主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會
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煤炭學報

期刊英文名:Journal of China Coal Society

  《煤炭學報》,月刊,創刊于1964年,是由中國科學技術協會主管,中國煤炭學會主辦,煤炭科學研究總院承辦的面向國內外發行的煤炭科學技術方面的綜合性學術刊物。被美國《工程索引》(Ei Compendex)、荷蘭《文摘與引文數據庫》(Scopus)、中國科學引文數據庫核心庫(CSCD)等數據庫收錄。

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    煤炭學報
  • 作者(Author):張君張乾一郭治富郝亞明
    關鍵詞(KeyWords):錨桿鉆機機械臂動力學方程區間分析不確定性估計

    摘要:礦用錨護鉆機是現代化礦井巷道支護過程中高效、安全的自動化設備,其中錨護機械臂是完成支護作業的關鍵部件。因加工裝配誤差、材料缺陷、使用磨損、井下工作環境惡劣和操作人員工作強度大等因素,將導致礦用錨桿鉆機-機械臂的動力學系統的不確定性問題更為突出。以錨護機械臂為研究對象,基于拉格朗日理論推導出了錨護機械臂的動力學模型。將區間數學理論引入到錨護機械臂的動力學系統的不確定性分析中,提出了基于區間數學的機械臂的動力學系統不確定性分析方法,主要構造了區間掃描法和張量積法2種代理模型來分析討論機械臂各個關節上的力矩與關節角度、關節角速度之間的關系。由于機械臂的桿件2和桿件4在實際操作中離鉆架重心距離遠、受力大、結構易變等原因,重點研究了桿件2和桿件4的力矩存在不確定參數時,相應輸出的角度、角速度的響應區間和效率變化。結果表明,掃描法的時間消耗為張量積法的0.1734~0.2888倍,同時計算結果與理論值更接近,精度較高,誤差較小,更加適用于工程實際中。試驗研究了力矩存在不確定性參數時的機械臂的動力學系統動態響應,并與理論結果進行對比分析,兩者得到的系統動態響應規律基本一致,驗證了該區間算法的可實施性和準確性。含區間不確定性參數的動力學特性研究為后續錨護機械臂的控制做進一步的鋪墊,也成為預測和判斷機械臂定位精度的新方法,進一步保障機械臂對頂板和側幫的支護效果。
  • 作者(Author):王浩
    關鍵詞(KeyWords):煤層氣排采機構直流微電網優化與控制

    摘要:近年來,國家大力推進煤層氣勘探開發行動計劃,有效促進了煤層氣產業的快速發展。一方面,當前基于交流的煤層氣地面排采供電網絡,電費支出占生產成本一半以上,極大地制約了煤層氣產業的可持續發展;另一方面,直流微電網以其控制方式簡單、電能變換環節少、不存在無功功率和頻率穩定等優勢,已成為未來微電網的發展趨勢。為解決目前基于交流的煤層氣地面排采供電網絡存在的用電嚴重不合理問題,本文擬對煤層氣地面排采供電網絡進行直流化改造。首先,對應用于煤層氣地面排采供電網絡的無功補償裝置和周期性變工況條件下的電動機節能途徑進行了梳理;其次,在建立包含分布式電源、儲能裝置和煤層氣井排采設備的直流微電網基礎上,圍繞其拓撲結構、優化配置、模型建立、電壓穩定控制及協調運行等方面,對用于煤層氣井排采設備供電的直流微電網優化與控制關鍵技術進行了詳細闡述;最后,從拓撲結構與系統優化配置相互作用關系、雙向能流下的系統穩定性判據、計及源-網-荷多因素耦合作用的電壓穩定控制等關鍵技術進步,以及用于煤層氣井排采設備供電的直流微電網應用發展前景兩方面進行了展望,指出相關優化與控制關鍵技術的進步可為煤層氣地面排采供電網絡直流化提供科學依據和理論指導。
  • 作者(Author):李曉斌楊振威趙秋芳云美厚崔少北
    關鍵詞(KeyWords):煤層氣水力壓裂微地震監測雙差定位層析成像裂縫參數

    摘要:在煤層氣水力壓裂工程中,微地震傳感器記錄的數據不僅包含了震源位置信息,同時還攜帶了彈性波旅行途經的地層速度結構信息等。利用雙差定位成像方法對煤層氣開采水力壓裂微地震監測數據進行反演處理,可在確定地層裂縫位置的同時獲得地層巖石彈性速度空間分布特征信息。首先,基于地震波射線理論,介紹了經典雙差震源定位的基本算法可獲得消除地層速度結構擾動影響的、具有較高精度的震源位置解,并以此闡述了雙差定位成像算法;其次,根據煤層氣的賦存條件構建了4層水平層狀介質地質模型,模擬符合微地震震源空間分布和激發時間的彈性波場,采用以鉆孔井口為中心的“五星”加“兩環”觀測系統記錄數據,分析表明雙差定位成像方法的微地震事件定位和地層速度層析成像結果較優于傳統方法;最后,對實際煤層水力壓裂微地震監測數據進行應用實踐,獲得微地震事件的空間和時間分布規律等,結合水力壓裂施工參數不僅可以獲得煤層水力壓裂裂縫空間延伸擴張展布特征和局部地層速度結構,也可以推測煤層天然存在的裂縫發育方向和地應力的分布特征等。由于雙差定位成像不受彈性波射線路徑速度非均勻性的影響,獲得微地震事件周圍地層速度結構成像,較高的定位計算精度有利于對微地震波旅行路徑的地層速度結構較好成像,這對提高煤層氣水力壓裂微地震監測效果具有十分重要的意義。
  • 作者(Author):郇雙宇靳添絮劉立張煉苑昆
    關鍵詞(KeyWords):故障預測最小二乘支持向量機隱馬爾科夫模型人工魚群算法

