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Z型异质结Ag_(2)S/AgVO_(3)可见光催化转化低浓度瓦斯制甲醇性能研究

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 275-287页

作者：杨娟单启月戴俊张鸽丰之翔河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

因缺乏合理有效的利用途径,大量低浓度瓦斯(C_(CH_(4))<30%)被直接排放,研究开发低浓度瓦斯高值转化利用方法和技术对保障煤矿安全生产与减缓温室效应具有重要意义,也是实现我国“双碳”战略目标必不可缺少的部分。以低浓度瓦斯为碳源... 详细信息

因缺乏合理有效的利用途径,大量低浓度瓦斯(C_(CH_(4))利用方法和技术对保障煤矿安全生产与减缓温室效应具有重要意义,也是实现我国“双碳”战略目标必不可缺少的部分。以低浓度瓦斯为碳源制取液体燃料甲醇被认为是其理想的利用途径之一,以清洁太阳能为驱动力的光催化技术可在室温常压下活化转化甲烷,为低浓度瓦斯低碳利用提供新途径。首先采用水热法制备AgVO_(3),以硫代乙酰胺为硫源,通过阴离子交换策略在AgVO_(3)表面原位复合Ag_(2)S,构筑出Ag_(2)S/AgVO_(3)异质结,改变硫代乙酰胺的用量可调控Ag_(2)S复合比例。利用XRD、SEM、TEM和紫外可见漫反射光谱等对复合催化剂的微观结构进行表征分析,以体积比为1∶12的甲烷/空气混合物模拟低浓度瓦斯,系统研究了Ag_(2)S复合比例、氧化剂用量、光照强度等对甲烷转化、甲醇产生及其选择性的影响规律,借助瞬态光电流响应谱和电子顺磁共振谱(EPR)探究了Z型异质结构Ag_(2)S/AgVO_(3)对增强模拟瓦斯转化性能的内在机理。研究结果表明:所制AgVO_(3)呈纤维状形貌,其晶相结构为单斜相,原位复合的Ag_(2)S呈纳米颗粒形态,其平均粒径为60 nm,且Ag_(2)S颗粒均匀分布于AgVO_(3)纤维表面。与单一AgVO_(3)和Ag_(2)S相比,复合材料Ag_(2)S/AgVO_(3)具有更强的光吸收性能,AgVO_(3)的带隙能、价带与导带电势分别为2.08 eV、2.21 V和0.13 V,Ag_(2)S的带隙能、价带与导带电势分别为0.91 eV、0.34 V和−0.57 V。与AgVO_(3)相比,复合催化剂Ag_(2)S/AgVO_(3)具有显著增强的瓦斯转化性能,可见光照射1 h最优催化剂20%Ag_(2)S/AgVO_(3)的甲烷转化和甲醇产生量为3.10 mmol/g和2.45 mmol/g,分别为单一AgVO_(3)的1.72倍与2.63倍,且其甲醇选择性高达78.9%;6次循环试验结果表明:Ag_(2)S/AgVO_(3)具有优异的催化稳定性。能带结构分析与EPR测试结果表明:Ag_(2)S/AgVO_(3)异质结遵循Z型电荷迁移机制,这不仅增强了光生电荷的空间分离,同时使其具有较强的氧化/还原能力,显著提升低浓度瓦斯定向转化制取甲醇的催化性能,为低浓度瓦斯低碳高效利用提供新思路。

关键词：低浓度瓦斯甲醇可见光催化 Z型异质结复合催化剂

兴运煤矿河流下厚煤层开采安全性分析和防控技术

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 305-314页

作者：郭文兵吴东涛杨伟强马志宝刘玄河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作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

为掌握厚煤层开采覆岩破坏及导水裂隙发育规律,综合运用理论分析、数值模拟、地表钻孔冲洗液漏失量现场观测和钻孔电视相结合的研究方法,对某矿工作面煤层上方覆岩破坏及导水裂隙发育规律进行了研究。提出了河流下厚煤层开采覆岩导水裂... 详细信息

