、温度为40～130℃的条件下进行等温吸附实验和压汞实验。研究结果表明:煤样对甲烷的等温吸附曲线在该压力、温度条件下符合Ⅰ型吸附曲线特性，吸附规律符合Langmuir吸附模型；在压力7 MPa和温度130℃条件下，煤样的孔隙结构发生一定的变化，煤的比表面积增大、累计孔体积降低，可见孔及裂隙的数量比例增高，加强了煤样孔隙之间的连通度，导致原本吸附在煤样表面的甲烷分子大量解吸；在压力不变的情况下，随着温度的不断增高，煤的极限吸附量逐渐减小，其主要原因是样品孔隙结构的破坏和分子间作用力的变化。     

芳香类有机物的氯化反应特性研究

选取几种受污染水中有代表性的芳香类有机物进行氯化试验,研究芳香类有机物在饮用水消毒过程中的氯化反应特性,分析芳香类有机物的化学结构对生成消毒副产物三卤甲烷和卤乙酸的影响.1)各受试物质消毒副产物(三卤甲烷和卤乙酸之和)的生成量和生成速率从大到小依次为2,4-二氯酚、2,6-二氯酚、2,3-二氯酚、对苯二酚、苯酚、苯乙酮和苯甲醛.2)芳香类有机物氯化生成消毒副产物的特性取决于苯环上官能团的性质、数量和位置等.苯环上的供电子基有利于消毒副产物的生成,吸电子基则相反;苯环上羟基的数量越多,越容易生成消毒副产物;间位官能团结构的芳香类有机物容易生成三卤甲烷,邻位和对位官能团结构的芳香类有机物则容易生成卤乙酸.3)对苯二酚的氯化反应可分为快速反应和慢速反应两个阶段.     

不同变质程度煤燃烧特性及动力学参数研究

为研究煤的变质程度对煤矿火灾时期煤燃烧放热特性的影响,选取6种不同变质程度煤样作为试验样品,采用STA-449C型同步热分析仪进行热重(TG)试验。研究煤样的质量变化、放热量变化规律。通过对TG曲线进行一阶微分得到煤样失重速率(DTG)曲线。利用Freeman-Carrol模型计算各煤样的燃烧反应动力学参数。结果表明:失重率和最大失重速率随着煤样变质程度升高逐渐降低,DTG曲线近似符合Gauss分布;初始放热温度T_(f_0)随着煤样水分含量升高而升高;煤样变质程度升高,特征温度点T_1,T_3,T_(s_1)与T_4呈线性增加,T_(f_0)与T_(s_0)呈线性下降趋势变化;放热量随煤变质程度升高呈指数关系变化,相同温度时,煤样变质程度越高放热量越小;煤化程度越高,综合燃烧特性指数S越大,放热量越大,失水活化能、着火活化能与燃烧活化能均升高。     

粒径损伤对原生煤和构造煤孔隙结构与分形特征的影响*

为了分析构造煤与原生煤因孔隙结构不同而导致的内部瓦斯存储和运移所存在的差异性。结合低温液氮实验,分析2种煤样的孔隙特征参数与分形维数之间的关系,发现破碎作用对原生煤和构造煤孔隙的破坏路径略有区别。对于原生煤,破碎作用先作用于较大孔隙,之后对微孔产生影响;而对于构造煤,破碎作用直接对较大孔隙和微孔隙产生影响。研究结果表明:原生煤孔隙表面越粗糙、微孔比表面积越大,吸附能力越强;构造煤孔隙结构越复杂、微孔孔容越大,吸附能力越强。研究结果可为构造煤与瓦斯突出的防治提供研究基础。     

不同阶煤孔隙结构与流体特性的核磁共振试验研究

为探究煤储层结构及内部流体分布的特征,以不同区域的10组煤样为研究对象,基于饱水、离心及低场核磁共振系统,开展煤在不同状态下的低场核磁共振试验,在常规的单T2截止值基础上,提出利用双T2截止值,区分煤中流体的不可采出流体、毛管束缚流体及可动流体;搭建流体饱和度的模型,研究不同阶煤的孔隙结构特征与流体特性。结果表明:随着煤阶的升高,微小孔比例逐渐增大、吸附孔孔吼占比由51.77%增至90.19%,中大孔比例逐渐减小、渗流孔孔吼占比由48.23%降为9.81%;随着煤阶的降低,孔隙之间的连通性变好,渗透率由0.03 m D增至1.88 m D。煤样的孔隙度范围为0.73%～11.50%,T2CI与T2 CII的主要分布在0.17～2.31、0.97～15.70 ms,相应的饱和度分布在4.21%～53.33%、34.67%～66.60%、6.19%～37.84%。     

