低温对不同水分条件下煤的坚固性系数影响研究

煤体力学性质是煤与瓦斯突出的一个必要条件,提高煤体的力学性质对抑制煤与瓦斯突出的发生具有重要的意义。为探析低温环境及水分对煤体坚固性系数的影响,通过煤样加湿处理装置及低温环境坚固性系数测试装置,对不同温度及不同水分条件下煤体的坚固性系数进行测试。研究结果表明:随着温度的升高以及煤样水分的降低,煤的坚固性系数呈减小趋势;随着温度的降低以及煤样水分的升高,煤的坚固性系数呈增大趋势。研究为通过煤层注水加冷冻的措施治理煤与瓦斯突出奠定了理论基础。     

煤表面润湿性的影响因素

为了深入研究煤表面润湿性的影响机理,选用16种不同变质程度的煤样,利用JC2000C1接触角测量仪表征润湿性大小。通过煤尘的镜质组反射率测定、工业分析、元素分析、红外光谱实验、激光粒度仪测定,研究了煤的变质程度(煤阶),化学组成,含氧官能团,粒度分形维数,比表面积等性质,并用最小二乘法与接触角建立线性拟合。研究表明:煤表面润湿性主要取决于氧含量、水分、灰分和含量官能团;亲水性含氧官能团主要为910~940 cm-1羟基变形振动和3 400~3 450 cm-1芳香羟基伸缩,在所测煤样中羰基和羧基表现不明显;同时随着煤阶,碳含量,固定碳的增大,其接触角逐渐增大,润湿性变差;利用分形维数表征粒度分布,随着煤粒径D10,D50,D90变小,分形维数增大,接触角变大,润湿性变差。     

九里山矿马坊泉断层对煤与瓦斯突出的影响

为了研究断层构造对煤与瓦斯突出的影响,以九里山矿马坊泉断层为例,选取了距离断层不同位置的6个煤样进行了瓦斯含量、瓦斯压力的现场测定及工业分析、吸附常数、瓦斯放散初速度、真密度、视密度、坚固性系数的实验室测定。结果显示,随着与断层的靠近,6个煤样的变质程度和水分逐渐降低,而灰分却先急剧升高后逐渐降低,此外,断层构造导致煤样坚固性系数的变化无规律且幅度大;6个煤样的真密度和视密度均是先急剧增加后逐渐减小,且与灰分表现出明显的正相关,同时孔隙率也表现出了相同的规律;断层构造附近瓦斯压力和含量并不太大且无规律性,但朗格缪尔体积和瓦斯放散初速度却比较大,也无规律性。结果表明,马坊泉断层是一个开放性断层,释放了煤层瓦斯,但是断层构造改变了煤体成分,造成了部分煤体强度降低以及地应力非均匀分布,总体上增加了区域煤与瓦斯突出的危险性。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

煤阶对瓦斯放散初速度及坚固性系数影响研究

为了分析煤阶瓦斯放散初速度数值与煤样坚固性系数的相互关系,采用现场取样,实验室测试的方法,得到760个煤样的挥发分、灰分、瓦斯放散初速度坚固性系数等相关关系。结果表明:瓦斯放散初速度随着变质程度的降低而降低,坚固性系数随变质程度的增高而越小,据这2个指标判定的各变质程度煤样具有突出危险性的等级为:高变质程度无烟煤中变质程度烟煤低变质程度烟煤未变质程度煤;灰分的存在降低了煤样的瓦斯放散初速度△p,提高了煤样的坚固性系数,从而降低了煤与瓦斯的突出危险性。     

基于瓦斯放散特性单因素的煤与瓦斯突出模拟实验研究

使用三维煤与瓦斯突出模拟装置进行不同瓦斯放散特性煤样的煤与瓦斯突出模拟实验,分析单因素条件下煤样瓦斯放散特性对煤与瓦斯突出的影响。模拟实验进一步验证了煤体吸附瓦斯会在一定程度上降低煤体强度。实验结果表明,煤样瓦斯放散初速度与突出发生后残留煤体的坚固性系数呈负相关,瓦斯对煤样的粉碎作用会随瓦斯放散初速度增大而增强。提出突出强度系数综合表示突出发生的强度,数据显示:突出强度与煤样瓦斯放散初速度呈正相关,对于具有煤与瓦斯突出危险的煤层存在1个突出强度会急剧增加的阈值,当煤层的瓦斯放散初速度高于该数值时突出强度将明显增强。对于五轮山煤矿的5-3号煤层,该值介于13.9~16.8之间。     

吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究

煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成,为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦斯压力的变化规律,基于瓦斯防治理论和现场实践,研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数的自动化测试装置,研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明:煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明显,瓦斯压力越大,煤体强度越小,用以抵抗外力破碎的能力越差。     

水分影响下的烟煤瓦斯吸附特性

为研究烟煤在受水作用后的瓦斯吸附特性,以山西潞安王庄煤矿为研究对象,针对2种不同变质程度的烟煤,测试了不同水分含量下的瓦斯吸附量,并结合压汞法分析了煤样的微观孔隙结构特征,从微观角度分析了水分含量对煤体瓦斯吸附的影响机理。研究结果表明:干燥状态下的煤体瓦斯吸附量最大;水分含量对煤体瓦斯吸附特性有重要影响,受水作用后,WZ3煤样瓦斯吸附量呈现先快后慢的非线性衰减,而WZ15煤样则为较好的线性变化;在不同的孔径段范围内,WZ15煤样的孔容、孔比表面积均明显大于WZ3煤样,说明WZ15煤样的孔隙结构较WZ3更为发育,因此WZ15煤样较WZ3煤样在不同水分含量阶段均呈现出更好的吸附性。     

温度变化对煤体坚固性系数的影响

为了测定不同实验温度对煤坚固性系数的影响,设计制造了温度可调的坚固性系数测定装置,对煤样分组进行实验,在温度为-20~60℃之间,每隔10℃就测定1个坚固性系数,得到不同温度时刻的煤坚固性系数值,实验结果表明:煤体坚固性系数随着温度升高而减小,随着温度降低而增大,不同煤样受温度影响程度不一样,煤体越坚硬,变化的幅度越大,煤体越软,变化的幅度就越小。     

成庄矿煤层可注水性探讨

为了分析成庄矿煤层水的可注性,采集了成庄矿内开采的3#煤层煤样和矿井水,在实验室进行煤样原始水分、吸水性、矿井水表面张力及其与煤接触角的测定。结果表明,煤样的含水率平均为3.01%,自然吸水率和强制吸水率分别为3.43%和4.01%,矿井水的表面张力为80.9 mN/m,与自然状态的煤样接触角平均值为61.2°,与干燥状态的煤样接触角平均值为62.7°,与饱和状态的煤样接触角平均值为53.7°。结合煤层注水可注性鉴定标准,初步断定成庄矿可以采用矿井水对煤层注水的方法防治粉尘灾害。     

基于红外光谱的煤尘润湿性

为了研究煤尘的微观润湿特征,取具有代表性的6种煤样进行煤质特征分析和液-固界面动态接触角滴液系统测定,同时采用NICOLET-380傅里叶变换红外光谱仪,对煤尘表面官能团进行分析。通过将煤尘润湿接触角与煤尘表面官能团吸收强度建立定量关系,得到煤尘表面无机矿物质官能团(以灰分和无机硅酸盐为代表)、含氧官能团(以芳香羟基为代表)以及有机大分子结构(以芳环C—H键为代表)对煤尘润湿性有较大影响,并且和煤尘润湿性接触角存在对应函数趋势,在3 050 cm-1处的红外透过率与煤尘接触角角度关系符合线性关系,相关系数R2=0.917 51;在1 020~1 100 cm-1处煤尘接触角随其透过率增加而增加,当透过率高于30%时,润湿角度稳定居高,此时相关系数R2=0.914 88。当煤尘含C量达到82%以上时,煤尘润湿性表现较差,趋势图相关系数R2=0.925 60。     

煤尘抑尘剂的润湿性能研究

选取3种煤粉作为研究对象,分别对7种不同抑尘剂的润湿性能进行了测试。基于煤粉成分、粒径分析结果,结合抑尘剂电动电位、表面张力性能,通过抑尘剂在煤粉表面的接触角和正向渗透实验研究了抑尘剂对煤粉润湿性的影响。结果表明,抑尘剂在煤粉表面的接触角与煤粉的灰分成反比;抑尘剂溶液的表面张力、液—固之间的界面张力共同影响抑尘剂在煤粉表面的润湿能力;抑尘剂对不同粒径煤粉的渗透性能提升有较大差异,电动电位较小的抑尘剂能够有效改善较小粒径煤尘的表面润湿性。     

煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探——以平顶山矿区为例

煤矿开采逐渐向深部延伸,深部开采条件下煤尘灾害频发,防控难度高,除尘机理与技术仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一。以平顶山矿区丁、戊、己、庚4组煤层采集的原煤为研究对象,联合多种煤尘物理化学性质测试(工业分析,XRD,BET,SEM,FT-IR)、分子动力学模拟等手段,系统采用基础物性特征分析、润湿特性多因素影响探讨、分子层面润湿机理探索、抑尘剂改性讨论的研究思路,开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研发初探。研究表明:平顶山矿区丁戊己庚4组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己,煤中有机质质量分数、水分质量分数、灰分质量分数、无机矿物成分质量分数、比表面积、含氧官能团等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响,比表面积、石英质量分数、羟基和醚键数量越多,润湿性越好,固定碳质量分数越高,润湿性越差。联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟,根据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征,研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程,进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素,表面羟基数量正相关于吸附水分子能力,而煤尘醚键数量对于吸附水分子能力存在极大值。基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制,考察了3种非离子表面活性剂对4组煤尘的润湿除尘特性,基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理,针对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路。     

基于多元逐步回归的煤尘润湿性研究

煤尘的润湿性是影响煤矿湿式除尘的关键因素,受到多种物理化学因素的影响,且各影响因素间存在多重共线性。鉴于多元逐步回归在克服多变量多重共线性的优良有效性,利用SPSS软件,采用多元逐步回归的方法研究了煤尘的工业分析、元素分析、表面含氧官能团含量等因素对煤尘润湿性的影响。研究结果表明,影响煤尘润湿性的主要因素是煤尘表面的酚羟基含量和煤尘中固定碳含量,最优回归方程为θ=35.042-10.780[酚羟基]+0.859Wad(FC),最优回归方程的复相关系数为0.943,拟合优度较高,回归效果较好。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

煤尘润湿性影响因素的研究

试验以望峰岗原煤和祁东原煤为研究对象,选择表面活性剂十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、减水剂NF和吐温-80,通过接触角实验、红外光谱实验以及表面张力实验,研究了煤尘润湿性的影响因素。研究表明,表面活性剂水溶液对煤尘润湿性的影响与溶液的种类、浓度和表面张力以及煤样表面结构等因素密切相关。     

瓦斯氛围下煤水固液接触特征

为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制,搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统,测试了CZ(山西成庄矿无烟煤)及DW(陕西大湾矿烟煤)2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化,结合煤表面形貌测试、低压CO2吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律.结果 表明,随着气体压力的增加,煤润湿角逐渐增加,但在吸附...     

泡沫溶胶抑制静态煤尘特性及其应用技术的试验研究

为抑制静态煤尘起尘,分析了水性泡沫及泡沫溶胶液的表面张力及黏度;测定出水性泡沫液与煤尘对应的接触角,利用Zisman 图分析出煤尘浸湿性临界表面张力值;研制出以压缩气体作为惟一动力源的泡沫溶胶生成系统以及构建了泡沫溶胶抑尘试验系统。研究得出,当交联剂和表面活性剂添加质量分数分别为1%和5%时,构成的泡沫溶胶液具有较好的煤尘湿润性,较强的起泡能力和附着力;当压力为0.5 MPa、气体流量为60 m3/h时,吸入泡沫溶胶液的流量为9.81 m3/h,产泡体积为62.01 m3/h,气体利用率为87%,发泡倍数为6.3倍;风速在10.4 m/s以下时,泡沫溶胶能有效抑制煤堆不起尘。     

表面活性剂复配对低阶煤煤尘润湿性的影响

为解决煤尘不易被水润湿的问题,选取表面活性剂加入水中制成复配溶液。通过测定自来水、5种不同类型表面活性剂单体溶液及5种复配溶液的表面张力、煤尘接触角及煤尘沉降时间,研究表面活性剂复配对煤尘润湿性的影响规律。结果表明:阴离子与非离子、阴离子与阴离子、非离子与非离子表面活性剂复配都可以起到协同增效作用,显著提高煤尘的润湿性。其中质量分数为0.06%的快速渗透剂T和质量分数为0.20%的烷基糖苷APG复配溶液润湿煤尘效果最佳,100 mg煤尘沉降时间为0.22 min。研究结果可为表面活性剂的选取提供参考。