为掌握厚煤层开采覆岩破坏及导水裂隙发育规律,综合运用理论分析、数值模拟、地表钻孔冲洗液漏失量现场观测和钻孔电视相结合的研究方法,对某矿工作面煤层上方覆岩破坏及导水裂隙发育规律进行了研究。提出了河流下厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度计算方法,揭示了厚煤层开采覆岩破坏形态及裂隙发育过程,分析了河流下采煤安全性,开展了河流下煤层开采地表河流综合防治技术研究并进行了实施。结果表明:研究区河流下厚煤层开采的导水裂隙带高度为118.5 m,裂采比为21.5;理论分析和数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带高度呈阶梯形上升,每个阶段均有突增点,基本顶周期性破断后,基本顶上覆岩层易发生整体断裂下沉,最终表现为阶段稳定及突增现象;导水裂隙带在埋深较浅处(如河床)将直接发育到地表,没有防水安全煤岩柱;针对河流下厚煤层开采安全问题,提出了河流下采煤的安全技术措施,包括地面河流水体处理、河底内封堵导水通道、井下防治水等,彻底解除了河流下采煤的安全隐患,实现了河流下厚煤层安全开采。

关键词：河流下采煤导水裂隙带漏失量钻孔电视水害防治

基于CESE方法的煤矿风井泄爆全过程模拟与消波增效研究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 127-138页

作者：宋维宾孙玉宁王永龙王志明河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作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

为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS−DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射... 详细信息

为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS−DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射冲击波且不能快速有效地予以消弱,致使风硐中先后出现可对风机造成二次冲击的2道冲击波;去除防爆门立壁结构对提升泄爆效果作用不明显,但可使防爆门受到的冲击明显减弱;在一定范围内,减轻防爆门质量对提高泄爆效果的作用较为有限,且会使防爆门吸收的爆炸能量明显增加;在增量不大的情况下,增大防爆门到风井和风硐交岔点的距离即能有效改善泄爆效果;侧向和正向先行泄爆方法均能明显增强泄爆效果,并对防爆门有显著的减冲和保护作用,在算例条件下,最优可使反射波超压峰值下降49.4%和28.3%;防爆门开启时间、泄爆面积和防爆门到风井/风硐交岔点的距离是影响泄爆效果的重要因素;风井达到良好泄爆效果所需要的开启时间比现行防爆门要短得多;仅在井口设置防爆门存在不能消减风硐中第1道冲击波超压峰值的局限性。基于对风井泄爆过程、机理和方法的新认识,提出了以“两区域多通道”泄爆为特征的主辅防爆门协同泄爆方法,以系统提升风井泄爆效果和防爆水平。

关键词：风井煤矿风井泄爆先行泄爆协同泄爆防爆门流固耦合

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松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 174-182页

作者：王永龙郭佳宽余在江杜康孙玉宁河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作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

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进... 详细信息

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

关键词：松软煤层瓦斯抽采钻杆减重钻进阻力强度校核

基于谐振效应的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流最优冲击靶距研究

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煤炭学报 2024年第7期49卷 3129-3142页

作者：邓玉洁刘勇魏建平沈荷莲李翔李海超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

超临界二氧化碳(SC-CO_(2))射流在钻井工程中具有广泛应用前景,并且其破煤压力阈值低、效率高,能够提高钻井效率。但因其较高的破煤门限压力和系统能耗,限制了其推广应用。自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低... 详细信息

超临界二氧化碳(SC-CO_(2))射流在钻井工程中具有广泛应用前景,并且其破煤压力阈值低、效率高,能够提高钻井效率。但因其较高的破煤门限压力和系统能耗,限制了其推广应用。自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低破煤门限压力,显著提高破煤效率。基于此,开展了自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流脉冲频率和脉冲压力幅值对谐振破煤的综合作用研究。采用大涡模拟分析了射流流场结构,明确了流场轴向上脉冲频率和脉冲压力幅值的变化规律;通过脉冲特征测试实验研究了靶距对射流冲击频率和冲击压力的影响,并通过冲击破煤实验研究了脉冲特征对破煤的综合影响,得到了以下结论:自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流脉冲频率和压力幅值在射流轴向处并不会保持不变,随着靶距的不断增大均呈现逐渐减小的趋势。仅考虑脉冲频率并不能将谐振效应最大化,需要综合考虑脉冲频率和压力幅值对谐振效应的影响。采用位移响应振幅表征谐振效果,能够反映频率和幅值对谐振的综合影响。靶距较小时,即0~15 mm,位移响应振幅的主要影响因素为脉冲压力幅值;靶距较大时,即15~30 mm,其主要影响因素转变为脉冲频率。减小脉冲频率并增加压力幅值能够有效提高位移响应振幅。不同喷嘴结构条件下,位移响应振幅主要影响因素的转变位置不同,同时最优靶距也并不相同。该研究中,喷嘴a的最优靶距是22 mm,此处的位移响应振幅最大,破煤效果最好,而喷嘴b的最优靶距是26 mm。

