含硫天然气管道泄漏扩散危险区域的多因素耦合分析

为在含硫天然气管道发生泄漏后制定科学有效的风险防控措施,采用数值模拟的方法,分别以泄漏孔径、风速和大气温度为影响因素,以泄漏发生后CH₄扩散的最大面积、CH₄爆炸危险区域面积和H₂S中毒危险区域面积为试验指标,研究3种因素对试验指标的影响。结果表明,泄漏扩散危险区域受泄漏孔径的影响最大,其次是风速,大气温度对其的影响较为不明显。此外,泄漏孔径对H₂S中毒危险区域影响程度最大,对CH₄最大扩散区域影响次之,对CH₄爆炸危险区域影响程度最小。风速和大气温度趋势一致,对CH₄爆炸危险区域影响程度最大,对H₂S中毒危险区域影响次之,对CH₄最大扩散区域影响程度最小。     

煤对CO2，N2和CH4的吸附速率经验公式与异同性研究*

为了解决吸附速率拟合公式缺乏而解吸经验公式众多的问题,通过替换解吸参数、定性和对比分析各经验公式对煤吸附CO₂,N₂,CH₄吸附速率的适用性,选取4种不同煤质的煤样在0.5,1.0和2.0 MPa下进行定温吸附实验,分析压力和煤质对吸附速率的影响规律。研究结果表明:时间函数式对3种气体在不同压力和煤质下的吸附速率拟合效果最佳;压力和煤质对3种气体吸附速率的影响既存在共性又具有差异性,气体吸附速率与压力符合指数函数关系,与挥发分呈现出二次函数关系,并且压力升高会导致最低吸附速率趋向于较高变质程度煤样;CH₄和N₂的吸附速率随压力升高而升高,而CO₂的吸附速率因煤样而不同,且在同压下,不同气体的最高和最低吸附速率煤样的变质程度也不同。     

液态CO2冻融含水煤体孔隙结构演化特性试验研究

为了研究不同饱水度煤体在液态CO₂冻融作用下孔隙裂隙的演化特性,利用自主研发的液态CO₂冻融试验系统预处理煤样,采用核磁共振仪(NMR)探究液态CO₂冻融前后煤样的t₂谱分布、孔隙体积、孔隙度及t₂截止值演化特性。结果表明：液态CO₂冻融作用能促进煤样内部孔隙结构发育,使煤样中微小孔、中孔和大孔数量均增多;煤样饱水度对液态CO₂冻融煤致裂效果影响显著,随煤样饱水度增大,煤样总孔隙体积增大幅度呈直线增长趋势,煤样总孔隙度及有效孔隙度增长幅度呈直线形增长,而残余孔隙度增长幅度呈直线形下降,且完全饱水煤样总孔隙体积、总孔隙度和有效孔隙度分别是干燥煤样的2.48倍、2.49倍和2.56倍,t₂截止值从0.38 ms逐渐减小至0.30 ms,煤体内流体流动的自由空间增大,即有效孔隙体积逐渐增大,液态CO₂冻融有利于提高煤体的渗透性。     

充填浆液的产气测试及对CO传感器监测的影响

针对采空区充填浆液因发生物化反应后产生干扰气体,引起矿用电化学CO传感器误报警的问题,基于浆液的氧化周期、产气特性、反应后成分的X射线衍射(XRD)及充填产生气体对矿用电化学CO传感器的交叉干扰等测试,研究煤矸石、粉煤灰、普通硅酸盐水泥和矿井水以65.5∶4.5∶10∶20比例配置成的充填浆液的产气特性,探究充填产生气体对矿用电化学CO传感器的影响特征。结果表明：采空区充填浆液在物化反应过程中会消耗O₂和CO₂,且会产生H₂、CO和CH₄;其中O₂和CO的体积分数变化与煤矸石氧化有关,CH₄的体积分数变化与煤矸石中甲烷解吸有关,CaO和CO₂的反应会导致CO₂体积分数的降低,粉煤灰中的铝粉在碱性环境中反应会产生H₂,且H₂是造成矿用电化学CO传感器误报警的主要因素,并对矿用电化学CO传感器检测结果呈正交叉干扰。     

