基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

NH_(4)H_(2)PO_(4)-KHCO_(3)混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性

在自行搭建的管网实验系统中,将常用于抑制甲烷爆炸的碳酸氢钾KHCO_(3)与磷酸二氢铵NH_(4)H_(2)PO_(4)进行不同比例的混合。选取5种不同的粉体配比,对比单一粉体以及各抑爆工况下各测点的爆炸峰值压力、火焰峰值速度和火焰峰值温度等爆炸特征参数,获得抑制管网甲烷爆炸的最佳工况,并阐述了抑爆机理。结果表明:混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能优于单一粉体;KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)都易受热分解;其中,KHCO_(3)可以在相对较低的温度下迅速完成热解过程,从而吸收更多的反应热,抑爆性能优于NH_(4)H_(2)PO_(4)粉体;混合粉体中,抑爆效果随着KHCO3含量的增加显著提高。在5种混合比例中,当KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)质量比为2.0:1.0时,抑爆效果最佳。KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)表现出良好的爆炸抑制效果,研究所得结论可为抑制甲烷爆炸研究提供参考。

内蒙古铁北煤矿褐煤的CO_(2)/CH_(4)/N_(2)竞争吸附微观特性研究

为研究煤对CO_(2),CH_(4)和N_(2)混合气体的竞争吸附特性及微观机理,以内蒙古铁北煤矿褐煤为研究对象,基于元素分析、固体^(13)C核磁共振光谱(^(13)C NMR)分析、傅立叶红外光谱(FTIR)分析、X射线光电子能谱(XPS)分析和X射线衍射(XRD)分析等实验分析结果构建了铁北煤矿褐煤大分子结构模型,并进行了CO_(2),CH_(4)和N_(2)在铁北煤矿褐煤分子结构模型中吸附行为的分子模拟以及不同体积比CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)二元组分混合气体竞争吸附行为的分子模拟。结果表明:铁北煤矿褐煤的芳碳率为51.98%,芳香结构主要以苯和萘为主,氧元素存在于酚、醚、羰基和羧基中,含氮结构主要以吡咯和吡啶的形式存在,硫元素主要存在于噻吩硫中,芳烃取代方式主要为三取代形式,芳香桥碳与周碳的数量比X_(BP)为0.14。铁北煤矿褐煤大分子结构模型的分子式为C_(190)H_(200)O_(57)N_(2)。单组分气体CO_(2)/CH_(4)/N_(2)的吸附量和等量吸附热均随温度的升高而减小,温度升高对CO_(2)吸附量和等量吸附热的影响最大,对CH_(4)吸附量和等量吸附热的影响次之,对N_(2)吸附量和等量吸附热的影响最小。在CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)混合气体中,单组分气体的分压越大,该气体吸附量越大。CH_(4)与CO_(2)的等量吸附热差值大于CH_(4)与N_(2)的等量吸附热差值。

膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性及抑爆机理

为了探寻高效的抑爆剂,有效降低甲烷爆炸事故发生率,最大限度地降低事故损失,利用自主搭建的爆炸管网测试系统进行了膨润土粉体抑爆试验。将爆炸超压峰值、爆炸威力指数和爆炸火焰首次到达管网两出口的时刻作为表征抑制剂抑爆性能的参数,探究了不同粒径膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能,利用热解特性分析和分子动力学仿真探究了膨润土粉体的物理和化学抑爆机理。结果表明,粒径为>27~33μm的膨润土粉体对于管网甲烷爆炸的抑制性能最佳。膨润土粉体的物理抑爆机理为通过热解吸收反应热来实现抑爆目的;其化学抑爆机理为膨润土分子能够有效消耗反应体系中的自由电子和活性自由基,减缓甲烷链式反应速率。研究结论可为提高甲烷运输的安全性、有效降低灾害风险提供理论参考。

双流体细水雾流体压力对细水雾粒径影响规律

针对双流体雾化方式产生的细水雾,研究了低压状态下双流体产生的细水雾雾滴粒径分布,实验中测量不同流体压力下的细水雾雾滴粒径,结果表明:双流体细水雾可以替代高压状态下实现雾滴粒径小于200μm的1级细水雾的效果。在改变双流体压力过程中,当气压一定,液体压力逐渐减小时,细水雾雾滴粒径出现逐渐增大趋势;当液体压力不变,气体压力逐渐增大时,细水雾雾滴粒径逐渐减小。

