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介孔WO3/H2O2光催化氧化低浓度瓦斯制甲醇性能与机理

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煤炭学报 2019年第10期44卷 3107-3116页

作者：杨娟郝静怡戴俊魏建平王云刚河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454003 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454003

将低浓度瓦斯转化为易于储运的液态工业原料甲醇是其综合利用的一个发展方向,如何实现温和条件下甲烷的有效活化与甲醇的选择性生成是瓦斯催化转化制甲醇的两个关键问题。以有序多孔二氧化硅KIT-6为模板剂,磷钨酸-乙醇溶液为前驱物,合... 详细信息

将低浓度瓦斯转化为易于储运的液态工业原料甲醇是其综合利用的一个发展方向,如何实现温和条件下甲烷的有效活化与甲醇的选择性生成是瓦斯催化转化制甲醇的两个关键问题。以有序多孔二氧化硅KIT-6为模板剂,磷钨酸-乙醇溶液为前驱物,合成了具有高比表面积的介孔三氧化钨(WO3),通过X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及低温氮吸附-脱附技术对介孔WO3的晶型组成、微观形貌、比表面积及孔结构特性进行表征,以所制介孔WO3为催化剂、双氧水(H2O2)为电子捕获剂与氧化剂,构建了WO3/H2O2可见光催化体系,并对该体系氧化低浓度瓦斯合成甲醇的性能进行了系统研究。结果表明:甲烷初始浓度、可见光照射强度、H2O2添加等均会影响甲烷转化率与甲醇选择性,且不同甲烷体积分数模拟瓦斯有不同的最佳H2O2;对于甲烷体积分数为20%的模拟瓦斯,介孔WO3在优选的H2O2溶液(浓度为13.5 mmol/L)中可实现甲烷的选择性转化,可见光照射120 min甲烷转化率为24.9%(是仅使用介孔WO3或H2O2体系的8.3与8.9倍),且甲醇选择性高达82.5%,继续增大H2O2可进一步促进甲烷的转化,但由此产生的过量羟基自由基(·OH)导致生成更多的副产物乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2),使甲醇选择性显著降低;电子自旋共振测试结果表明WO 3吸收可见光产生的光空穴是活化甲烷分子的主要物种,甲烷分子首先经由光空穴抽氢反应生成甲基自由基(·CH 3),H2O2一方面作为电子捕获剂增强光空穴的生成,提高甲烷光活化效率,同时被WO3导带电子还原生成羟基自由基(·OH),并进一步与·CH3相结合生成产物甲醇,即·OH是甲醇选择性生成的主要氧化物种。上述结果为煤矿低浓度瓦斯的清洁利用提供新思路。

关键词：低浓度瓦斯甲醇光催化氧化有序介孔WO3 H2O2

高阶自适应有限元三维直流电阻率正演方法及其在沁水盆地煤气层压裂监测中的应用

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石油地球物理勘探 2021年第1期56卷 209-216,I0016页

作者：赵宁黄明卫申亚行陶德强秦策河南理工大学物理与电子信息学院河南焦作454150 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454150 东方地球物理公司综合物化探处河北涿州072751

自适应有限元解的精度主要受单元大小和形函数阶数的影响,为了得到高精度的有限元解,需要将网格自适应加密到足够的密度或者在网格中应用较高阶数的形函数,但这会大大增加计算时间,同时消耗大量计算资源。为提高有限元解的精度并节约计... 详细信息

自适应有限元解的精度主要受单元大小和形函数阶数的影响,为了得到高精度的有限元解,需要将网格自适应加密到足够的密度或者在网格中应用较高阶数的形函数,但这会大大增加计算时间,同时消耗大量计算资源。为提高有限元解的精度并节约计算资源,应用h型自适应加密算法并结合高阶形函数实现了三维直流电阻率模型的正演。在程序实现过程中,通过一维多项式的张量积生成三维空间中任意阶数的形函数,应用Kelly后验误差估计指导网格自适应加密。数值算例表明,形函数阶数p=3时,算法具有较高的精度,并且比p=1、2时有限元解的收敛更快,即实现了用最少的自由度个数得到最精确的有限元解。最后通过对沁水盆地南部某煤气层压裂监测区的三维合成数据模型进行直流电阻率模拟,验证了程序的有效性。

关键词：直流电阻率法有限元正演高阶形函数自适应

基于苯甲酸荧光法的Fenton试剂氧化降解瓦斯体系羟基自由基测定

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安全与环境学报 2014年第5期14卷 82-85页

作者：戴俊王政锦宋会磊杨娟魏建平河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室--省部共建国家重点实验室培育基地(河南理工大学) 河南焦作454000

为了快速检测Fenton试剂氧化降解瓦斯反应体系中生成的羟基自由基(·OH),提出了一种苯甲酸荧光法测定·OH含量的方法。Fenton试剂产生的·OH能与苯甲酸反应生成具有强荧光的羟基苯甲酸,利用荧光强度的变化可间接测定反应体系中·OH的含... 详细信息