三轴加载条件下层理煤体的力学特性和破坏机制研究

为了探究围压和层理角度对煤体力学特性、变形破坏特征的影响,对不同层理角度煤样开展不同围压下的三轴加载破坏试验,并利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行研究。研究结果表明：煤样峰值偏应力随围压增大的平均增幅随α的增大呈“V”型分布,0°煤样平均增幅最大为14.51%,45°煤样最小为6.72%;随着围压增大,0°和90°煤样的峰值应变不断增大,45°煤样的峰值应变逐渐减小;围压增大使得煤样由局部破坏向整体性破坏转变,破碎程度显著增加;利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行分析发现：煤样的内摩擦角和黏聚力随层理角度增大先减小后增大;煤体在一定角度范围内沿结构面发生剪切破坏,超出这个范围产生复合破坏形式,逐渐趋向于完整岩石破坏。研究结果可为矿井围岩监测提供一定的参考和依据。     

冲击载荷作用下煤岩孔隙演化特征试验研究

为研究冲击载荷作用下煤岩的孔隙与裂隙演化特征,以贵州马场矿的突出煤岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统、核磁共振(NMR)试验系统和扫描电镜(SEM)试验系统对不同冲击载荷作用下的煤岩孔隙与裂隙的演化特征进行试验研究,分析煤岩在冲击载荷的作用下的孔隙、裂隙的演化规律与煤岩冲击对煤与瓦斯突出的影响。研究表明:随着冲击气压的增加,煤岩的微小孔峰值信号量与孔径占比先增大后减小,孔隙与裂隙的连通性增强,中大孔峰值孔径占比先减小后增大;马场矿煤样微小孔的孔喉分布占总孔喉的38. 85%～56. 14%,中大孔的孔喉分布占总孔喉的43. 86%～61. 15%;在冲击载荷作用下,煤体中孔隙与裂隙演化是以孔隙扩展、裂隙扩张与延伸和次生裂隙的产生等形式进行的,冲击载荷增强了孔隙与裂隙的连通性,瓦斯的吸附/解吸平衡被打破,瓦斯压力升高,煤体中产生了应力集中和能量积聚,使得煤与瓦斯突出发生的可能大大增加。     

热轧无纺布应用过滤材料探讨

三维网状立体结构PET短纤维热轧无纺布 ,孔隙小 ,分布均匀 ,表面积大 ,热轧点面积仅为 0 .176 4mm2 ,总空隙率达 6 5 %～ 75 %。经后整理硬挺化的无纺布制成的滤筒 ,最大限度地缩小了设备的体积 ,应用沉流式除尘器 ,1μm颗粒的相对过滤效率为 99.9%     

冷热交替作用致煤样裂隙结构损伤试验

为研究有约束煤样和自由煤样冷热交替作用下的裂隙扩展规律,采用液氮作为制冷剂对煤样进行冷热交替作用试验,使用激光显微镜观测冷热交替作用前后煤样表面原生裂隙扩展情况,利用声波测试仪表征煤样内部原生裂隙扩展情况,通过压缩试验机测量试验后煤样的承载能力。结果表明:1)冷热交替作用可以使煤样裂隙结构发生进一步损伤,裂隙宽度增大,煤样承载能力随裂隙结构损伤程度加深而减小;2)单周期冷热交替作用过程中,全浸泡煤样表面裂隙扩展最明显,而有约束煤样表面裂隙扩展最小;3)多周期冷热交替作用过程中,全浸泡和无约束注液氮煤样温度应力产生的结构损伤通过周期累积,在5周期时达到强度极限,发生破坏,而有约束煤样裂隙结构变化不明显。     