    摘要:混合動力鏟運機工作環境惡劣,電氣系統復雜,故障原因耦合性強,故障種類多,數據大多呈非線性關系,針對傳統單一的方法難以精確預測鏟運機電氣系統故障的問題,提出了一種把最小二乘支持向量機(Least Square Support Vector Machine,LSSVM)和隱馬爾科夫模型(Hidden Markov Model,HMM)相結合并進行改進的故障預測方法。首先用歷史時刻的鏟運機運行狀態數據通過LSSVM進行訓練,將當前時刻狀態數據輸入訓練好的LSSVM中預測出未來時刻的狀態數據;然后通過歷史數據訓練不同故障狀態下的HMM模型;最后把當前狀態數據及通過LSSVM預測的狀態數據導入訓練好的HMM模型中,預測出未來時刻鏟運機的狀態及其變化趨勢。針對傳統用經驗方法訓練LSSVM參數和用Baum-Welch方法選擇HMM參數容易陷入局部最優解和收斂速度慢等缺點問題,提出在LSSVM和HMM參數選擇時采用人工魚群算法(Artificial Fish Swarm Algorithm,AFSA)進行改進,提高了LSSVM和HMM的參數估計性能,得到LSSVM所需的最優懲罰參數和徑向基核函數。整個過程所用到的數據是14 t混合動力鏟運機在礦山現場工作時采集的數據。研究結果表明,通過LSSVM預測出來的鏟運機狀態數據與采集到的真實狀態數據相比,誤差較小,吻合度高。應用優化后的LSSVM-HMM方法進行鏟運機故障預測準確率達到了91.1%,該方法能精確預測出混合動力鏟運機電氣系統的故障及其狀態變化趨勢。
  • 作者(Author):姜超靳添絮羅維東趙宏憲
    關鍵詞(KeyWords):混合動力地下鏟運機工況識別馬爾可夫鏈功率預測

    摘要:混合動力地下鏟運機具有工作環境惡劣、運行工況特殊、動力系統復雜且需求功率變化幅度大的特點,控制策略難以實現功率的最優分配,因此需要對混合動力地下鏟運機需求功率進行有效預測,而傳統單一預測模型難以準確地預測其需求功率。針對上述問題,提出了一種基于工況識別和馬爾可夫鏈的混合動力地下鏟運機需求功率預測方法。首先,介紹了混合動力地下鏟運機動力系統結構及整體參數,依據混合動力地下鏟運機工作特點,將循環工況分為5種典型工況,并在此基礎上依據混合動力地下鏟運機現場運行采集到的實際工況數據,通過主成分分析對特征參數進行降維,提取出6種特種參數,利用可能性C均值聚類算法對混合動力地下鏟運機的5種典型運行工況進行識別;然后,利用馬爾可夫鏈原理,以混合動力地下鏟運機輸出功率為狀態,根據功率變化范圍確定狀態空間;最后,根據已識別出工況的運行輸出功率數據建立狀態轉移概率矩陣,對混合動力地下鏟運機未來時刻需求功率進行預測。結果表明:相比于不區分工況的預測模型,基于工況識別的馬爾可夫鏈模型可顯著提高混合動力地下鏟運機功率預測的準確性,同時在面對輸出功率急劇變化的工況時也能保持較好的穩定性,驗證了該模型具有較好的預測精度和魯棒性。
  • 作者(Author):李力劉佳鵬魏偉
    關鍵詞(KeyWords):煤巖界面識別超聲檢測經驗小波變換峰值聚焦成像

    摘要:煤巖界面的識別問題屬于世界性的難題。利用超聲回波檢測技術識別煤巖界面存在回波信噪比低,模態混疊嚴重,難以準確獲得煤巖界面回波波形的問題。因此,準確提取煤巖界面有效超聲回波信號是識別煤巖界面的關鍵。變分模態分解(Variational Mode Decomposition,VMD)已成功用于提取煤巖界面超聲回波的有效回波信號,但VMD十分依賴于輸入參數的選取,不適當的輸入參數會嚴重影響信號的分解效果。考慮到礦井現場需要對煤巖界面超聲回波信號進行實時處理,VMD并不滿足要求。因此,提出利用經驗小波變換(Emperiacal Wavelet Transform,EWT)方法提取煤巖界面有效超聲回波信號。經模擬仿真及實驗數據表明,作為一種自適應信號處理方法,經驗小波變換(EWT)無需輸入參數即可實現對信號的自適應分解,準確提取煤巖界面有效回波,滿足礦井現場對煤巖界面超聲回波信號進行實時處理與成像的要求。經EWT提取的有效超聲回波信號包絡頂部存在波形畸變,嚴重影響煤層厚度計算。因此,提出引入權重系數的最優化迭代法對回波包絡進行非對稱高斯模型擬合,再利用擬合得到的回波包絡計算煤層厚度,結果表明該方法可以有效地減小煤厚計算的誤差。最后利用峰值聚焦成像技術對處理得到的擬合回波包絡進行成像,用以提高煤巖界面超聲成像的距離分辨率。經驗證,該方案可達到準確識別煤巖界面的目的。
  • 作者(Author):鮑久圣何小路葛世榮彭振陳超
    關鍵詞(KeyWords):無軌膠輪車混合動力模糊邏輯控制策略測控系統

