考虑碳捕集与综合需求响应互补的综合能源系统优化调度

能源产业是当前碳排放的主要来源,实现“双碳”目标亟需能源产业提高碳减排力度。基于此背景,提出一种阶梯型碳交易机制下源荷低碳互补的综合能源系统优化调度方法。分析源侧碳捕集与负荷侧综合需求响应的低碳互补机理;引入阶梯型碳交易机制,以综合能源系统运行总成本最小为目标建立源荷低碳互补的优化调度模型;求解模型时,为应对风力发电的不确定性,采用序列运算理论将风电的概率分布离散化,将机会约束转化为确定性约束。通过算例分析验证了所提调度模型在不同碳交易机制下都能优化电热负荷曲线,提高风电消纳水平和减少碳排放量,并且该模型在阶梯型碳交易机制下具有更好的低碳经济性。

不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性实验研究

煤体损伤是影响渗透率变化和瓦斯流动的重要因素;采用多剪切端面损伤渗流测试系统和核磁共振仪,分析了不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性变化规律。结果表明:损伤煤体内中大孔增多,吸附空间向渗流空间转化,孔隙间连通性变好;50%剪切端面情况下,渗流空间(驰豫时间T_(2)>10 ms)平均面积百分比由9.89%增大为14.94%;剪切应力作用下,煤体轴向变形量不断增大,50%剪切端面比30%剪切端面导致的轴向变形量大,而围压值越大,轴向变形量越小;随着剪切应力的增大,煤体渗透率先降低后缓慢增加,当应力达到煤体强度阈值时,损伤煤体渗透率以指数形式增大,50%剪切端面对应的渗透率值普遍比30%剪切端面的大,前者是后者的7倍左右。

紧凑型氘氘中子发生器中钛自成靶实验研究

靶作为氘氘中子发生器关键部件之一,其性能直接影响了中子发生器的中子产额及其稳定运行。文章从钛自成靶的设计、制备、表征及测试四个方面系统的介绍了中子发生器中靶的关键技术实验研究。首先,为满足靶的温度控制需求,采用无氧铜作为靶基底材料,并在其内部开设套环式主动水冷回路。通过ANSYS热工模拟靶在加速器运行时的表面温升情况,并利用电子枪轰击测试靶表面实际温度变化情况。模拟和测试结果表明,在中子发生器运行期间,靶表面温度可以有效控制在200℃以内。随后,利用直流磁控溅射技术在无氧铜靶衬底表面制备微米级高纯靶膜。并且,利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪和划痕仪研究了靶膜表面的微观结构、成分及膜基结合力。结果表明利用磁控溅射制备的钛膜表面十分均匀紧凑,以六方晶系结构的α-Ti沉积在靶衬底表面,钛膜与基底的膜基结合力为0.22 N。最后,在感应耦合型中子发生器中子产额达到了1.25×10^(8)n/s,电子回旋共振中子发生器中子产额达到了1.75×10^(8)n/s,都实现了稳定运行5 h。

核质量保证在聚变实验装置建设项目中的应用研究

聚变能资源丰富、清洁安全,是世界公认的人类未来终极能源,各发达国家正加速推进聚变能商业化的应用进程。聚变能实验装置是可控核聚变从科学研究向工程转化的重要环节,为未来聚变堆提供集成实验验证平台。本文基于聚变实验装置建设项目的特点,分析核质量保证要求在聚变实验装置建造过程中的适用性,并以ISO 9001质量管理体系标准要求为基础,引入和借鉴核质量保证要求及其管理工具和方法,探索构建适用于聚变实验装置建设过程的质量管理体系,为未来聚变工程堆和商业堆的建造质量保证提供强有力的基础。