基于灵敏度的通风系统稳定性分析

通风网络中任一分支风阻的变化都可能引起自身以及相关分支甚至网络中所有分支的流量变化,变化程度的度量指标为灵敏度。在对通风网络中分支灵敏度及其性质进行深入分析的基础上,给出了使每一条分支的风流保持稳定、整个通风网络保持稳定、两分支间稳定性比较和两通风网络稳定性比较的判别式,对于通风系统稳定性分析、日常通风管理具有重要意义。

矿井通风仿真系统数学模型

系统地研究确定了仿真系统三要素,即通风系统、数字模型、计算机。与国内外类似成果相比较,角联风路自动识别、网络简化以及风网特征图自动绘制是该仿真系统所独有的特殊功能。系统采用的基于网络最小调节功耗概念的网络优化调节通路法,该法既不同于线性规划法也不同于非线性规划法。在Auto CAD环境下实现了通风仿真系统的可视化。

矿井火灾时期温度分布数值模拟

矿井发生火灾时,由于风流温度的变化,在井巷中会产生“浮力效应”和“节流效应”,风流受火灾动力的作用,容易引起其状态紊乱,甚至造成整个通风系统风流状态的混乱。矿井火灾时期温度不易直接测量,本文提出了矿井火灾时期温度分布计算数学模型,结合人工智能理论中的深度优先搜索法,编写了火灾时期烟流传播过程及温度分布的软件,对矿井火灾时期烟流传播过程及温度分布进行了数值模拟,对制定火灾预案及火灾时期决策具有重要意义。同时利用深度优先搜索法,确定了火灾时期任一时刻非污染范围、污染范围、火区和可能污染范围,为确定避灾路线和救护路线提供了依据。

风机特性曲线数据拟合最佳次数的确定

根据最小二乘法原理 ,采用曲线拟合方法 ,对矿井主扇性能测定的实际特性曲线数据进行逐次拟合 ,通过比较得出风机特性曲线采用 5次多项式拟合效果最佳。

煤层液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响因素研究

为提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害事故掌握不同因素对液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响特征,以液态CO_(2)气爆能量释放的三硝基甲苯(TNT)当量转化为基础构建煤体爆破损伤演化模型;利用LS-DYNA软件模拟煤层物性参数(煤层地应力σ、煤体抗拉强度S_(t)、瓦斯压力P_(g))和孔径d对液态CO_(2)相变致裂半径L范围的影响;运用灰色关联分析理论,结合数值模拟结果分析爆破影响因素主次顺序。结果表明:液态CO_(2)相变致裂半径范围与瓦斯压力和钻孔孔径呈递增关系与煤层地应力呈递减关系;地应力对致裂半径范围的影响程度最强,钻孔孔径次之,瓦斯压力影响程度相对较弱,煤体抗拉强度变化对致裂半径范围的影响甚微。

通风系统可靠性稳定性及灵敏性数学模型

从通风系统分析的角度出发,对通风系统可靠性、稳定性和风路灵敏性的数学模型及相互关系进行了研究。可靠性用来衡量通风系统保持其通风参数的性能,稳定性是衡量风量波动大小的,二者既存在联系又有一定的区别,风路灵敏性反映了通风系统中风路风阻的变化对其它风路及整个系统的影响,它与通风系统可靠性和稳定性都有密切的联系。在通风系统稳定性定量分析方面,提出了基于灵敏度的计算方法,同时分析了角联风路的存在对通风系统的影响。

低渗透煤层合增透技术应用

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出低渗透煤层复合增透的方法。利用RFPA2D-Flow和FLAC3D软件分别对水力压裂裂缝的起裂、延伸与扩展规律和CO2增透钻孔内提前制造不同长度的预裂缝对爆破致裂增透效果的影响情况进行模拟。进行井下复合增透效果工业试验,运用瓦斯压力降低法分析预裂后煤层瓦斯抽采半径。结果表明:模拟注水压裂27 PMa时,割缝半径约2 m,随着煤壁预裂缝长度增加,CO2爆破致裂影响半径呈线性递增的趋势。现场复合增透后煤层抽采率显著提高,有效半径由原来单一水力压裂的2 m增加到7 m左右。

基于邻接矩阵图的连通性判定准则

利用图论和集合论的知识,对节点邻接矩阵进行深入分析,提出了有向图和无向图的连通性判定准则及图中任意两节点间不连通的判定准则;对路径及节点邻接矩阵的概念进行了更为严格的数学描述;确定了路径的极限长度。文中提出的图的连通性判定准则具有程序思想简单、逻辑性强、方便快捷的优点,对于图的连通性判定、连通块的划分等都具有指导意义。

