非阳离子表面活性剂对煤润湿性能影响的研究

为改善煤层注水效果,有效防治矿井瓦斯灾害,研究非阳离子表面活性剂对煤体的润湿影响。选择JCY接触角测试仪和BZY表面张力测试仪测定十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)和辛基苯基聚氧乙烯醚(TX-100)等4种非阳离子表面活性剂在不同质量浓度下的接触角和表面张力,并由此计算溶液的铺展系数、临界表面张力、黏附张力、黏附功和表面自由能等润湿性参数,分析4种表面活性剂对煤体润湿性能的影响。结果表明:4种非阳离子表面活性剂溶液的表面张力和接触角均与其溶液质量浓度成一阶指数衰减函数关系;铺展系数与表面活性剂溶液质量浓度成幂函数关系;黏附功和黏附张力与其溶液质量浓度均成负幂函数关系;表面自由能与其溶液质量浓度成负线性关系;SDBS和SDS溶液的临界表面张力、黏附张力、黏附功及表面自由能均小于AEO和TX-100,但铺展系数大于AEO和TX-100,说明SDBS和SDS对煤体的润湿性能优于AEO和TX-100,对煤层注水效果明显,进而抑制瓦斯浓度超限等灾害。     

超临界CO_2增透煤微观图像重构及三维数值模拟

针对我国低渗透煤储层渗透性差的特点,以超临界CO_2作用后煤的微观成像为基础,构建三维实体模型;考虑煤的热损伤效应,孔隙流体流动及有效应力对渗透规律的影响,利用增透后煤微观孔隙率的变化定义损伤变量,推导出损伤函数关系式,建立超临界CO_2增透煤在温度-渗流-应力耦合作用下的力学模型,模拟超临界CO_2在低渗透煤层内部的渗流运移规律。结果表明:由于煤体各处煤基质和矿物的密度、弹性模量和热膨胀系数等物理参数的不同及其分布的随机性,超临界CO_2注入过程中应力场、温度场、渗流场均呈现明显的非均匀性;在一定压力和温度超临界CO_2注入过程中,煤体内部各处孔隙、裂隙的变形、开裂以及扩展等的不均一性,使得煤体各处的损伤量不同。在其他注入参数一定的条件下,增加CO_2的注入时间,有利于提高煤体的渗透性。     

超临界CO_2增透煤微观图像重构及三维数值模拟北大核心CSCD

针对我国低渗透煤储层渗透性差的特点,以超临界CO_2作用后煤的微观成像为基础,构建三维实体模型;考虑煤的热损伤效应,孔隙流体流动及有效应力对渗透规律的影响,利用增透后煤微观孔隙率的变化定义损伤变量,推导出损伤函数关系式,建立超临界CO_2增透煤在温度-渗流-应力耦合作用下的力学模型,模拟超临界CO_2在低渗透煤层内部的渗流运移规律。结果表明:由于煤体各处煤基质和矿物的密度、弹性模量和热膨胀系数等物理参数的不同及其分布的随机性,超临界CO_2注入过程中应力场、温度场、渗流场均呈现明显的非均匀性;在一定压力和温度超临界CO_2注入过程中,煤体内部各处孔隙、裂隙的变形、开裂以及扩展等的不均一性,使得煤体各处的损伤量不同。在其他注入参数一定的条件下,增加CO_2的注入时间,有利于提高煤体的渗透性。     

SDBS与CaCl_2复配液对煤体瓦斯解吸抑制效应研究

为研究表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与CaCl_2复配液对煤体瓦斯解吸的抑制效应,选用新疆硫磺沟4—5号煤层煤样,采用HCA高压吸附解吸装置,测定干燥煤样、纯水、质量浓度2.5×10~(-2)g/m LSDBS及SDBS与CaCl_2复配液浸泡后煤样瓦斯解吸参数。研究表明:SDBS与CaCl_2复配液有效降低纯水的表面张力、煤样接触角,当质量浓度为2.5×10~(-2)g/m L的SDBS溶液与质量浓度为2.5×10~(-2)g/m L的CaCl_2溶液体积比为1∶3时,溶液表面张力降低至24.22 m N/m,煤样接触角降低至15.175°;随解吸时间增加,煤体瓦斯解吸量呈Langmuir关系逐渐增大后趋于稳定,瓦斯解吸速率迅速减小,当CaCl_2质量浓度为1.875×10~(-2)g/m L时,最大瓦斯解吸量为0.24 m L/g,最大解吸速率为0.8×10~(-2)m L/(g·s),对瓦斯解吸量及解吸速率的抑制效率最高。     