关键词：自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流靶距脉冲频率压力幅值位移响应振幅

自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率调制

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2675-2690页

作者：魏建平李翔刘勇沈荷莲李海超高梦雅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

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐... 详细信息

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐振效应,达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键,现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO_(2)射流。为实现对SC-CO_(2)射流冲击频率的调制,采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SCCO_(2)射流冲击频率的影响规律,通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素,可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制,从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升,且谐振倍数越小,射流破煤效果越好,能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25 Hz时,设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5、3.0 mm,调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°,射流冲击频率达到25051.83 Hz,是煤体固有频率的1002.0倍,与煤的固有频率形成谐振效应,有效提高了破煤效率。

关键词：自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流自激振荡喷嘴冲击频率调制谐振破煤煤层气开采

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非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

煤炭学报 2024年第2期49卷 801-832页

作者：魏建平蔡玉波刘勇余大炀黄逸李兴高梦雅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

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主... 详细信息

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下,以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低,已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈,为解决深地岩石高效破碎难题,保障深地战略的顺利实施,迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充,是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。为此,将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系,系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术,总结了每种技术的发展历史和技术原理,分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出,目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩,非刀具破岩技术破岩能量利用率较低,水射流破岩比能耗为刀具的40~70倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高,无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。为解决极端地质条件岩石破碎难题,提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路,充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势,构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念,最大限度降低岩石破碎能耗,简化系统装备,为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

关键词：岩石破碎非刀具破岩刀具破岩硬岩破碎深地空间

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B掺杂多孔碳纳米片的制备及其储锂性能

化工进展 2024年第6期43卷 3209-3220页

作者：孙悦邢宝林张耀杰冯来宏曾会会蒋振东徐冰贾建波张传祥谌伦建张越张文豪河南理工大学化学化工学院河南焦作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 华能煤炭技术研究有限公司北京100071

负极材料是影响锂离子电池(LIBs)性能的关键因素之一,孔隙结构调控和杂原子掺杂是提高负极材料电化学性能的有效手段。以褐煤为前体,采用化学氧化法制备煤基碳纳米片(CS),再以氧化硼(B_(2)O_(3))为添加剂,得到B掺杂多孔碳纳米片(BPCS);... 详细信息

负极材料是影响锂离子电池(LIBs)性能的关键因素之一,孔隙结构调控和杂原子掺杂是提高负极材料电化学性能的有效手段。以褐煤为前体,采用化学氧化法制备煤基碳纳米片(CS),再以氧化硼(B_(2)O_(3))为添加剂,得到B掺杂多孔碳纳米片(BPCS);采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附仪、X射线光电子能谱(XPS)等手段对CS和BPCS微观结构和用作锂离子电池负极材料的电化学性能表征与测试。结果表明,B_(2)O_(3)具有模板、造孔、掺杂三重作用,当B_(2)O_(3)用量为0.5g时,BPCS-0.5呈现三维多孔结构,比表面积为1216.20m^(2)/g,总孔容1.027cm^(3)/g,B原子含量为4.20%;BPCS-0.5的多孔结构为离子的存储和传输提供足够的空间和通道,B元素的引入增加了BPCS的表面化学活性,从而增强了储锂性能。BPCS-0.5用作锂离子电池负极材料时,在0.05A/g电流密度下首次可逆容量达826mA·h/g,且在5A/g大电流密度下可逆容量仍有143mA·h/g,循环500次的容量保持率为172%,表明该材料具有较高的储锂容量和优异的循环寿命。

关键词：褐煤 B掺杂多孔碳纳米片锂离子电池电化学性能

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低压超声速磨料空气射流喷嘴结构

煤炭学报 2024年第3期49卷 1704-1716页

作者：刘勇李志平魏建平蔡玉波余大炀黄逸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

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减... 详细信息

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减小切缝宽度,提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律,采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴;然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响,并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验,研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响,分析了不同断面形状喷嘴的切割效率,确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时,加长扩张段长度,气固两相能量转化更充分,磨料加速更充分,但随着喷嘴扩张段持续加长,磨料速度提升不明显;相比圆形断面喷嘴,矩形断面喷嘴对磨料加速稍差,但仍能将磨料加速至300 m/s,且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布,有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长,岩石冲蚀深度不断增加,当扩张段长度为145 mm时,花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm,扩张段长度持续加长,岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)、R_(2)切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm,花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm;横移速度为0.30 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm,花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C_(4),和数值模拟结果相同,矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分,切割效率较优。且喷嘴R_(1)的切割效率最好,喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。

关键词：磨料空气射流喷嘴结构硬岩掘进磨料加速分布切割效率