    摘要:目前,煤礦井下無軌膠輪車以防爆柴油機或蓄電池作為動力來源,存在著諸多技術不足和現實問題,例如,防爆柴油機驅動系統尾氣污染嚴重、油耗高、工作效率低,防爆蓄電池驅動系統動力不足、續航能力較差等。混合動力是一種在乘用車領域已發展較為成熟的環保節能驅動技術,若能將其應用于井下無軌膠輪車,將能較好地解決這些問題。但是,目前對礦用車輛混合動力技術的研究整體尚處于起步階段,尤其缺乏對井下混合動力驅動系統控制策略方面的專門研究。本文以無軌膠輪車混合動力驅動系統為研究對象,在充分考慮行駛工況、動力源工作特性和使用環境等因素的基礎上,設計了一種適用于井下混合動力無軌膠輪車驅動系統的模糊邏輯控制策略;基于課題組前期已建立的井下無軌膠輪車CYC_JX循環工況,利用經過二次開發的ADVISOR軟件構建Simulink仿真模塊,對本文設計的模糊邏輯控制策略和目前廣泛使用的電輔助控制策略進行了仿真與對比分析;進一步,基于LabVIEW軟件設計測控系統,利用井下混合動力無軌膠輪車試驗平臺開展臺架試驗,對仿真結果進行了驗證。結果表明,與電輔助控制策略相比,模糊邏輯控制策略下的防爆柴油機和電動機的大部分工作點效率較高,整車百公里燃油消耗降低了11.18%,尾氣排放中HC含量值降低了20.83%,CO含量值降低了1.82%;仿真與試驗結果的輸出車速、防爆柴油機和電動機實際輸出轉矩、蓄電池SOC變化趨勢相同,燃油經濟性和尾氣排放值的變化均處于理想范圍內,驗證了所設計控制策略的合理性;基于模糊邏輯控制策略的混合動力無軌膠輪車驅動系統能較好地依據工況信息、駕駛意圖協調防爆柴油機和電動機之間的能量流動,其燃油經濟性、動力性和尾氣排放特性均優于電輔助控制策略。但是,本文設計的模糊邏輯控制策略還缺少對電動機工作效率的綜合考慮,未來可以將其作為一個約束目標,進一步對模糊邏輯控制策略進行優化。
  • 作者(Author):吳昊駿龔敏趙振振
    關鍵詞(KeyWords):電腦鑿巖臺車關節間隙車體定位誤差補償

    摘要:電腦鑿巖臺車因機械加工原因,定位精度達到10 cm水平后,繼續提高將非常困難。為了定量分析某特定位置關節間隙對車體定位和鉆孔定位過程的影響,以電腦鑿巖臺車開發為研究背景建立車體模型,設計試驗檢測推進梁的運動過程,分析鉆孔位姿參數和鉆具末端塌落量的函數關系。對原有車體定位方法進行修正,對鉆孔定位誤差進行補償,通過現場鉆孔定位試驗進行驗證。結果表明:油缸行程對鉆具末端塌落量的影響最為明顯,而炮孔姿態角對鉆具末端塌落量的影響不規律。通過分析測量的數據可知,鉆具末端塌落量和油缸行程為近似線性關系,炮孔姿態角的變化對該關系的影響很小。故基于該函數關系先對原有車體定位方法進行修正,通過將車體定位計算值與全站儀測得到的實際車體位姿進行對比后發現:車體豎向位置誤差小于5%,角度誤差小于0.2°,證明了修正方法的可靠性;再對鉆孔定位誤差進行補償,使鉆孔平均定位誤差降低11%~16%。該操作對下一步運動學模型修正,最終實現精度控制目標具有關鍵意義。值得說明的是:單鉆臂定位方法存在誤差向非定位側鉆臂傳遞放大的現象,非定位側鉆孔定位誤差平均值是定位側誤差的1.78倍。采用關節間隙補償的方法難以縮小兩側鉆孔定位誤差水平的差距,還需采用其他手段加以解決。
  • 作者(Author):李昊張晞
    關鍵詞(KeyWords):刮板輸送機橫向彎曲理論數學模型

    摘要:針對冀中能源集團郭二莊煤礦、葛泉煤礦等礦普遍存在的綜采工作面刮板輸送機橫向彎曲推移過程中存在的彎曲段長度過長、刮板輸送機裝煤效果不好等實際難題,根據綜采工作面刮板輸送機的橫向彎曲移動和縱向運輸的實際狀況和規律,通過建立刮板輸送機橫向彎曲分步移動模型,分析研究了刮板輸送機橫向分段推移時彎曲段的形成過程和機理,揭示了刮板輸送機橫向彎曲移動規律。研究分析發現:刮板輸送機彎曲段過長時(按照現行普遍采用的彎曲段長度10中部槽彎曲移動),中部槽之間的水平張開角大小不一致,導致彎曲段彎曲半徑不相等,容易造成刮板輸送機運行負荷不穩定、中部槽內刮板鏈受力不均衡、摩擦力和碰撞力增大等問題,從而增加了刮板輸送機刮板連、刮板和中部槽的磨損,減少了使用壽命。根據刮板輸送機的水平彎曲移動姿態建立了刮板輸送機彎曲段矩形計算模型,利用數學坐標系和三角函數的計算方法,推導和建立了刮板輸送機彎曲段數學計算模型和數學驗證模型,并對煤礦現有部分型號的刮板輸送機進行了數學模型理論計算和驗證。該數學計算模型在冀中能源郭二莊煤礦2204綜采工作面得到了實際應用,經應用對比,綜采工作面按照新的計算模型確定彎曲段長度為6節中部槽移動后,與原先采用的彎曲段長度10節相比減少了4節,彎曲段長度由原來的15 m減少到9 m。在工作面采煤機、刮板輸送機、液壓支架三機協同運行以及刮板輸送機裝煤效率和煤壁防止片幫等方面均取得了良好的效果。
  • 作者(Author):楊利超羅慧娟張凱龔志軍武文斐
    關鍵詞(KeyWords):褐鐵礦無煙煤燃燒行為氮氧化物催化

