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烟煤的CO、CO_(2)和O_(2)竞争吸附特性研究

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煤炭科学技术 2023年第6期51卷 111-121页

作者：董轩萌郭立稳董宪伟王福生华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点试验室河北唐山063210

为明晰煤与CO、CO_(2)、O_(2)之间的吸附规律,研究CO与CO_(2)、O_(2)在煤中的竞争关系,以钱家营烟煤为研究对象,基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的试验结果,通过定量分析和分子单元参数构建的方法,构建钱家营烟煤分子晶胞结构(C1160H860O8... 详细信息

为明晰煤与CO、CO_(2)、O_(2)之间的吸附规律,研究CO与CO_(2)、O_(2)在煤中的竞争关系,以钱家营烟煤为研究对象,基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的试验结果,通过定量分析和分子单元参数构建的方法,构建钱家营烟煤分子晶胞结构(C1160H860O80N20),为验证构建模型的准确性,利用量子化学计算模拟分子的红外光谱,计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法,研究压力(0~16 MPa)、温度(20~60℃)对煤吸附CO、CO_(2)、O_(2)的影响。研究结果表明:拟合的等温吸附曲线符合Langmuir方程,在相同压力下,温度越高,CO、CO_(2)、O_(2)吸附能力越弱,在相同温度下,煤层埋深压力与吸附量之间呈正相关趋势,单一气体CO、CO_(2)和O_(2)的吸附量为CO_(2)>O_(2)>CO,且CO_(2)率先达到饱和吸附状态;二元组分气体的竞争吸附结果显示,在低压或浅埋深煤层,CO_(2)/CO的吸附选择性有明显优势,随压力变化,O_(2)/CO的吸附选择性变化不明显。CO_(2)的竞争吸附能力大于CO,随CO物质的量分数增加,CO_(2)的吸附量减少;在CO与O_(2)物质的量之比≤1时,O_(2)的竞争吸附量大于CO,而CO物质的量远大于O_(2)时,CO的吸附量大于O_(2),所以CO物质的量分数越高,对CO_(2)和O_(2)的吸附能力起到抑制作用。在CO异常浓度较高的烟煤煤层,利用注射CO_(2)控制灭火的效果不显著,所以还应控制工作面漏风量,以防CO脱附煤体,保证井下CO浓度在规定允许范围。

关键词：烟煤竞争吸附分子模拟吸附特性分子结构

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花岗岩巷道岩爆声发射信号主频特性试验研究

岩土力学 2017年第5期38卷 1258-1266页

作者：张艳博于光远田宝柱刘祥鑫梁鹏王亚东华北理工大学矿业工程学院河北唐山063009 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点试验室河北唐山063009

利用双轴伺服试验机开展花岗岩巷道岩爆模拟试验,采用声发射系统获取岩爆全过程的波形信号。基于频谱分析理论,研究岩爆孕育、发生全过程的声发射信号主频特性。研究结果表明:双轴加载条件下花岗岩巷道岩爆声发射主频分布区间为0.4~110 ... 详细信息

利用双轴伺服试验机开展花岗岩巷道岩爆模拟试验,采用声发射系统获取岩爆全过程的波形信号。基于频谱分析理论,研究岩爆孕育、发生全过程的声发射信号主频特性。研究结果表明:双轴加载条件下花岗岩巷道岩爆声发射主频分布区间为0.4~110 kHz,其中99%以上的主频值集中在35~65 kHz。声发射信号主频的分布随岩爆演化可分为3个阶段:(1)岩爆孕育前期,大部分主频值集中在35~65 kHz和15~25 kHz区间,且有一定数量接近0.4 kHz的低频值出现,极少出现接近110 kHz的高频值;(2)岩爆孕育中期,主频值集中在35~65 kHz区间,接近0.4 kHz的低频值基本消失,少量接近110 kHz的高频值开始出现;(3)岩爆发生阶段,35~65 kHz区间内的主频数量骤减,接近0.4 kHz的低频值极少出现,接近110 kHz的高频值密集出现。研究结果为优选声发射监测频段提供了方法和依据,且对巷道岩爆的监测预警工作具有重要理论意义。