水力压裂有效压裂半径的影响因素研究

为改善水力压裂增透效果,提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害,明确不同因素对水力压裂有效压裂半径的影响,基于Mohr-Coulomb准则建立水力压裂渗流—损伤耦合方程,并且求得水力压裂破裂区半径运算公式;运用ABAQUS软件模拟并分析地应力σ、注水水压P、压裂孔径d及弹性模量E对水力压裂有效压裂半径L的影响;并通过灰色关联分析方法确定水力压裂有效压裂半径的主控因素。研究结果表明:水力压裂有效压裂半径与注水水压、压裂孔径及弹性模量呈递增关系,与煤层地应力呈递减关系;水力压裂有效压裂半径受煤层地应力的影响最大,注水水压次之,受压裂孔径和弹性模量的影响相对较弱。

通风网络中通路总数确定方法的改进

在目前通风网络中通路总数确定方法的基础上,利用图论和集合论的知识,进行了深入研究,提出了计算复杂度较小的行向量法。当网络较小时,这种方法适于手动计算,利于课堂教学;当网络较大时,可大大降低计算机运算时的计算复杂度,利于科学研究。针对现有方法不适合计算多源多汇型网络通路总数的不足,行向量通过加虚分支和虚节点给出了多源多汇型网络通路总数的计算解决方案,对于理论研究及程序设计有重要意义。

基于模糊综合评价-集值统计法的煤矿外因火灾危险性分析

在煤矿火灾事故中,内因火灾的发生率远高于外因火灾,因此大多安全评价是针对煤矿内因火灾的评价,对于外因火灾的评价相对较少;但外因火灾造成的后果远高于内因火灾,做好外因火灾的安全评价同样重要。采用2级模糊综合评价与集值统计法相结合的模型对煤矿外因火灾进行评价,建立煤矿外因火灾的安全评价指标体系,采用集值统计法确定评价指标的权重,并对得出的权重进行可靠性分析,用加权平均模型确定外因火灾危险性总的相对隶属度,求出模糊特征向量,根据总得分确定外因火灾的危险性等级,并将其应用于实际,与传统的计算方法相对比。

风路可靠度确定数学模型

针对目前研究矿井通风系统可靠性时,主要的研究参数是风量,即认为风量不失效则风路不失效的问题。提出了考虑风量、粉尘浓度、温度、有毒有害气体浓度指标的风路可靠度的定义,即研究可靠度时,既要考虑风流的数量,又要考虑风流的质量,这在矿井火灾时期尤为重要。根据风量动态监测结果,利用概率论、数理统计和可靠性原理的知识,提出了风路可靠度的理论计算数学模型,该模型的建立对矿井通风系统可靠性研究具有重大的意义。

影响角联风路稳定性的相关风路研究

在对目前角联风路自动判别数学模型分析的基础上,应用图论和集合论的方法对其进行深入研究,提出了角联风路的关键影响风路、非关键影响风路等与角联风路稳定性分析相关的新概念。给出了确定角联风路关键影响风路和非关键影响风路的数学模型,并进行了实例分析,为进一步研究角联风路稳定性奠定了基础。确定角联风路的关键影响风路和非关键影响风路对于日常通风管理、一通三防、通风系统可靠性、灾变时期风流控制,通风系统改造都有重要意义。

矿井火灾时期通风系统可靠性理论

通过分析矿井火灾时期风流特点,即矿井火灾时期将产生大量的高温烟雾,指出在矿井火灾时期,如果仅仅某条风路的风量在规定范围内,并不能说明该条风路就是可靠的,还应强调该风路的粉尘浓度、温度、有毒有害气体浓度指标在规定范围内。提出了矿井火灾时期风路可靠度的理论计算式,分析了矿井火灾时期风路失效模式,提出了适合计算大型通风系统在火灾时期可靠度的“基于截断误差理论和网络简化技术的不交化最小路集算法”。

复杂管网中瓦斯爆炸冲击波与火焰波传播实验研究

为了进一步探究瓦斯爆炸冲击波火焰波的传播特性,在自行设计并搭建的复杂管网中进行瓦斯爆炸实验。实验中利用高精度压力传感器和温度传感器收集压力变化和温度峰值数据;使用火焰传感器采集爆炸过程中出现的火焰波信号,根据理论公式计算得出火焰波传播速度;利用Origin软件对实验数据进行综合处理,研究复杂管网中瓦斯爆炸时的冲击波、火焰波传播特性。结果表明:管道内各测点最大压力峰值为0.599 MPa,最小压力峰值为0.297 MPa,管道内火焰波速度峰值为214.04 m/s,在管道L_(4)上速度值降低为0 m/s,各测点温度峰值最大值为1837 K,最小值为1521 K。随着爆炸冲击波与火焰波在复杂管网内的传播距离不断增大,压力衰减趋势和速度突变趋势更为显著。