    摘要:采用煤粉添加劑技術改善煤粉燃燒效率和NOx排放是煤炭節能減排領域的研究熱點。本文選用天然褐鐵礦為添加劑,探究不同添加量褐鐵礦對無煙煤燃燒行為及NOx排放的影響。試驗分為3部分,采用熱重分析(TG)褐鐵礦對無煙煤燃燒行為的影響,選取200~300目的褐鐵礦及無煙煤,取無煙煤與不同添加量(2%,5%,10%,20%)褐鐵礦研磨充分后,放入樣品坩堝,熱重從室溫升至900 ℃,分析TG-DTG曲線,計算燃燒參數;采用固定床脫硝實驗臺,采用N2/O2(4∶1)氣氛,反應溫度為800 ℃,稱量無煙煤與不同比例的褐鐵礦混合,通過煙氣分析儀得出NOx的瞬時濃度,繼而得到NOx的排放總量,最后計算脫硝率,觀察添加褐鐵礦對無煙煤脫硝性能的影響;采用SEM,XRD,XPS對燃燒前后的樣品進行理論分析,探究催化原理。結果表明,在添加量為10%時,無煙煤的著火溫度降低18 ℃,燃盡溫度降低24 ℃,放熱量增加13.4%,無煙煤NOx排放量降低48.07%;SEM,XRD和XPS綜合表征發現,Fe元素的氧化-還原循環促進了煤粉的燃燒和NOx的還原,從而起到同時催化燃燒脫硝的作用;在煤粉燃燒過程中褐鐵礦能有效催化無煙煤的燃燒和脫硝性能。本研究將為天然礦物褐鐵礦在高效潔凈燃燒領域的應用提供參考。
  • 作者(Author):趙振王睿坤葉學民趙爭輝曾顯清
    關鍵詞(KeyWords):分子模擬含氧官能團吸附作用含酚廢水處理

    摘要:煤、炭及氧化石墨烯對酚類化合物有良好的吸附性,常用作吸附劑去除含酚廢水中的有害物質。上述吸附劑表面含氧官能團復雜多樣,含氧官能團對酚類化合物的吸附作用尚未明確。本文采用石墨烯基底作為煤、炭等吸附劑的模型,分別采用羧基、羥基和羰基對基底進行修飾。利用分子動力學模擬方法,研究苯酚在不同含氧官能團改性吸附劑基底上的吸附過程,從范德華作用、靜電相互作用、π-π相互作用、氫鍵作用、相互作用能等方面,探討不同含氧官能團對吸附苯酚的影響。3種含氧官能團會對基底與苯酚之間的范德華作用、靜電相互作用、π-π相互作用及氫鍵作用造成不同的影響。范德華作用和π-π相互作用是影響苯酚在基底吸附的主要因素;靜電相互作用和氫鍵作用是次要的影響因素。當氫鍵形成位置不同時,會對苯酚的吸附產生促進或阻礙2種作用,當基底上的含氧官能團與苯酚形成氫鍵時會促進基底吸附苯酚,水分子與水分子之間、水分子與苯酚之間的氫鍵則會阻礙苯酚在溶液中的遷移。相互作用能的大小則反映了吸附過程的自發性及吸附后的穩定性,相互作用能絕對值越大表明吸附平衡后系統更加穩定,羧基有利于提高吸附劑基底吸附苯酚后的穩定性。不同含氧官能團修飾基底會使基底的親水性有不同程度的增強,羧基最強,羥基次之,羰基幾乎不增加基底的親水性。
  • 作者(Author):黃光許劉迎賓耿乾浩李媛媛賈建波
    關鍵詞(KeyWords):無煙煤膨潤土改性生物質氣化型煤機械強度成型機理

    摘要:無煙煤型煤具有一定粒度和冷熱強度,可部分替代塊煤用于合成氨造氣。晉城無煙塊煤是優質的合成氨氣化原料,但儲量有限,進行晉城無煙煤粉煤成型研究意義重大。本文采取單因素實驗方法,以晉城無煙粉煤為原煤,自制改性生物質、膨潤土為黏結劑,配入少量添加劑混合,利用手工模具加壓成型;測定所制型煤樣品的冷強度和熱強度,探究不同黏結劑組分和添加劑配比對型煤強度性能的影響規律;利用紅外光譜(FTIR),X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等技術手段研究型煤的成型機理。結果表明:隨著改性生物質添加量的增大或添加劑溶液濃度的增大(體積不變),型煤樣品的冷強度和熱強度均呈現先增大后降低的趨勢;而隨著膨潤土添加量的增大,型煤的冷強度和熱強度均呈現增大趨勢。本研究中晉城無煙煤型煤制備的工藝配方為無煙煤95.3%,改性生物質1.5%,膨潤土3%,添加劑0.2%。相應型煤樣品的冷強度為589 N/球,熱強度為220 N/球,煤質分析與原煤相比變化不大,各項理化指標完全滿足工業儲運和氣化要求。添加劑有助于改性生物質部分水解生成小分子化合物及其他物質,同時將原煤中所含的二氧化硅轉化為硅酸鈉等物質,提高煤與黏結劑的黏結效果。原料煤煤粒、膨潤土和改性生物質等各組分之間緊密結合,使型煤成為具有一定強度的整體。本文所述的型煤制備工藝配方中黏結劑的添加量較低(<5%),黏結劑成本低廉;型煤樣品的理化指標達到或超過現有技術水平,應用前景廣闊。
  • 作者(Author):李大虎韋魯濱朱學帥榮令坤時景陽
    關鍵詞(KeyWords):發熱量預測SVR特征變量

    摘要:目前應用較多的煤炭發熱量預測模型主要以傳統的線性回歸模型為主,且大多以灰分、揮發分、固定碳等工業分析數據為主,而較少考慮元素分析指標對發熱量預測效果的影響。因此,此類方法存在對煤的發熱量預測精度低、適用范圍窄的缺陷。本文基于我國不同地域的60組煤質分析樣本,同時考慮工業分析和元素分析指標對發熱量的影響,采用平均影響值法(Mean Impact Value,MIV)和粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)相結合的方法,對影響煤炭發熱量的指標進行特征變量篩選,并結合支持向量回歸方法(Support Vector Regression,SVR)對煤炭發熱量進行非線性建模和預測。結果表明:對于我國不同地域的60組煤炭樣本,煤的工業分析和元素分析指標中,僅灰分、碳含量與發熱量之間存在一定的線性相關性,其余指標與發熱量的線性相關性較差,煤的發熱量預測應優先考慮非線性建模方法。經特征變量篩選后發現,煤的工業分析指標中水分、灰分和揮發分三者對發熱量的影響均較大,而元素分析中僅碳含量對發熱量影響較為顯著;以影響顯著的4個指標為特征變量進行發熱量預測,SVR方法對煤發熱量的預測精度顯著提高,相關系數達0.9827%,遠高于其他線性回歸模型。同時,不同發熱量模型預測結果也表明,煤炭樣本來源地域越接近,各方法預測精度差異越小,應依據樣本地域差異選取合適的預測方法。
  • 作者(Author):洪迪昆劉亮操政楊昌敏郭欣
    關鍵詞(KeyWords):五彩灣煤熱解二次反應反應力場分子動力學