纳米级孔隙对构造煤吸附瓦斯能力的影响

为了理清构造煤是否具有超强瓦斯吸附能力及纳米级孔隙与吸附能力的关系,通过压汞、低温液氮吸附和高压等温吸附试验,对比分析采自焦作、平顶山和永夏矿区的不同煤级的IV—V类构造煤和同层共生的原生结构煤在孔隙结构、瓦斯吸附能力方面的差异,并探究纳米级孔隙与吸附能力关系。结果表明:煤中纳米级孔隙是比表面积的主要贡献者,是煤吸附瓦斯能力的决定因素;构造煤相对于同层共生的原生结构煤,纳米级孔隙和比表面积略有增加,吸附能力增加不大,且不具有超强吸附能力;构造变形作用对纳米级孔隙变化及吸附瓦斯能力的影响远小于变质作用。     

羟基对煤中桥键活性官能团氧化反应特性的影响

羟基(—OH)是影响煤自燃发展的关键因素之一。为进一步了解羟基对煤自燃过程的影响，通过Gaussian软件构建出苯基与桥键类活性基团—CH₂—、—CH₂O—、—CHOHCH₂—分别相连以及—OH处于活性基团邻位的共6种模型，采用B3LYP方法优化模型结构、并计算其频率，得到6种模型的静电势、前线轨道能隙、表面电子云分布、焓变及吉布斯自由能变化值，分析这3种桥键类活性基团的反应活性以及羟基对其氧化反应性质的影响。结果表明：3种活性基团的反应活性由大到小依次为—CH₂O—、—CHOHCH₂—、—CH₂—,羟基的加入并未改变其反应活性顺序，但提高了它们各自的反应活性；羟基处于桥键类活性基团邻位会提高桥键活性基团的亲核反应能力，削弱其亲电反应能力；3种活性基团的LUMO成键能力从强到弱依次为—CH₂—、—CHOHCH₂—、—CH₂O—,活性基团与氧气复合的难易程度与其LUMO成键能力有关，而与反应活...     

基于腐蚀缺陷的管道失效风险分析综述

管道内腐蚀是目前影响油气管网安全稳定运行的重要因素。本文对油气管道内腐蚀研究展开综述,分析了CO₂腐蚀、H₂S腐蚀、冲刷腐蚀、段塞流腐蚀、微生物腐蚀五种主要腐蚀机理,从浓度及分压比两个角度出发介绍CO₂/H₂S协同腐蚀作用,阐述了不同腐蚀机理下的主要腐蚀影响因素及其作用规律,以及管体缺陷、温度、pH值等因素对管道内腐蚀的影响,探讨了目前多相流管道内腐蚀机理及影响因素研究中存在的问题及研究趋势。     

常压下煤对N2/CO2/CH4单组分气体吸附特性研究

为了研究常压不同条件下煤样对N2/CO2/CH4单组分气体的吸附特性,以Langumir单分子层吸附模型为依据,对其吸附阶段进行划分,选择长焰煤、气肥煤和无烟煤分别进行了单组分气体吸附试验,探讨不同试验条件对煤吸附量的影响。结果表明:在常压阶段,煤对单组分气体的吸附规律服从Langumir单分子层吸附模型的第一阶段,吸附量与压力正相关;煤的变质程度、吸附温度及压力和吸附气体的种类是影响吸附量的主要因素,并在不同情况下对煤吸附量的影响程度不同;高低变质煤样对吸附量的影响大,而中等变质程度的影响小;温度是低压阶段影响吸附量的主要因素;吸附气体种类对吸附量的影响是由于其自身物化性质差异,相同试验条件下煤对3种单组分气体的吸附量从大到小为CO2、CH4、N2。     