水分对无烟煤瓦斯吸附影响的低场核磁试验研究

为研究水分对无烟煤瓦斯吸附的影响,以山西晋城集团王台铺煤矿无烟煤为研究对象,利用低场核磁共振技术,研究了煤样在不同水分含量下的核磁共振T2谱图,分析了T2谱图核磁信号与瓦斯吸附量的关系。结果表明:煤中水分质量分数较大时,水分在微孔、小孔、中大孔内均有分布;水分含量较小时,水分主要存在于微孔内。瓦斯吸附量随水分增加而减少,但水分对煤瓦斯吸附的抑制程度不同,水分质量分数从0增加到1.92%,水分主要存在于微孔隙中,瓦斯吸附量显著降低;而水分质量分数从1.92%增加到3.09%时,水分主要在小孔隙及中大孔隙内增加,瓦斯吸附量降低幅度较小。微孔隙中水分对瓦斯吸附的抑制作用较明显,随含水量增加,瓦斯吸附速度逐渐降低,吸附平衡所需时间增大。     

CO_2致裂对煤孔隙吸解特性与分形特征影响研究

煤与瓦斯突出煤层普遍具有瓦斯含量高、渗透率低的特点,为了消除煤与瓦斯突出,采用CO_2致裂的方法,在贵州大运煤矿取样,开展低温氮吸附试验对比致裂前后煤的微观孔隙变化。采用静态容量法比表面及孔径分析仪测试CO_2致裂前后孔径范围在3～200 nm之间煤样,并运用FHH分形理论定量描述CO_2致裂对煤岩孔隙内表面作用过程。结果表明:CO_2致裂在3 m范围内对煤层的孔隙结构有显著影响,致裂后的煤样比表面积与最可几孔直径均明显减少,同时平均孔直径与孔容明显增加;致裂对微孔破坏效果显著,致裂后微孔数量降低一个数量级,降幅最高达到83. 93%;原煤的分形维数由2. 705 93降低到致裂后最低2. 553 78,说明贵州煤层孔隙表面复杂粗糙,利用CO_2致裂能使煤层孔隙表面趋于光滑;比表面积与分形维数具有正相关关系。     

预氧化浸水煤体表面结构变化及复燃特性*

为研究预氧化长期浸水煤体孔隙结构变化及贫氧复燃特性,以长焰煤原煤（RC）、浸水煤(S200)、预氧化200浸水煤(O200I200)、预氧化300浸水(O300I200)煤为研究对象,采用N2吸附、电镜扫描、热重实验手段,在21%,15%,10%,5%氧浓度下进行实验分析。结果表明:浸水后煤样比表面积增大,低温氧化最大质量变化率（DTG）较高,促进低温氧化过程煤氧复合反应;预氧化浸水煤样平均孔径增加,初始放热温度较小,总放热量增加,其中O200I200煤样热参数相对较大。随氧浓度增加,各煤样着火点温度减小,活化能增加,O200I200煤样的这2个参数较小;随氧浓度降低,煤样初始放热温度增加,最大放热量与总放热量减小。O200I200煤体孔隙较发达,锁水能力较强,持续升温后氧化能力较强,更易复燃。     

煤氧化放热特征及影响因素的关联分析

为研究煤在低温氧化过程中的放热特征，确定影响煤氧化放热强度的主要因素，以4种不同煤化程度煤样为研究对象，采用封闭式煤氧化试验方法，结合键能平衡法计算煤在25～70℃、氧气体积分数0～21%范围内的氧化放热强度，获得煤氧化过程中氧氧气体积分数、温度和氧化放热强度三者间的关系表达式；运用灰色关联法分析挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度。结果表明，煤耗氧速度、CO释放速率和CO₂释放速率随温度升高呈指数增长趋势。通过比较挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度可知，影响不同煤化程度煤样氧化放热强度的主要因素是煤自身的挥发分质量分数，而外部因素中的温度对同一煤样氧化放热强度的影响要强于氧气体积分数。     