关键词：花岗岩巷道岩爆声发射主频

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矿用锚索预紧效应分析及锁定计算

煤炭学报 2015年第2期40卷 293-300页

作者：刘建庄郭立稳李建民耿清友河北联合大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063009 开滦(集团)有限责任公司河北唐山063009

预紧力是影响锚固效能发挥的重要指标,为查明其关键作用与锚索张拉锁定的预紧机制,以ANSYS软件模拟方法,探讨了锚索预紧力高低对于锚固串群效应的影响机制,对比了张拉力与预紧力的区别与联系,通过构建拉簧串联模型,推导了锚索由张拉至... 详细信息

预紧力是影响锚固效能发挥的重要指标,为查明其关键作用与锚索张拉锁定的预紧机制,以ANSYS软件模拟方法,探讨了锚索预紧力高低对于锚固串群效应的影响机制,对比了张拉力与预紧力的区别与联系,通过构建拉簧串联模型,推导了锚索由张拉至锁定过程中各元件的受力变形,得出了预紧力形成的计算公式并给出了具体算例。研究表明:持压力越大、围岩越软、自由段长度越长、夹片跟进性能越好,预紧力越高,张拉力损失也越小。工程应用中应兼顾高预紧力的锁定形成及长期保持,综合采取超张拉、补偿张拉、优化自由段长度、匹配限位距离和改进限位方式、锚索注脂等措施,从而全面发挥锚索的支护性能。

关键词：锚索张拉力预紧力锁定转化率

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花岗岩破裂过程声发射主频多元前兆信息识别

采矿与安全工程学报 2017年第2期34卷 355-362页

作者：张艳博于光远田宝柱刘祥鑫梁鹏华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063009

通过开展自然花岗岩单轴压缩声发射实验,获取岩石变形破裂全过程声发射波形信号,基于频谱分析理论,分析花岗岩破裂过程声发射主频演化规律,研究花岗岩变形破裂的主频多元前兆特征。研究结果表明:最高频、最低频、敏感主频出现率和主频... 详细信息

通过开展自然花岗岩单轴压缩声发射实验,获取岩石变形破裂全过程声发射波形信号,基于频谱分析理论,分析花岗岩破裂过程声发射主频演化规律,研究花岗岩变形破裂的主频多元前兆特征。研究结果表明:最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数4个参数能够从不同角度反映岩石破裂过程,适合作为岩石失稳预测的主要参数;岩石破裂前,最高频密集出现接近110 k Hz的主频值,最低频由接近0.4 k Hz低频值密集出现的活跃期转入极少接近0.4 k Hz低频值出现的稳定期;35~45 k Hz频段的主频值对此类花岗岩内部裂纹积聚最为敏感,加载后期此频段主频出现率突现大幅度下降并转入平静;主频变异系数在岩石破裂前密集出现较大幅度上升点。经统计分析,4个参数对岩石破裂前兆的响应时间从早到晚依次为最高频、最低频、敏感主频出现率和主频变异系数。不同参数能够从不同角度反映岩石内部裂纹演化过程,鉴于岩石变形破坏的复杂性,建议对各参数进行联合分析,为岩石破裂灾变提供更可靠的预警信息。

关键词：花岗岩声发射主频多元前兆

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含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展

中国有色金属学报 2022年第11期32卷 3489-3504页

作者：贾蓝波王玲郭紫璇熊雨婷夏亮亮王龙聂轶苗刘淑贤华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室唐山063210

钒是重要的战略金属,萃取法是当前溶液中钒分离富集的主要方法之一。本文从含钒溶液的特点及溶液中钒的存在形态出发,阐述了溶液中钒分离富集的难点所在,综述了含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展,对萃取机理及工艺影响因素等进行了总结... 详细信息

钒是重要的战略金属,萃取法是当前溶液中钒分离富集的主要方法之一。本文从含钒溶液的特点及溶液中钒的存在形态出发,阐述了溶液中钒分离富集的难点所在,综述了含钒溶液萃取分离富集钒的研究进展,对萃取机理及工艺影响因素等进行了总结分析,展望了萃取法的发展趋势。有机磷类萃取剂、有机胺类萃取剂、长链醇萃取剂、羟肟类萃取剂等传统的有机溶剂萃取体系应用相对成熟,但有机溶剂萃取体系普遍存在易挥发、有毒有害、易燃易爆等问题;近年来,双水相、三液相、离子液体等新型绿色萃取体系受到越来越多的关注;乳状液膜、微乳液、支撑液膜、聚合物包容膜等液膜萃取在缩短萃取流程、降低生产成本、提高钒分离效率及钒产品质量等方面有较大发展空间。