复合湿润剂对煤体渗透性及冲击倾向性影响的试验研究

我国煤矿逐步进入深部开采阶段,利用注水技术防治冲击地压等煤矿动力灾害时,单纯湿润剂的湿润能力已无法满足深部开采防冲需求。因此为了提高深部开采煤层防治动力灾害的效果,选用一种注水增强剂来增加注水效果,增强剂主要成分包括螯合剂和湿润剂,即亚氨基二琥珀酸四钠(IDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。在实验室对煤样进行了XRD试验,分析了煤中矿物质,利用ICP分析了浸泡后溶液中的矿物质离子变化,通过单轴抗压试验测试了组合剂作用后煤样的冲击倾向性变化等。结果表明:在IDS+SDBS浸泡煤样后,由于螯合剂可以将金属离子螯合形成稳定的物质,从而致使溶液中Ca~(2+)、Mg~(2+)、Fe~(2+/3+)等离子大量浸出,煤体中的黄铁矿、方解石等物质部分被解络,打开了煤体中的次生孔隙,增加了水在煤层中的流动性;组合剂还增加了煤表面的亲水性基团的数量,降低了疏水基团的数量,从而使煤体具有了很好的湿润性;组合剂作用后煤样的冲击倾向性也大幅度降低。研究表明,以IDS+SDBS作为煤层注水添加剂用来防治"高应力、低渗透"煤层的冲击地压复合动力灾害是可行的。     

表面活性剂用量对有机膨润土稳定性的影响

为研究有机膨润土的稳定性,通过添加不同用量的表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)对有机膨润土进行改性处理.将制成的有机膨润土加入清水中,通过不同振荡时间、振荡强度、超声处理时间、温度、pH值及不同浓度盐溶液的处理后,测定离心得到的上清液中总有机碳(TOC)的含量.结果表明,相同处理条件下(超声处理除外),有机膨润土的稳定性均随着改性时表面活性剂用量的增加而逐渐降低.当表面活性剂用量小于或等于膨润土阳离子交换量(CEC)时,制备的有机膨润土比较稳定.振荡时间、振荡强度及反应温度对有机膨润土稳定性的影响不明显;增加超声波处理时间、pH值过高或过低均会降低有机膨润土的稳定性;提高处理溶液中的NaCl、CaCl2浓度.可增加有机膨膨润土尤其是高表面活性剂用量的改性有机膨润土的稳定性.因此,为避免有机膨润土的二次污染,在利用表面活性剂制造有机膨润土时,应根据膨润土的阳离子交换量确定适宜的表面活性剂用量,并使溶液pH值处于中性范围.     

高压空气爆破低透气性煤层增透技术应用研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采率低的问题,依据爆破理论,提出高压空气爆破冲击煤体技术,通过改变煤体的渗透性系数以提高煤层瓦斯抽采率。研制高压空气爆破成套装备,在淮南丁集煤矿实施井下高压空气爆破煤层试验,对比爆破孔瓦斯流量变化,分析增透效果。地面爆破试验结果显示:煤体试件被破坏,爆破区域内的裂缝增多,相互贯穿至样品表面,渗透性系数改变巨大。井下煤层爆破试验结果显示:试验煤层透气性得到较大改善,观测孔的瓦斯涌出量与抽采量均明显增加,部分孔的瓦斯流量增幅达55.56%,抽采瓦斯纯量最大提高了400.65%。     

冷冲击条件下饱水煤样结构损伤规律研究*

为探究煤体在冷冲击影响下强度损伤特征及细观结构演化规律,通过自制低温冲击系统,利用声发射、金相显微镜宏观与细观手段结合的方法,基于ImageJ图像分析软件分别对干燥煤样、饱水煤样冷冲击前后细观结构演化进行量化表征,并通过测试渗透率验证煤体结构变化带来的增透效果,研究结果表明:在煤体中超声波波速随冷冲击温度降低而下降;相同时间内,冷冲击温度越低,声发射振铃计数表现越活跃,煤体释放能量愈大,致裂效果越显著;经冷冲击后的饱水煤样相对于干燥煤样会产生更多的斜向新生裂隙,新萌生裂隙与原生裂隙交汇贯通形成絮状网格,其渗透效果显著提升;随冲击温度的降低,抗压强度、弹性模量均增大。研究结果可为低温改善煤层透气性,增产煤层气及矿井瓦斯灾害防治技术提供理论依据。     

煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究

为明确煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿能力的影响,以径长范围为小于74、74～104、104～147μm的3种红柳煤样为研究对象,开展沉降试验。选取十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐(FMES)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、异辛醇聚氧乙烯醚(JFC)和辛癸基葡糖苷(APG)5种表面活性剂,将其以质量比1∶1两两复配成10种复配组合,分别对单体和复配溶液作沉降试验,探究不同粒径煤尘在复配溶液和组成它们的表面活性剂单体溶液中的沉降速度变化特征。结果表明：煤尘粒径不会影响表面活性剂之间的协同润湿作用,但会影响表面活性剂之间的协同润湿程度;不同复配组合之间的润湿能力强弱不因煤尘粒径改变而变化;相较小粒径煤尘,复配溶液质量分数提高对大粒径煤尘润湿能力的提升更为明显;SDS与JFC复配组合对不同粒径煤尘均有很好的润湿效果,通过表面活性剂处理前后煤样的红外光谱分析推测,SDS与JFC能够协同提高煤尘的润湿性。     

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。     

潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0 MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。     

不同磁化抑尘剂对煤粉润湿性影响规律的实验研究

针对微小粒径粉尘具有危害大且难润湿的问题,基于润湿剂与磁场对水滴颗粒的耦合改性机理,研究不同磁场强度下各抑尘剂对煤粉润湿性影响,采用座滴法测定磁化试剂的煤粉表面接触角,通过粉尘润湿机理进行分析,煤尘沉降Walker实验进行佐证,得到抑尘剂种类、浓度与磁化强度对煤粉的润湿性规律。结果表明:未经磁化的高于临界胶束浓度值溶液对煤尘的润湿能力变化不大,阴离子表面活性剂溶液对煤样的润湿能力强于非离子表面活性剂溶液和阳离子表面活性剂溶液;磁化强度为500 mT的磁化溶液对煤尘润湿能力达到最佳效果。     

空气湿度对煤自燃特性影响的试验研究

为研究空气湿度对煤自燃特性的影响,运用程序升温试验台,在不同环境湿度条件下,对黄陵2号矿4#煤层煤样进行程序升温,分析不同温度下的气体成分,计算煤样在不同温度和湿度条件下的耗氧速率、CO和CO_2产生率,以及煤氧化的表观活化能。结果表明:与在干燥的空气中氧化相比,煤在加湿空气中的耗氧速率、CO和CO_2产生率升高,活化能降低,表明加湿有利于煤自燃;随空气湿度增加,煤体的耗氧速率、cO和CO_2产生率先升高后降低,活化能先降低后增加,表明存在一个最容易使煤氧化自燃的临界空气湿度;黄陵2号矿4#煤层煤样的临界相对湿度为25%左右。     

去除碱性染料吸附剂的制备及其吸附特性研究

本实验用橘皮果胶来改性纳米铁吸附碱性品红,用橘皮果胶来改性纳米铁,可以提高纳米铁对碱性品红的吸附。本文从吸附剂制备工艺的角度研究了橘皮果胶的质量浓度、改性纳米零价铁的投加量、活性剂羟甲基纤维素钠的投加量、吸附时间、温度、碱性品红的初始浓度对染料去除的效果,结果表明:在橘皮果胶质量浓度为2. 58%,将0. 02 g改性纳米零价铁和0. 1 g活性剂羟甲基纤维素钠投加到50 m L初始浓度为12 mg/L碱性品红溶液中,吸附时间60 min,吸附温度为60℃,改性纳米零价铁对碱性品红的吸附效果较好,改性纳米零价铁吸附碱性品红溶液遵循准一级反应动力学模型,平衡浓度对吸附量的影响符合Langmuir吸附模型,是以化学吸附为主。     

复合粒径松散煤体自燃过程的试验研究

为了研究复合粒径对松散煤体自燃的影响,利用自制试验装置对复合粒径松散煤体进行了绝热低温氧化试验。采用破碎机制出粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~9 mm、9~11 mm及11~13 mm的6种基础煤样。依据基础煤样进行煤炭自燃试验,试验共分为三大组:第一组为各基础煤样的单独氧化试验;第二组为某两基础煤样按1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1比例混合制成复合煤样的氧化试验;第三组为基础煤样1与其他各基础煤样分别按1∶1混合制成复合煤样的氧化试验。在试验过程中,对煤样的温度及试验装置出口氧气体积分数进行监测,得到了各类煤样温度及氧气体积分数的变化规律。研究结果表明:总体上,随煤样加权粒径的增加,煤样的平均氧化升温速率和在同一温度下的耗氧速率减小,耗氧及温升拐点出现的温度也逐渐升高;复合煤样的氧化升温过程受其比表面积和孔隙率的共同影响,当加权粒径小于6.35 mm时,孔隙率的影响较大,当加权粒径大于6.53 mm时,比表面积的影响较大;复合煤样加权粒径越小,各粒径煤样间的相互影响越强;复合煤样中各煤样间的粒径差距越大,煤样间的相互影响越弱。     