    摘要:采用基于反應力場的分子動力學方法研究準東五彩灣煤的熱解過程。首先,對五彩灣煤樣進行元素分析、13C核磁分析以及X射線光電子能譜分析,發現五彩灣煤中芳香化合物主要以萘的形式存在,羥基或醚氧基、羰基和羧基為主要的含氧官能團,分別占56.90%,23.94%和19.16%;其次,基于實驗表征結果對經典的Hatcher低階煤分子模型進行修正,構建了五彩灣煤有機組分的分子結構模型;最后,對構建的煤分子模型進行熱解反應分子動力學模擬,探索了溫度和升溫速率對五彩灣煤熱解特性的影響。結果表明,在較低溫度下煤熱解以初次熱解反應為主,部分弱共價鍵受熱解離產生焦油自由基碎片和氣體產物,體系勢能隨著熱解時間的增加先急劇增加后保持不變;在較高溫度下焦油自由基碎片的二次反應顯著,體系勢能先急劇增加后緩慢增加;與初次熱解過程相比,焦油自由基碎片的二次反應過程需要更長的反應時間,CO2主要來源于煤的初次熱解,而焦油自由基碎片二次反應會導致大量的CO,H2以及C2H2的生成;C5H5和C2H2O是主要的熱解中間產物,通過分析熱解產物的動態演變規律,揭示了焦油聚合反應和裂解反應機制;快速升溫條件下焦油的二次反應不明顯,但在慢速升溫條件下焦油的二次反應顯著,降低了焦油產率,提高了焦炭和氣體產物的產量。
  • 作者(Author):戴雯周騖彭梁蔡小舒
    關鍵詞(KeyWords):煤粉燃燒數值模擬McKenna燃燒器

    摘要:為探究入射角度對煤粉揮發分析出的影響,針對單顆粒煤粉在McKenna燃燒器中的著火和燃燒過程,采用Realizable k-ε湍流模型模擬氣相運動,采用P1模型模擬顆粒與周圍氣體間的輻射換熱,采用離散顆粒模型(DPM)模擬煤粉顆粒的運動與相互作用,采用化學逾滲脫揮發分(CPD)模型模擬煤粉的熱解過程,結合揮發分燃燒和焦炭燃燒模型,根據煤粉元素分析及工業分析結果假設揮發分組成,基于FLUENT平臺進行了數值模擬計算。采用甲烷/氧氣當量比0.8的實驗工況下溫度的測量結果作為計算模型驗證數據。對煤粉顆粒5種不同入射角度的工況進行模擬,得到了煤粉顆粒溫度、速度、揮發分含量隨顆粒軌跡的變化過程。通過編寫UDF文件對邊界溫度和速度條件進行詳細設置,減小計算誤差;同時對網格獨立性進行驗證,避免網格帶來的誤差。分析發現,在本文實驗條件下,顆粒能否經過高溫區以及能否在高溫區內保持較久的停留時間,是影響顆粒揮發分析出及燃燒的重要因素,大部分顆粒在經歷高溫區后溫度可達650 K以上,即可以發生揮發分析出和燃燒,但發生高度不一;在實驗過程中觀察到的燃燒與未燃顆粒并存的現象也驗證了這一點,同時數值模擬得到的溫度及氧氣濃度分布也有效地解釋了這一現象。所建模型為進一步研究著火機理奠定了基礎。
  • 作者(Author):朱亞明趙春雷胡朝帥徐允良趙雪飛高麗娟程俊霞賴仕全
    關鍵詞(KeyWords):煤瀝青β樹脂熱轉化產物微觀結構

    摘要:分別以甲苯和喹啉為萃取劑對3種典型瀝青(中溫瀝青、熱縮聚改性瀝青和氧化改性瀝青)進行二級溶劑萃取-熱過濾-蒸餾處理,得到3種β樹脂(依次命名為β-1,β-2和β-3)。利用元素分析儀、TGA和FTIR結合分峰擬合的方法對3種β樹脂的基礎物性進行了研究。對3種β樹脂進行熱轉化和炭化處理制備得到3種β樹脂基瀝青炭(分別命名為β-1-C500-P,β-2-C500-P和β-3-C500-P)。利用偏光顯微鏡(PM),XRD和Raman光譜結合分峰擬合的方法對3種熱轉化產物的微觀結構進行了定量研究。結果表明:β-1-C500-P的偏光顯微結構中細纖維結構含量為24.71%,小片結構含量為56.32%;β-2-C500-P的偏光顯微結構中細纖維結構含量高達40.40%;而β-3-C500-P的偏光顯微結構則主要是各向同性結構和少量的鑲嵌結構。β-1-C500-P和β-2-C500-P中趨于規整炭微晶含量Ig分別為78.78%和82.43%,微晶尺寸Lc分別為1.90 nm和1.94 nm,然而β-3-C500-P的Ig和Lc則明顯小于二者,分別為53.17%和1.58 nm。β-1-C500-P,β-2-C500-P和β-3-C500-P中理想石墨微晶含量(IG/IAll)依次為10.13%,10.46%和8.51%,無定形碳含量(ID3/IAll)分別為10.94%,10.48%和11.55%。3種β樹脂熱轉化產物的偏光顯微結構定量分析結果與炭微晶分布結果(XRD和Raman結合分峰擬合定量分析)相吻合。
  • 作者(Author):柴志方曾鳴張瑞杰馮來宏王帥姬文心
    關鍵詞(KeyWords):水煤漿溫度穩定性加速失穩穩定性分析儀