砂土压缩变形传感光缆耦合试验分析与预测模型研究

灾害监测、预测是地质与岩土工程领域一项极为重要的任务。分布式光纤传感技术凭借其连续、实时、抗干扰、稳定性好等优点在长距离、长周期、高隐蔽性、强突发性的灾害监测中发挥了显著的作用。然而,针对不同工程问题,评价与解决传感光缆与被测岩土体协调变形问题,是精细化分析岩土体变形分布与研究演化规律的关键所在。利用自主研制的三维主动变形可控围压光缆-砂土耦合试验装置,探究了0~4.0MPa围压条件下金属基索传感光缆与粗砂介质压缩变形的协调性问题。试验结果表明:低围压条件下金属基索传感光缆与砂土压缩变形协调性较差,变形表现为非线性变化特征;随着围压增大,传感光缆与砂土耦合效果提高,变形呈现线性变化特征,当围压达到1.6MPa后,两者协调变形一致性明显提高,其形变由非线性向线性转变。基于上述变形特性,提出了一种围压曲面投影数值模型,采用非扭结边界条件的样条插值算法对非试验数据实际位移进行预测,结果表明该模型具有较好的可靠性。试验研究认为金属基索光缆用于高围压条件下砂土变形测试具有更高的准确性,研究内容可以为分布式光纤传感测试技术用于深部地层变形监测提供科学的参考依据。

大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

为解决西部采煤区固废多、处理难的问题,以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料,对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析,以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案,建立响应面回归模型,分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明,粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素,料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比:脱硫石膏质量分数53%,粉煤灰与水泥质量比2∶1,料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明,可以利用充填体的波速来预测其强度。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

公路路基变形破坏及其测试技术研究进展与展望

路基变形是公路病害的主要原因之一,其在公路建设、管理、运营、养护过程中带来的隐患日益凸显。目前以遥感测绘、地球物理探测、多传感器为代表性的相关技术,在路基变形测试中发挥了重要作用。为研究道路工程领域动态和行业发展趋势,梳理近年来道路工程领域理论、方法、技术及装备研究现状,阐述了公路路基变形的主要形式及影响因素,分析了路基变形测试技术类型及其优缺点,进一步讨论了对全周期智慧监测体系的认识及其发展趋势。构建路基变形监测体系是感知路基状态、路基稳定性评估和灾害预警的主要途径。随着人工智能和先进测试技术的快速进步,路基变形测试技术呈现出动态化、透明化、智慧化等新特点。加强公路测试基础理论、技术与装备的研发,形成基于立体空间的多手段路基健康监测体系是未来道路安全运维的重要发展方向。

外源有机酸对复垦土壤中重金属Cr的活化效果研究

为了探究低分子有机酸(柠檬酸和苹果酸)对Cr污染土壤中Cr形态分布的影响,以淮南市潘一矿煤矸石山周边的复垦土壤为研究对象,通过模拟不同浓度Cr污染土壤,分析柠檬酸(CA)和苹果酸(MA)对土壤中Cr赋存形态的影响机制。结果表明:(1)随着外源Cr浓度的增加,土壤中Cr的活性有效提高。(2)柠檬酸和苹果酸的加入均可增加土壤中可交换态Cr的占比,即Cr的有效性得到提高,且随着柠檬酸和苹果酸浓度的升高,对土壤中Cr活化效果持续上升,柠檬酸的活化效果优于苹果酸。(3)随着老化时间的延长,有机酸对Cr的活化效果会减弱,弱结合态Cr将逐渐向强结合态Cr转化。因此,土壤重金属Cr污染修复中,可以考虑选用活化效果较好的柠檬酸作为修复辅助剂,来提升土壤Cr修复效率。研究结果可为矿区复垦土壤重金属Cr污染修复提供指导。