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。     

2种典型煤样承压过程瓦斯渗透特性试验

为探索同一应力加卸载路径下2种典型煤样(原生结构煤及构造煤)的瓦斯渗透规律,用3轴应力瓦斯渗流模拟装置,对2种原煤试件不同瓦斯压力承压时的瓦斯渗透特性进行试验研究。结果表明,加载阶段,随着加载应力的增大,2种煤样的渗透率均呈下降趋势,且初期降幅最急剧,当围压从0升到3 MPa时,2种煤样的渗透率分别下降64%和70%;卸载阶段,渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后,2种煤体的渗透率分别恢复到初始值的25%和50%;在同样的应力条件下,有效应力的增加对原生结构煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着瓦斯压力的增加而增大,而对构造煤则相反,渗透率随着瓦斯压力的降低而增大。     

磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制

为进一步提高磁化与表面活性剂协同改善水湿润性能的能力，基于红外光谱、表面张力、接触角、粉尘沉降时间及降尘效率等试验，研究磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制，并经西铭矿48712综采面现场应用验证两者间协同降尘性能。结果表明：磁化对水湿润性能的改变主要通过破坏水分子间氢键结构，使得大分子团簇结构变为小分子集团来增加溶液降尘性能；活性剂通过所具有的亲水基及亲油基在溶液表面形成隔离层降低水溶液表面张力，同时，磁化还能通过改变活性剂在溶液表面的吸附方式，进一步增强活性剂溶液湿润性能及降低活性剂使用量，在磁化作用下，阴-非离子复配活性剂C临界胶束浓度比原有未磁化溶液降低25%。经现场应用，磁化与表面活性剂协同增效明显优于单一活性剂溶液。     

煤化作用对煤微表面结构特性影响研究

为研究煤化作用对煤微结构特性影响,选取3种不同变质程度煤样,采用扫描电镜(SEM)研究其表面孔隙及形态分布特征;通过傅里叶红外光谱(FTIR)研究其表面官能团种类及其分布。当HP-SH煤样R_0由0. 70%增大到2. 88%时,表面孔隙率分布范围为65. 29%～77. 07%,表面孔隙趋于粗糙、复杂化;各煤样极性官能团中含氧官能团相对含量逐渐增大,-O-的相对数量比为10. 1%～19. 25%,-OH的相对数量比为7. 16%～41. 79%,-COOH的相对数量比为52. 01%～51. 96%;芳香度和聚合程度也逐渐增大,芳香度为1. 09～1. 63,聚合度为0. 29～1. 58,煤样芳香结构参数与表面孔隙率呈线性关系。结果表明:煤化程度增高,煤样微表面官能团种类相似;官能团结构越复杂,微表面孔隙结构也越复杂,为微表面瓦斯提供赋存环境。     

气-固耦合作用下煤层气注热开采热量迁移规律数值模拟

为获取气固耦合作用下煤层气注热开采过程热量分布规律,探究煤层内气-固体系吸热量的影响因素,采用自行研制的三轴煤层气解吸热量测试验装置,在实验室中对柱状原煤进行了不同轴、围压条件下煤体甲烷解吸过程温度及热量变化测定,利用温度补偿原理获取了解吸热与解吸量关系理论模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行了煤层气注热开采过程热量迁移规律数值模拟.结果表明:解吸热随解吸量呈指数增长趋势;模拟结果显示井间距为60 m时相较于40 m时煤层吸热量更快达到稳定,吸附气体吸热量升高持续时间为井间距40 m时的1.9倍;解吸热量在注热温度为593 K时较注热温度为493 K时增加15.97％,且达到最终解吸热量稳定时间减少21.4％.对比分析得到,在单井注热开采条件下,增大井间距和提高注热温度均可以不同程度影响热量在煤层中迁移、增大解吸热量并促进解吸作用,进而大幅度提升煤层气井筒累计产量.研究结果可为低渗透储层煤层气高效安全开采及煤层气注热开采工艺方案优化提供理论支撑.