为了快速检测Fenton试剂氧化降解瓦斯反应体系中生成的羟基自由基(·OH),提出了一种苯甲酸荧光法测定·OH含量的方法。Fenton试剂产生的·OH能与苯甲酸反应生成具有强荧光的羟基苯甲酸,利用荧光强度的变化可间接测定反应体系中·OH的含量,系统研究了H2O2浓度、Fe2+浓度、初始pH值等因素对·OH产生效率的影响。结果表明,H2O2浓度、Fe2+浓度、初始pH值是影响Fenton试剂产生·OH的主要因素,当c(H2O2)=100 mmol/L、c(Fe2+)=2.0 mmol/L、pH=2.5时,溶液荧光强度F最大,同时Fenton试剂降解瓦斯反应体系的·OH生成量最大。

关键词：安全工程荧光光谱法苯甲酸羟基自由基瓦斯

低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩规律

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煤炭学报 2024年第11期49卷 4429-4440页

作者：张宏图杨耀浦刘勇魏建平李志平河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广,坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题,如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此,提出低压磨料空射流切槽辅... 详细信息

全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广,坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题,如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此,提出低压磨料空射流切槽辅助滚刀破硬岩技术思路。基于低压磨料空气射流辅助滚刀破岩综合实验平台,研究不同切槽深度对滚刀破岩刀具受力和岩石破碎的影响。采用PFC数值分析不同切槽深度下刀具垂直载荷、裂纹扩展、比能耗和岩石应力场等变化规律,进一步解释切槽辅助滚刀破岩过程中刀具受力减小原因。形成以下主要结论:切槽底端是滚刀破岩过程应力集中区域,主裂纹从滚刀与岩石作用位置到切槽底端扩展贯通,当切槽深度大于8 mm后形成滚刀压痕处高、切槽底端低的“岩脊”状岩石破坏特征,随着切槽深度增加,岩脊高度逐渐变大。切槽后主裂纹与切槽边缘和岩石断面贯通,呈现三角状岩石破碎体,切槽深度越大,岩石块状破碎体的体积越大,同时滚刀最大垂直载荷越小,数值模拟结果与相关实验结果具有一致性。低压磨料空气射流切槽为20 mm时,滚刀最大垂直载荷为不切槽时的68%。切槽过后滚刀破岩过程中刀具两侧岩石应力减小,进一步使滚刀破岩过程刀具传递力的大小降低并朝着切槽底端传递,切槽起到移除侧向约束的作用,降低了刀具贯入的垂直载荷,形成大块状的岩石破碎体,从而减小破岩比能耗。

关键词：滚刀破岩低压磨料空气射流辅助切槽破岩效率岩石应力场

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真空紫外光降解瓦斯反应动力学规律

安全与环境学报 2015年第5期15卷 87-91页

作者：戴俊刘雯杨娟魏建平河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室--省部共建国家重点实验室培育基地(河南理工大学) 河南焦作454000

为了研究真空紫外光降解瓦斯过程的反应动力学规律,在自制的真空石英光化学反应器中以含甲烷标准气体模拟矿井瓦斯,运用Langmuir-Hinshelwood(L-H)拟一级反应动力学模型对不同光照强度、氧气体积分数、甲烷初始体积分数和水分子体积分... 详细信息

为了研究真空紫外光降解瓦斯过程的反应动力学规律,在自制的真空石英光化学反应器中以含甲烷标准气体模拟矿井瓦斯,运用Langmuir-Hinshelwood(L-H)拟一级反应动力学模型对不同光照强度、氧气体积分数、甲烷初始体积分数和水分子体积分数下瓦斯(甲烷)的降解过程进行拟合。结果表明:真空紫外光降解瓦斯反应动力学规律符合一级反应动力学特性;光照强度、甲烷初始体积分数、氧气体积分数和水分子体积分数是影响真空紫外光降解瓦斯的主要因素;瓦斯(甲烷)降解的反应速率随光照强度和氧气体积分数增大而增大,随甲烷初始体积分数增大而减小,随水分子体积分数增大而先增大后减小。

关键词：安全工程瓦斯真空紫外光羟基自由基反应动力学 Langmuir-Hinshelwood方程

不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值的实验研究及应用——以安阳矿区龙山矿无烟煤和大众矿贫煤为例

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天然气工业 2013年第3期33卷 101-106页

作者：孙丽娟聂百胜郝富昌中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院河南理工大学.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室--省部共建国家重点实验室培育基地

为了提高对瓦斯突出区域预测的准确性,确定合理的瓦斯含量临界值,分析了不同煤阶煤的吸附特征,搭建了具有温控功能的大质量煤样瓦斯吸附解吸实验系统。实验分析了瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的相互关系,确定出了不同煤阶瓦斯... 详细信息