不同卸荷应力路径下煤样破坏特征实验研究

现有对煤样破坏特征的研究存在力学参数测试较单一、应力加载方向局限性较大等问题,在反演真实地质情况下数值模拟效果存在偏差,并且对煤岩动力灾害和冲击倾向性判定是基于现场实验进行的宏观研究,对于真三轴不同卸荷应力路径下煤样的破坏特性机理研究较少。针对上述问题,以陕西彬长胡家河煤矿工程地质为研究背景,利用高频振动采集及孔内成像三轴动静载实验系统设计了3种不同卸荷应力路径下煤样真三轴实验,对煤样破坏特征、峰值强度特性、声发射响应特征和分形规律进行研究。结果表明:①3种不同卸荷应力路径下煤样破坏模式均为拉-剪复合破坏,煤样宏观裂纹的起裂破坏大多发生在强度相对较低的煤样中;各煤样均为轴向应力不断增加,各水平应力在逐渐降低的过程中为煤样提供了拉应力,导致不同卸荷应力路径下煤样各表面破坏形态显著不同。②3种不同卸荷应力路径下,峰值破坏阶段的应力存在明显差异,标准差达4.35 MPa,占峰值强度平均值的29.25%,当应力载荷超出3种应力路径峰值强度平均值14.87 MPa时,煤样均发生破坏。③在高静载作用下,煤样初始受载后孔隙压密,内部结构较均匀,无裂隙扩展使得在初始阶段损伤变量为0;在损伤稳定发展阶段,煤样内部孔隙达到极限状态发生破裂形成微裂隙,损伤变量为0.04~0.17;在加载过程中微裂隙迅速发育、扩展并汇集成裂隙网,煤样出现宏观破坏,煤样承载能力迅速下降,在损伤加速发展阶段损伤变量呈先急剧增加后平稳的趋势,最大损伤变量达1.0。当煤样受力失稳发生拉-剪破坏后,声发射能量出现突增现象;当声发射能量与损伤变量曲线交汇时煤样开始破裂,声发射能量与煤样破坏具有良好的耦合性。④在不同卸荷应力路径下,煤样分形维数越大,破碎程度越高。

采煤沉陷松散层变形研究现状与分析

开采沉陷是煤炭资源井工开采所面临的主要环境地质问题,其中松散层变形是东部高潜水位矿区生态修复和西部生态脆弱区保护所关注的重点,获得沉陷变形参数对推动开采减损、生态环境保护与修复有着重要的指导意义。借助CiteSpace文献计量软件,基于中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)数据库进行可视化分析,通过对该研究方向近30年主要研究力量、研究热点和现状趋势量化统计与分析,详细地阐述了该方向的研究现状,简要概述了沉陷成因、理论分析、室内试验、数值模拟及原位实测等方面开展的研究内容。从多学科交叉促进理论研究发展、多方法联合建立高精度动态监测、发展与创新测试装备和技术等方面对其未来趋势进行了展望,提出“空-天-地-孔”一体化监测平台的建设与运营,以期通过多维度、网格化立体数据的获取,进一步掌握松散层内部变形特征与传递机理,为实施“源头控制”和“过程治理”理念和评价废弃矿井CO_(2)封存地质条件提供基础数据与科学支撑。

基于机器学习的煤与瓦斯突出预测研究进展及展望

我国煤矿安全生产形势不断好转,但煤与瓦斯突出事故仍时有发生。煤与瓦斯突出预测不仅能指导防突措施科学的运用、减少防突措施工程量,在一定程度上也可以确保煤矿工人的作业安全。机器学习(Machine Learning, ML)是一门涉及概率论、统计学和计算机学等领域的交叉学科,可以挖掘突出事故和指标间的非线性关系。将机器学习用于煤与瓦斯突出预测,已得到相对广泛的关注,并随着人工智能和计算机技术的快速进步,其在突出预测领域将发挥更大作用。因此,对机器学习在煤与瓦斯突出预测中的研究进行了全面的综述,分析其在突出预测中面临的难点并展望其发展方向。首先,简述煤与瓦斯突出假说、发生机理与预测指标选择的研究现状;介绍机器学习在煤与瓦斯突出预测领域的主要研究进展,包括支持向量机(Support Vector Machines,SVM)、人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)、极限学习机(Extreme Learning Machines,ELM)和集成学习(Ensemble Learning, EL)等算法的应用,以及特征选择和缺失数据填补在数据处理等方面的创新,同时也指出了目前基于机器学习的突出预测研究面临的挑战及存在的问题,例如事故与非事故样本的不平衡、数据的指标缺失和机器学习中的小样本等;最后,展望了基于机器学习的煤与瓦斯突出预测的未来发展方向,包括改进算法性能、优化特征工程和增加样本量等。随着计算机性能的提升,有望开发出更为复杂、精准的模型,以提高对突出事故的准确预测能力。