低温阶段煤吸附C2H4的吸附特性研究

为研究煤矿采空区封闭区遗煤吸附C₂H₄的演化特征,以宁夏灵新煤矿不粘煤为研究对象,采用容量法进行煤吸附C₂H₄试验,分析温压与粒径对煤吸附C₂H₄过程中的吸附量、吸附速率和吸附热力学等特征变化的影响。研究表明：当温度为30～60℃、压力为0.15～0.45 MPa、粒径为20～120目时,无论是温度降低、压力升高还是粒径减小,C₂H₄的吸附量均增加;吸附过程随时间由快变慢,进而趋于平衡,吸附速率快速趋于0;温度与粒径不变,平衡压力越大吸附速率越大;温度与压力不变,粒径越小吸附速率越快。吸附量相同,粒径越小等量吸附热越低;各粒径煤样吸附C₂H₄的等量吸附热为0.69～40.23 kJ/mol,属于物理吸附。引入压力修正系数进行拟合,温度不变,压力和粒径与吸附自由能降低值呈正比关系;粒径不变,温度与吸附自由能降低值呈反比关系。各粒径煤样吸附C₂H     

微生物作用下煤体微观结构演化特征研究

为研究功能微生物作用下煤体微观结构演化特征，选用山西寺河矿无烟煤作为底物，添加功能菌剂进行微生物厌氧降解煤驱动瓦斯解吸实验。通过压汞实验、低温N₂吸附实验和X射线衍射仪测试分别对微生物降解前后煤孔隙结构发育及晶体结构演化特征进行表征。研究发现：微生物降解后，一方面煤体微孔、过渡孔、中孔孔容及比表面积下降，大孔孔容及平均孔径得到显著提升，煤体孔隙结构发育明显；另一方面，煤体结晶度降低，内部晶体结构变疏松，大分子间排列更加无序。煤在功能微生物降解后实现增透效果，吸附能力降低，从而促使煤体内瓦斯快速解吸。     

变质程度对CO_2置换煤中CH_4效应的影响规律

为研究变质程度对CO_2置换煤中CH_4效应的影响规律,选用了无烟煤、瘦煤和气肥煤3种不同变质程度的煤样,在CH_4吸附平衡压力分别为0.75 MPa和1.3 MPa的条件下,进行了高压注CO_2置换煤中CH_4实验。实验结果表明:初始CH_4吸附平衡压力相同的条件下,CO_2的注气压力越大(即注入量越大),CO_2对CH_4的置换量越大,置换率也越大,同时吸附置吸比也越大;初始CH_4吸附平衡压力越高,注气后达到相同压力下的置换量越小,置换CH_4越困难。煤的变质程度对置换效应的影响规律为,煤的变质程度越高,CO_2对CH_4的置换量越大,但CO_2对CH_4置换率却随之减小,说明低变质程度煤中的CH_4更容易被置换。     

不同粒径条件下煤孔隙结构特征分析

当前煤体孔隙结构研究普遍基于液氮吸附实验,而实验所测结果因选取煤样粒径的不同而变动。利用不同煤阶的5种煤样分别选取不同目数的煤样进行实验,测得了在不同粒径条件下的比表面积、平均孔径、吸附曲线等数据。研究表明,焦煤孔隙结构测试数据受实验样品粒径影响较大,褐煤平均孔径较大,孔隙发育程度高且测试数据受实验样品粒径影响较小。     

赵家寨煤矿煤自然发火标志气体优选分级预警研究

为了有效实现赵家寨高地温煤矿二1煤层自燃预测预报,本论文采用程序升温实验,得到5组煤自然发火标志气体与温度关系,优选二1煤层自然发火标志气体,并根据现场实际情况,制定该矿的煤自燃分级预警表,提出对应防控措施。结果表明:CO气体出现时为缓慢氧化阶段,C₂H₄和C₂H₆气体出现时,进入快速氧化阶段,该煤层应该首选CO作为其煤自然发火主要标志气体,CO/CO₂作为其煤自然发火主要复合指标,并以C₂H₄和C₂H₆作为辅助指标,制定4级预警表,提出了各级煤炭自燃防控措施。研究成果对郑州矿区二1煤层Ⅲ类不易自然发火煤炭的自燃防控具有一定指导意义。     