关键词：含钒溶液钒形态萃取分离富集

基于红外辐射时空演化的巷道岩爆实时预警方法实验研究

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采矿与安全工程学报 2018年第2期35卷 299-307页

作者：张艳博杨震姚旭龙梁鹏田宝柱孙林华北理工大学矿业工程学院河北唐山063009 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063009

开展花岗岩巷道岩爆模拟实验,利用红外热像仪监测巷道岩爆全过程。分析岩爆过程中红外热像空间演化过程,引入统计学中方差理论,定量刻画岩爆过程温度场的时序演化特征。在此基础上,采用有限差分法,实时获取红外热像温度场分异速率,应用... 详细信息

开展花岗岩巷道岩爆模拟实验,利用红外热像仪监测巷道岩爆全过程。分析岩爆过程中红外热像空间演化过程,引入统计学中方差理论,定量刻画岩爆过程温度场的时序演化特征。在此基础上,采用有限差分法,实时获取红外热像温度场分异速率,应用区间估计理论提取岩爆预警特征信号,建立岩爆实时预警方法。研究结果表明,岩爆过程和红外辐射时空演化存在对应关系:岩爆孕育阶段,红外温度场全局低温,无分异现象;颗粒弹射期,温度场开始出现高温集中,高、低温区域点状交替分布,温度场开始出现分异;片状剥离伴随颗粒混合弹射期,片状高温区域出现,随后高温区域短暂降温、扩散,分异程度急速上升后短暂下降;岩爆发生时,温度场内高温区域消失,分异程度骤降。基于温度场时序演化特征的量化研究,采用有限差分法实时获取温度场分异速率,将温度场稳定分异阶段分异速率数学期望置信度为0.99的置信区间上、下限设定为阈值,进行岩爆预警特征信号提取,将岩爆预警特征信号的第1次出现作为预警系统触发信号,建立基于红外时空演化的实时预警方法,为矿山灾害预警系统的建立提供理论指导。

关键词：岩爆红外辐射时空演化实时预警

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金属离子螯合剂抑制煤自燃试验研究

煤炭科学技术 2023年第S1期51卷 132-140页

作者：王福生张朝阳刘向群孙萌华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

煤自燃火灾是井下常见的灾害之一,影响煤自然发火的因素有很多,煤中过渡金属离子就是其中之一,但以往的研究更多是侧重于金属离子螯合剂在热力学等方面的影响,而煤中过渡金属离子形成螯合物后,其对煤自燃影响的相关研究还相对较少,为探... 详细信息

煤自燃火灾是井下常见的灾害之一,影响煤自然发火的因素有很多,煤中过渡金属离子就是其中之一,但以往的研究更多是侧重于金属离子螯合剂在热力学等方面的影响,而煤中过渡金属离子形成螯合物后,其对煤自燃影响的相关研究还相对较少,为探究金属离子螯合剂抑制煤自燃的效果,将5种金属离子螯合剂溶解于去离子水中,制备质量分数为5%的金属离子螯合剂溶液。随后将煤样和金属离子螯合剂溶液按照质量比4∶1充分搅拌,得到阻化煤样。采用程序升温-气相色谱试验、孔隙结构试验、红外光谱试验,分析加入螯合剂后指标气体CO的浓度变化,螯合剂螯合过渡金属离子后对孔隙结构的影响与螯合煤中过渡金属离子前后煤中活性基团的含量。结果表明:经金属离子螯合剂处理后的煤样CO首次产生的温度点均有推迟,且产生量较原煤减少,金属离子螯合剂可以达到抑制煤自燃的效果;金属离子螯合剂与煤中过渡金属离子可以形成以配位键连接的螯合物,这些螯合物可减小煤的比表面积与孔隙、孔体积的大小,使煤氧复合反应降低;同时分析红外光谱试验结果发现,形成螯合物的过渡金属离子失去催化能力,难以催化煤中甲基—CH_(3)、亚甲基—CH_(2)-与羧基—COOH的转化反应,使煤中官能团能在常温状态下难以被活化,从而抑制了煤自燃的发生;此外,有机膦酸型金属离子螯合剂相对于氨基羧酸型螯合剂对煤自燃的抑制具有更好的效果。