    摘要:目前常用的水煤漿穩定性評價方法均存在測試周期較長、表征結果不準確等問題。為了縮短水煤漿穩定性的測試周期,選取了溫度作為加速試驗條件,采用Turbiscan Lab穩定性分析儀客觀、定量地研究了溫度30~55 ℃對水煤漿穩定性的影響。結果表明,在測試時間內,隨著溫度的升高,由儀器給出的水煤漿穩定性指數TSI值逐漸增大,說明漿體越來越不穩定。此外,為了解釋溫度對水煤漿穩定性的影響,對水煤漿的表觀黏度和煤顆粒粒徑隨溫度的變化也進行了研究。研究發現,隨著溫度的升高,水煤漿的表觀黏度降低,由1194 mPa·s下降到702 mPa·s,由穩定性分析儀軟件計算得出的煤顆粒聚結的速率加快,其平均粒徑分別增大了2.4 μm和3.6 μm。根據斯托克斯定律,這些變化都會加速漿體中煤顆粒的沉降進而破壞漿體的穩定性。據此,以穩定性指數TSI值嘗試建立了水煤漿穩定性隨溫度變化的動力學曲線,相關系數R=0.985,說明其線性相關性較好,即試驗所用瘦煤水煤漿的穩定性隨溫度的增加近似呈線性下降。利用此模型可以計算得出45,50和55 ℃的加速比AR分別為1.9,2.3和2.7,這與利用穩定性分析儀從宏觀角度所測出的分層厚度和計算得出的相分離指數(PSI)來表征水煤漿穩定性的評價結果相接近。因此,升高溫度能夠作為一種切實可行的方法快速、準確地評價水煤漿的穩定性。
  • 作者(Author):馬嬌王凡史長亮諶倫建謝乾
    關鍵詞(KeyWords):粗煤泥TBS運動軌跡數值模擬小波分析

    摘要:干擾床分選機(TeeteredBedSeparator,TBS)對粗煤泥的分選,本質上是不同密度和粒度的顆粒在流化床流場中運動軌跡差異化的過程,因此分析研究不同性質的顆粒的運動軌跡可以直觀地識別顆粒的最終分選狀態,從而評判分選效果的好壞。 本文使用Fluent軟件提供的基于拉格朗日-歐拉方法研究顆粒運動的DPM模型,模擬計算密度為1550kg/m3、不同粒度的粗煤泥顆粒在流化床流場中分選過程的運動軌跡,并且使用小波計算的方法對顆粒的軌跡信息進行分析。模擬計算的結果:在0.25~1.25mm范圍之內平均分布的同一密度的粗煤泥顆粒,其中處于該范圍兩端的顆粒,亦即:較細顆粒與較粗顆粒,均容易受到流化床的分選作用而各自分別進入溢流與底流;處于分離粒度附近的難分選的粗煤泥顆粒,需要較長時間才能進入溢流或者底流達到分選的效果,顆粒的運動軌跡雜亂。小波計算雜亂運動軌跡的分析結果:進入溢流的與進入底流的難分選顆粒的軌跡,二者均存在周期性變化規律;在低時間尺度下(35,70s),進入溢流和進入底流顆粒的運動軌跡具有周期相似性;在高時間尺度下(110,140s),進入溢流和進入底流顆粒的運動軌跡則表現出明顯的周期差異性。 本文研究表明:具有雜亂運動軌跡的難分選顆粒的處理問題,是流化床設備分選粗煤泥的難點;難分選粗煤泥顆粒進入溢流和底流的運動軌跡,具有在高時間尺度下周期差異性的規律,以此可為粗煤泥在分選之前進行精確分級提供思路與借鑒,提高粗煤泥分選的整體效果。 
  • 作者(Author):常小燕李新舉萬紅秦修營
    關鍵詞(KeyWords):采煤塌陷區景觀格局尺度移動窗口梯度分析

    摘要:以微山縣地面塌陷較嚴重的11個鄉鎮作為研究區,選取適宜的景觀格局指數,基于景觀生態學的尺度效應理論,找尋最適宜的景觀格局空間分析粒度;采用移動窗口法,進行適宜空間分析幅度的選取,在此基礎上進行研究區景觀格局分析及縱向樣帶上景觀格局梯度分析,以實現景觀格局變化特征的空間量化表達。結果表明:50 m和250 m為研究區較適宜的景觀格局空間分析粒度和幅度;景觀水平上,2005年以前,研究區景觀破碎度較低,優勢景觀明顯,自然連通度較高,2005年之后,隨著經濟的發展及城市化進程的加快,景觀格局趨于復雜化與多樣化,破碎化程度較高,連通度降低,2010年之后,由于礦區土地整理項目及塌陷地治理工程的逐步實施,景觀格局趨于規整;景觀類型水平上,耕地的斑塊類型面積起初急劇減少,受政策影響又緩慢增加,且分布較集中連片,整個研究期內,城鄉建設用地的面積及聚集度逐漸增大,塌陷積水區的面積也呈逐漸增加趨勢,分布較零散且連通度較低,2005年之后,塌陷地經過整治變得較規整。縱向樣帶上的景觀格局梯度分析表明,在水陸交匯地帶、居民點周邊、塌陷積水較嚴重的地區及湖岸周邊,景觀類型多樣,景觀形狀復雜,且越來越細化,破碎化程度較高,景觀優勢度、聚集程度和連通度較低。研究結果可為后續的礦區生態恢復與重建及景觀格局優化提供理論依據。
  • 作者(Author):張軍劉百祥吳燕清袁永榜許洋鋮
    關鍵詞(KeyWords):時間域電磁全區視電阻率最小二乘多項式擬合