管内合成气爆炸压力特性的试验与机理研究

为了确保合成气在工业生产与使用中的安全,通过自行搭建的试验系统研究了不同H₂体积分数的H₂/CO/空气预混气体爆炸压力振荡特性,同时利用理论计算了量纲一因素对压力振荡的影响。结果表明,在H₂体积分数为70%时,合成气在密闭管道存在燃烧诱导快速相变现象。在开口管道中,当H₂体积分数为50%和70%时,爆炸超压最大值发生在曲线后期高频振荡阶段。燃烧诱导快速相变发生在开口管道中,且H₂体积分数的变化对超压峰值和超压振荡的变化起着重要作用。不同H₂体积分数的振荡周期都属于10^-4同一数量级,表明H₂体积分数对振荡周期没有影响。随着H₂体积分数的增加,振荡平均幅值逐渐增加,超压振荡现象更加明显。通过理论分析,燃烧诱导快速相变受量纲一因素的影响,是火焰传播阶段、水和壁面凝结阶段,以及火焰和冷壁面辐射热交换阶段三者共同驱动的。研究结果对于预防合成气爆炸故发生具有指导意义。     

水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响

为了研究水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响,利用自制设备,对不同煤阶的干燥煤、原煤、湿煤和平衡水煤样进行瓦斯吸附-解吸-扩散实验,分析扩散过程中不同时间段内水分与变质程度两个因素对扩散系数的影响。结果表明:水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。寺河矿干燥煤粒和平衡水煤粒在前120min内扩散系数较前5min分别减小了58.75%和53.2%;随着水分的增大,各变质程度煤样的瓦斯扩散系数比值增大。120min内干燥无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.04和2.37倍,平衡水无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.15和2.44倍;随着水分的增加,各煤阶瓦斯扩散系数减小幅度不同,且随着变质程度的减小,扩散系数的减小程度有变大趋势,前5min内随着水分从干燥煤增加到平衡水煤样,扩散系数减小幅度从无烟煤的72.77%增大到了气肥煤的83.49%。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH_4试验研究

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

添加H2对生物质气层流燃烧特性的影响

为研究H₂对生物质气层流燃烧特性的影响，在内径和长度均为200 mm,点火位置为正中央的圆柱形定容燃烧弹内进行当量比为0.6～1.4、H₂体积分数为7.15%～33.15%的掺氢生物质气/空气燃烧试验。利用高速摄像仪采集火焰传播图片，并通过计算分析软件Chemkin-Pro进行化学反应路径分析。研究结果表明：添加H₂对生物质气/空气的层流燃烧速度起促进作用，在贫燃侧增长效应平稳而在富燃侧增长效应显著，使火焰的不稳定性增强；火焰结构中主要自由基浓度的增大是引起层流燃烧速度增大的主要化学动力学原因；H₂主要通过参与HCO基团氧化加快反应速率，富燃侧层流燃烧速度显著增大的原因是H₂作用的路径多为有O₂参与的反应。     

中低变质程度煤孔隙结构对煤自燃标志性气体产出的影响研究

利用易发生自燃反应导致煤矿安全事故的中低变质程度煤进行程序升温-气相色谱联机实验和低温氮气吸附实验,从煤的微观孔隙结构分析煤自燃标志性气体的产出规律。结果表明:中低变质程度煤中,随着变质程度的升高,煤体中大孔减少而中小孔增多,不易气体流通,致使煤自燃标志性气体CO和C_2H_4出现的温度点推迟,煤越不易自燃。     

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。