为了提高对瓦斯突出区域预测的准确性,确定合理的瓦斯含量临界值,分析了不同煤阶煤的吸附特征,搭建了具有温控功能的大质量煤样瓦斯吸附解吸实验系统。实验分析了瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的相互关系,确定出了不同煤阶瓦斯含量临界值。结果表明:①煤的变质程度越高,煤吸附甲烷的能力越强,区域预测瓦斯含量临界值就越高;②龙山矿无烟煤吸附常数(a)值为43.224～45.013m3/t,瓦斯压力为0.74MPa时对应的瓦斯含量最低为10.9m3/t,Δh2为200Pa对应的瓦斯含量最低为10.8m3/t,确定其瓦斯含量临界值为10.0m3/t;③大众矿贫煤a值为30.813～33.85m3/t,瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量最低为9.04m3/t,Δh2为200Pa对应的瓦斯含量最低为9.3m3/t,考虑到该矿煤质松软,确定其临界值为8.0m3/t。现场跟踪考察结果表明,所确定的瓦斯含量临界值安全可靠,该研究成果可为其他类似矿区提供借鉴。

关键词：瓦斯含量临界值区域预测煤与瓦斯突出瓦斯压力钻屑瓦斯解吸指标构造煤

特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究

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煤炭科学技术 2021年第5期49卷 19-26页

作者：高建良蔡行行卢方超王文元河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先... 详细信息

对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论,获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系,进而通过迭代反演确定了破碎岩体的岩体力学参数。在此基础上,通过数值模拟计算及分析,得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明:在采空区底板范围内,随着煤层倾角增大,采空区应力恢复“O”形圈不再以采空区中部走向线对称分布,而向倾向下部偏移。沿倾向,在采空区的上下两端,侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小,但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向,在工作面底板,超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后,通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知,工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大,但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度;采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部,向倾向下端偏移。

关键词：煤层倾角特厚煤层底板应力下伏煤层瓦斯富集

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瓦斯氛围下煤水固液接触特征

煤炭学报 2022年第1期47卷 323-332页

作者：魏建平王洪洋司磊磊席宇君河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

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CO_(2)吸附试验及XRD试验分析了... 详细信息

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CO_(2)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,但在吸附性气体环境中,煤润湿角增加幅度更为明显,在0~2 MPa,CZ煤样的润湿角由72.99°增加到106.90°,从亲水性润湿过渡为中性润湿,最终转变为疏水性润湿,而DW煤样的润湿角由61.23°增加到85.14°,始终为亲水性润湿。分析认为,煤对甲烷的吸附能力是影响煤润湿角的主要原因。煤吸附甲烷后,在煤表面形成气膜,特别是在高压条件下,煤孔隙中的游离气体也会阻碍水对煤的润湿。而且吸附甲烷后,煤表面自由能降低,表面状态更加稳定,致使润湿性进一步减弱。气液竞争吸附也是影响煤水润湿性减弱的原因之一。进一步的,无烟煤的表面更加粗糙且具有更加发育的微孔结构,致使其具有较高的表面自由能,对甲烷的吸附能力更强,这是造成无烟煤在甲烷氛围下其润湿角变化更为明显的重要因素。此外,煤中矿物质可以影响煤的瓦斯吸附能力及表面润湿特性,也是影响含瓦斯煤润湿角的重要因素。

关键词：润湿性瓦斯氛围环境压力表面形貌吸附特性

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基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

煤炭科学技术 2021年

作者：张健许博魏建平张鹏妍蔡茂林张凯旋河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地河南理工大学安全科学与工程学院

煤尘是煤矿的七大灾害之一，它不仅影响作业人员的身体健康，还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响，已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决矿下煤尘问题，选取了亲水...

煤尘是煤矿的七大灾害之一，它不仅影响作业人员的身体健康，还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响，已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决矿下煤尘问题，选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象，使用光学接触角形貌联用仪测量三种煤样的均方粗糙度，测定三种煤样的本征接触角，利用COMSOL数值软件构建二维物理模型，设置模拟条件，调整模拟参数，分析对比实验值和模拟值，验证COMSOL数值模拟的可行性，研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明：数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和实验情况类似，但模拟接触角值比实验接触角值大；随着煤体表面粗糙度的增加，褐煤接触角值从60.7°降低到50.9°，变化范围在10°左右，焦煤接触角值从96.5°增加到112.7°，变化范围在16°左右，无烟煤接触角值从89.7°降低到78.3°，变化范围在11°左右；同种表面活性剂对三种煤样接触角的模拟值和实验值具有相同的变化趋势，但模拟值比实验值大。采用数值模拟的方法，研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响具有一定的可行性。煤体表面受粗糙度影响的润湿情况符合Wenzel模型。表面活性剂的存在不改变三种煤样的接触角随表面粗糙度变化的规律。

关键词：