    摘要:時間域電磁視電阻率計算中,由于感應電壓與視電阻率的關系是非單調函數,無法通過感應電壓直接計算。現有方法主要是晚期視電阻率近似計算法、核函數逐步逼近法和核函數平移法。晚期視電阻近似計算法在早期和中期產生計算誤差;核函數逼近法需要多次逐步計算逼近目標電阻率,計算時間較長;核函數平移法需要通過插值方式計算各時間道所對應的實測截距在理論截距曲線上對應的時間,再根據感應電壓衰減曲線的伸縮特性計算出視電阻率,技術較為復雜。為了提高計算精度,縮短計算時間,根據核函數表達式在視電阻率計算中保持不變的特點,提出基于最小二乘多項式擬合的全區時間域電磁視電阻率計算方法。采用高階最小二乘多項式擬合核函數左右2支的反函數,推導出視電阻率多項式擬合直接計算式。為了降低擬合算法的跨度,調和數量級所導致的大數吃小數問題,避免因動態范圍太大影響無法直接擬合,進行對數變換來降低動態范圍,達到增加擬合效果和提高計算精度。建立均勻半空間、層狀大地模型,采用12階多項式進行擬合計算并通過MATLAB語言編程實現,對比分析核函數二分逐步逼近法和對數變換最小二乘多項式擬合計算的視電阻率和2種方法各自的計算時間,最后結合現場已知采空積水區試驗,通過數值模型和實測數據驗算了方法的正確性。研究表明:基于最小二乘多項式分段擬合的全區時間域電磁視電阻率計算方法能夠正確計算視電阻率,與模型和實際情況基本一致;與核函數二分逐步逼近法相比,本方法利用對數變換,計算速度提高近5倍,縮短了計算時間。
  • 作者(Author):夏冬吳朝松楊天鴻賈淯斐常宏
    關鍵詞(KeyWords):堵水帷幕強度弱化數值模擬穩定性分析

    摘要:為保護地下水資源,合理開發礦產資源,采用全封閉的注漿堵水帷幕堵截地下水,是保證大水礦山正常開采的一種有效技術措施。受開采擾動的圍巖在地下水長期作用下,其強度勢必會發生弱化作用。為探究圍巖強度弱化對堵水帷幕穩定性的影響規律,以中關鐵礦堵水帷幕為研究對象,在詳細分析礦區工程地質、水文地質資料的基礎上,建立堵水帷幕三維地質、數值計算模型。根據不同飽水時間巖石物理、力學參數,結合巖體結構面空間幾何信息,采用Hoek-Brown強度準則,計算不同飽水時間巖體單軸抗壓強度、彈性模量等物理、力學參數。利用COMSOL Multiphysics數值模擬軟件,分析圍巖強度弱化對堵水帷幕穩定性的影響。結果表明:閃長巖、奧灰巖的強度參數均隨飽水時間的延長而降低,飽水90 d后,閃長巖的單軸抗壓強度、彈性模量、黏聚力和內摩擦角較天然狀態分別降低40.84%,24.51%,22.81%和13.55%,奧灰巖對應的強度參數較天然狀態分別降低45.96%,16.01%,25.44%和18.70%;堵水帷幕與圍巖接觸區域應力集中程度隨深度的增加而增大,在堵水帷幕與強滲透性圍巖接觸區域、堵水帷幕剛度與圍巖剛度差異較大區域,易形成高應力集中區;隨堵水帷幕內圍巖強度的持續降低,帷幕內外應力差及帷幕與圍巖接觸區域應力集中值也呈增大趨勢;帷幕內圍巖在飽水時間小于14 d的情況下,堵水帷幕內外應力差及應力集中值增加速率較大,當飽水時間大于30 d后,應力集中值增加速率逐漸減小并趨于定值;為降低圍巖強度弱化對堵水帷幕穩定性產生的不利影響,提出叢狀放水孔與放水硐室相結合的疏干排水方案,為監測帷幕的堵水效果和帷幕內破碎帶與圍巖的水力聯系,提出在帷幕內外和地下水徑流的上、下游及破碎帶發育區域布置水位觀測孔。研究結果為中關鐵礦堵水帷幕穩定性監測、疏干排水方案設計及帷幕內外水位觀測孔設計提供依據。
  • 作者(Author):張吉振李賢慶張學慶張敏和鈺凱王飛宇
    關鍵詞(KeyWords):煤系頁巖頁巖氣儲層孔隙類型孔隙結構演化特征頁巖含氣性

    摘要:我國煤系頁巖分布廣泛,時代跨度大,涵蓋海陸過渡相和陸相2種頁巖類型,頁巖單層厚度小,累計厚度大,有機質豐度較高(TOC介于0.5%~30%),成熟度跨度大(Ro為0.5%~2.5%),以腐殖型干酪根為主,富含黏土礦物(平均>50%),脆性較低。本文擬選了四川盆地龍潭組、鄂爾多斯盆地山西組以及準噶爾盆地八道灣組等三套典型的煤系頁巖新鮮鉆孔巖心樣品進行頁巖儲層孔隙實驗分析研究,主要通過氬離子拋光掃描電鏡(FE-SEM)圖像分析以明晰煤系頁巖中不同類型孔隙的差異性形貌特征、空間展布特征和成因類型,并通過聯用高壓壓汞實驗、CO2和N2氣體吸附實驗建立綜合表征全孔徑尺度孔隙網絡的系統和有效方法,闡明煤系頁巖孔隙結構和演化特征。結果顯示:煤系頁巖儲層孔隙類型多種多樣,粒間孔、粒內孔、有機質孔和微裂縫均有發育,不同類型孔隙具有差異性成因機制、形貌特征和孔徑分布。粒間孔和有機質孔是煤系頁巖中最常見的孔隙類型。煤系頁巖納米級孔徑主要集中于<6.5 nm和80~200 nm兩個區間范圍,10 nm以下尺寸的孔隙在煤系頁巖納米級孔隙中占優勢。煤系頁巖中多發育平板狹縫形、楔形、墨水瓶狀等孔隙形態,孔隙結構具有較強的非均質性。煤系頁巖孔隙演化受到成巖演化和熱演化雙重作用的影響,可分為5個階段:未熟快速壓實階段(成熟度Ro<0.7%)、成熟生烴溶蝕階段(0.7%<Ro<1.3%)、高成熟孔隙封閉階段(1.3%<Ro<2.2%)、高-過成熟二次裂解階段(2.2%<Ro<2.7%)和過成熟緩慢壓實階段(Ro>2.7%)。
  • 作者(Author):肖旸李達江呂慧菲鄧軍
    關鍵詞(KeyWords):離子液體動力學表觀活化能機理函數