关键词：煤自燃阻化剂煤中过渡金属离子金属离子螯合物孔隙结构官能团

基于程序升温试验的煤自燃特性及微观机理研究

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煤炭科学技术 2024年第S1期52卷 94-106页

作者：刘垚王福生董轩萌高东华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

针对煤在变氧条件下氧化自燃能力不同这一情况,选取褐煤、气煤、肥煤3种不同变质程度的煤作为试验样品开展了氧气体积分数为3%、5%、10%、14%、18%条件下的程序升温-气相色谱试验和基于ReaxFF力场的分子动力学模拟,根据CO、CO_(2)等的... 详细信息

针对煤在变氧条件下氧化自燃能力不同这一情况,选取褐煤、气煤、肥煤3种不同变质程度的煤作为试验样品开展了氧气体积分数为3%、5%、10%、14%、18%条件下的程序升温-气相色谱试验和基于ReaxFF力场的分子动力学模拟,根据CO、CO_(2)等的生成规律和路径,探究不同变质程度煤在变氧条件下基团受氧气影响的变化特征。结果表明:煤受温度和氧气影响容易产生CO、CO_(2)等指标气体,且指标气体CO、CO_(2)呈指数上升趋势,煤的变质程度越低,在相同氧气体积分数条件下产生指标气体的温度就越低。模拟结果显示,变氧条件下煤与氧的反应可能是氧与煤受温度影响产生的活性中间体片段反应,而不是直接攻击煤的主体结构。煤在受温度影响后煤结构基团并不是直接发生改变,而是经历结构调整进行键的扭转、断裂和原子上的转变生成适合与氧气反应的活性中间体片段。变质程度越高的煤分子结构越稳定越不易受温度的影响产生活性中间体片段,通入氧气后氧与活性中间体反应的速度低于煤受温度影响产生活性中间体的速度,所以变氧条件下氧一般是与活性中间体反应生成水、CO等指标气体,而不是直接与煤主体结构反应。综合分析试验结果与模拟结果发现:褐煤在氧气体积分数处于3%、气煤在氧气体积分数处于10%~14%、肥煤在氧气体积分数处于14%~18%时,水和含氧气体的数量相较于其他阶段明显增加,说明在氧含量较低的区间内这3种不同变质程度的煤受氧气影响较大,加速了煤氧化反应进程,煤自燃倾向性高。

关键词：煤自燃 ReaxFF力场变氧条件分子结构活性基团

静流场中赤铁矿絮凝体-气泡碰撞概率影响因素研究

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中国矿业大学学报 2018年第6期47卷 1334-1339页

作者：牛福生刘亚张晋霞付董帅华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

为了探究赤铁矿絮凝体-气泡的碰撞过程,基于统计平均和颗粒自由沉降的思想,通过自行搭建的颗粒-气泡碰撞观测系统对不同絮凝体颗粒尺寸与气泡直径、絮凝体密度和分形维数之间的碰撞概率变化进行研究.结果表明:在气泡直径小于1.17mm范围... 详细信息

为了探究赤铁矿絮凝体-气泡的碰撞过程,基于统计平均和颗粒自由沉降的思想,通过自行搭建的颗粒-气泡碰撞观测系统对不同絮凝体颗粒尺寸与气泡直径、絮凝体密度和分形维数之间的碰撞概率变化进行研究.结果表明:在气泡直径小于1.17mm范围内,絮凝体碰撞概率线性增强趋势明显,且随着絮凝体粒度的增大这种趋势有所放缓,絮凝体密度、分形维数则在气泡直径一定条件下,碰撞概率呈线性正相关关系.结合赤铁矿絮凝体-气泡碰撞概率变化规律和低雷诺数区的中间流流线方程,建立了基于静流场中絮凝体-气泡碰撞概率模型,减小气泡直径、增大絮凝体密度和分形维数对于提高碰撞概率具有重要促进作用.

关键词：气泡絮凝体碰撞概率 CCD摄像机碰撞模型