静电场对煤体瓦斯扩散特性影响研究

为探究静电场对煤体瓦斯扩散变化特性的影响,自主设计并构建瓦斯解吸-扩散试验系统,选取古汉山矿、鹤壁六矿、平顶山八矿和义马耿村矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定电场强度为0、40、120、240 kV/m下的解吸-扩散量,并利用经典单孔扩散模型计算各煤样在4种场强作用下的扩散系数。结果表明:静电场下,随着施加场强的增大,煤样扩散系数具有先增大后减小的变化特征,且呈抛物线状;特征优势场强为40 kV/m时各煤样扩散系数达到最大,而其他场强作用下扩散系数都有所减小;对比不同变质程度煤样电场下扩散特性,结果显示,平顶山八矿肥煤在电场下扩散系数最大,义马矿褐煤扩散系数最小。静电场下扩散特性变化原因为:煤体和瓦斯分子发生激发极化改变了煤体表面吸附势阱深度;电场能引起煤体内微小孔的体积和比表面积增加(减小)。     

贵州六盘水矿区煤岩孔隙发育程度及渗透率演化规律研究

为探究煤岩孔隙结构与渗透特性的内在关系,以贵州六盘水3个矿区煤岩为研究对象,利用ASAP2020型比表面微孔分析仪和自主研制的含瓦斯煤三轴渗流装置,研究了其内部孔隙发育情况,并进行了不同孔隙压力下的三轴渗流试验。采用FHH表面分形计算分形维数,建立考虑分形维数的渗透率模型,通过试验结果与模型对比验证其合理性。结果表明:1)煤岩的吸附等温线具有Ⅳ型等温吸附线的特征,四角田煤矿7#煤层微孔到大孔均发育较好,松河煤矿3#煤层存在大量的"墨水瓶"形微孔,木冲沟煤矿8#煤层微孔和中孔较为发育; 2)煤样FHH分形维数介于2.4～2.8,与孔容、平均孔径和孔隙率均呈负相关关系,煤岩孔体积变化在20～40 nm阶段最为明显,累计孔隙容积迅速增加,煤层具有大量的微孔和过渡孔,孔隙发育良好; 3)煤岩渗透率均随孔隙压力升高而降低,四角田煤矿7#煤岩渗透率最大; 4)模型曲线与试验值吻合度较高,能很好地反映孔隙压力与渗透率的变化关系。     

寒冷地区不同煤样冻黏强度试验研究

寒冷地区煤炭运输设备上煤的冻黏严重影响煤炭运输的安全与效率,为分析各地不同煤样的冻黏强度特性及原因,选取各地5个存在冻黏现象煤矿的煤样,测试其在Q235和UHMWPE材料上的冻黏强度,并检测5种煤样的外在水质量分数、粒度和孔容分布,结果表明:在亲水性Q235材料上,内蒙古锡林浩特煤样冻黏强度最高(2.58 MPa),其次是辽宁铁法煤样(2.02 MPa)和黑龙江双鸭山煤样(1.36 MPa),北京大安山(0.773 MPa)和木城涧煤样(0.689 MPa)较低;不同煤样在疏水性UHMWPE材料上的冻黏强度分布在0.159~0.230 MPa。各煤样因煤质、采掘破碎工况、煤化程度等因素导致其粒度和孔容分布不同,使各自外在水质量分数不同,进而导致煤样在亲水性Q235材料上冻黏强度差别明显,外在水质量分数高的煤样冻黏强度相对较高;在UHMWPE材料上,各煤样的冻黏强度因材料的疏水性而对外在水质量分数差异不敏感,因而普遍很低且差别很小,可见采用UHMWPE基体材料对各地煤在运输设备上的冻黏具有一定防治作用。     

高阶煤酸化增透效果影响因素及机制研究

为使低透气性高阶煤达到最佳的酸化增透效果，以九里山矿无烟煤为研究对象，利用单因素法研究了酸化效果的主要影响因素，采用正交试验法优选了酸化增透试验参数；使用搭配能谱仪的扫描电子显微镜研究了酸化对煤表面微观孔隙结构及元素分布的影响；通过工业分析并借助X射线衍射仪研究了酸化对煤中矿物组分及含量的影响。结果表明：酸化效果随HCl质量分数的增加呈先增大后减小的变化规律，随HF质量分数的增加单调增加，在总质量分数相同条件下，混合酸液的酸化效果优于单组分酸的酸化效果；酸液对煤中矿物的有效溶解，使煤样表面出现许多溶蚀孔及裂隙，且溶蚀孔之间及孔隙-裂隙之间相互贯通形成大孔隙和裂缝，改善了煤中孔隙的连通性。