    摘要:煤自燃災害是威脅我國煤炭資源保護與利用的主要災害之一,不僅造成巨大的經濟損失,而且釋放大量有毒有害氣體,引發嚴重的生態問題。阻化技術在防治煤自燃方面取得了很好的效果,而離子液體以其優良的物理化學特性以及綠色環保等優點,在煤自燃防治領域受到廣泛關注。煤自燃的發生是由于煤和氧的反應,通過自活化等因素提供反應動力。為了考察咪唑類離子液體對煤氧化動力學的影響,開展熱分析實驗測試,采用Flynn Wall Ozawa,FWO方法計算煤氧化表觀活化能(Ea)和指前因子(A),用Popescu法計算機理函數。結果表明:轉化率(α)一定時,隨著升溫速率的增加,達到相同程度的氧化溫度出現一定的滯后性。離子液體處理煤樣均改變了其反應機理函數,增大了煤氧化反應路徑,使煤反應路徑從一維擴散向多維擴散轉變。煤達到著火點之前,隨著α的增加,Ea,A值也隨之增加,但發生自燃以后,隨著α的增加,Ea,A值開始逐漸降低。離子液體增加了煤分子成為活化分子的門檻,降低了活化分子反應速度,不同程度上均起到抑制煤自燃反應的作用;同時,發現[BMIM][BF4]對煤自燃抑制效果較好。α在0.2~0.6之間,IL-untc的Ea值最低,說明離子液體對煤在不同程度上起到一定的抑制作用。研究結果可為離子液體抑制煤自燃領域提供基礎,對煤自燃防治工作起著指導性的作用。
  • 作者(Author):秦傳睿陸偉李金亮
    關鍵詞(KeyWords):降溫聚氨酯水合鹽注漿材料

    摘要:針對普通聚氨酯注漿材料固化反應溫度高,礦井注漿過程中存在冒煙、遺煤自燃等隱患,在以納米級粉煤灰為骨料添加的基礎上,分別選取NH4Al(SO4)2·12H2O,NH4Cl2種水合鹽,與聚醚多元醇GR4110B等助劑配成A組分,以Ba(OH)2·8H2O與聚醚多元醇TMN450配成B組分,以異氰酸酯為C組分,通過原味聚合法制備出1種新型降溫型聚氨酯/納米粉煤灰注漿材料。在取得顯著降溫效果的同時,研究了結晶水合鹽、納米粉煤灰與聚氨酯之間的最優復配比例。在此基礎上,結合部分表征手段進一步探究其微觀結構組成及其降溫機理。結果表明,2種無機物能有效填入聚氨酯基體中形成有機/無機復配材料,當納米粉煤灰摻量為40%、無機水合鹽摻量為10%時,其最優抗壓強度為44 MPa,固化最高溫度降低至82 ℃;此外,通過SEM及紅外光譜分析表明,無機水合鹽的摻入促使體系中的NH4+及反應后產生的氨分子與之發生取代反應后形成NH2,并相繼與異氰酸根反應生成取代脲,由此觀察到材料斷面含有許多固體微珠及小孔,其間存在縫隙,縫隙中溶有可溶性鹽。熱重及機理分析進一步驗證了復合材料反應體系中納米粉煤灰通過熱傳導吸熱而達到第一步降溫過程;Ba(OH)2·8H2O結晶水受熱汽化配合與NH4Cl的化學反應是限制體系溫度上升的主要階段;NH4Al(SO4)2·12H2O脫水汽化吸熱及相變、縫隙中溶有BaCl2等可溶性鹽的往復吸脫水汽化吸熱是降低反應體系溫度的最后階段。
  • 作者(Author):鄧軍任帥京肖旸李青蔚王彩萍
    關鍵詞(KeyWords):熱擴散系數比熱導熱系數不確定度

    摘要:煤的熱性能在煤自燃傳熱過程中起著重要的作用,而熱物性參數又是決定物質傳熱能力的內在因素,為此以新疆艾維爾和硫磺溝煤樣為研究對象,運用LFA457型激光導熱分析儀,測試了30 ℃~300 ℃范圍內的煤體熱擴散系數、比熱以及導熱系數。實驗結果表明:在240 ℃之前,隨著溫度的升高,熱擴散系數逐漸降低,比熱逐漸升高,氮氣和空氣條件下的熱擴散系數和比熱的變化趨勢比較類似。當溫度超過240 ℃,氮氣和空氣條件下的熱擴散系數和比熱的差異性隨溫度的升高逐漸增大,空氣條件下的熱擴散系數開始逐漸增大,比熱的增長逐漸變緩,而氮氣條件下的熱擴散系數和比熱繼續保持240 ℃之前的變化趨勢。熱擴散系數和比熱的變化率則呈現出明顯的階段性特征,以T1和T2為界限。在界限之前,空氣條件下的熱擴散系數和比熱的變化率與氮氣條件下的相比,二者的差異性較小;在界限后,隨著溫度進一步升高,二者的差異性逐漸增大,表明空氣條件下的煤樣受高溫的影響內部分子結構發生較大變化。導熱系數隨著溫度的升高呈現出逐漸增加的趨勢,與比熱的變化趨勢較為一致,所以比熱的變化是影響導熱系數的關鍵因素。通過對熱物性參數進行不確度計算,得出在測試過程中比熱受溫度影響最大,測試結果的分散性較高。研究結果有助于進一步理解煤低溫氧化蓄熱過程內部傳熱機理,為防治煤自燃提供理論依據。

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