煤与油气协调开采物理相似模拟研究

针对煤与油气协调开采中,煤层开发扰动油气圈闭层稳定性及油气井筒的问题,利用二维模拟试验开展了煤与油气开采地层响应规律研究;采用“先油气后煤炭”的开采工序,得到了煤与油气各覆岩层的应力演化、破断变形特征及油气井筒变形破坏规律。研究结果表明:若油气层高强度抽采至采收完毕,模型整体结构未出现明显扰动,仅层间岩层局部存在应力集中现象,而此时对煤层进行开采会对下方200 m处油气层产生一定扰动;采动初期,油气层采收边界上方应力不断上升,煤层底板存在应力传递现象,煤层顶板无明显应力变化,初次扰动范围为100 m,二次扰动范围为75 m;当进入充分采动阶段,油气层采收边界上方应力集中沿水平向右侧偏移,煤层底板相继经历应力集中-卸压的过程,层间岩层结构趋于稳定,岩层运移程度逐渐向煤层顶部附近岩层转移,说明煤层采动作用在叠置资源协调开采过程中对整体岩层稳定性影响程度较大,应着重关注煤层开采对煤与油气协调开采中的影响;覆岩内井筒主要破坏模式为剪切变形破坏,位于工作面中心处的井筒下侧则发生拉伸-剪切变形破坏,应着重关注工作面中心处的井筒防护。

基于主被动源频散曲线拼接策略的面波频散曲线反演研究

面波勘探是浅地表勘查的主要方法之一,传统的主动源面波方法探测深度通常在30 m以浅,且在噪声干扰复杂的城市环境中作用严重受限;被动源面波正是利用背景噪声为信号源,探测深度大,但对浅层介质分辨能力较差。为此,提出一种主动源、被动源面波数据处理方法,兼顾勘探深度和浅层分辨率。首先对主动源和被动源数据的频散曲线进行拼接,从而获得更宽频带的多阶频散曲线。然后采用数值模拟并反演处理,验证主被动面波频散曲线拼接策略的有效性。通过实测数据处理,对比分析了主动源方法和拼接策略的反演效果,证明了主被动源频散曲线拼接策略能有效提高反演结果精确度。该策略解决了单一震源能量频带有限对反演结果造成的影响,为面波勘探提供了新的手段。

炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究

为了满足快速破碎煤基固废中大量大颗粒煤矸石的要求,利用炸药爆炸破碎方式,设计了敞口与近似密闭条件下的破碎装置,从理论与实验方面分别进行了炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究。结果表明,采用炸药爆炸产生的冲击波对煤基固废中大颗粒煤矸石进行破碎时,由于冲击波反射破坏作用,煤矸石的破碎过程起始于外部层裂或崩落。此外,与敞口体系相比,近似密闭条件可有效提升煤矸石的破碎效果。若进一步扩大破碎装置中的煤矸石装填量,增加破碎所需的爆破药剂用量,有望大幅提升煤矸石的快速破碎能力。

基于RSM-BBD的多源煤基固废胶结体配比及性能研究

本工作采用响应面法(RSM)Box-Behnken Design(BBD)模式对脱硫石膏、气化细渣和炉底渣等多源煤基固废进行配比优选,并研究了最优配比胶结体的力学性能、孔隙结构、热稳定性、微观结构等特性。结果表明:(1)气化细渣掺量对胶结体的1 d强度影响最大,脱硫石膏掺量对胶结体3 d和7 d强度影响最大,两种固废的交互作用对胶结体早期强度影响最显著,表现为负效应;在粉煤灰与矸石质量比为0.4∶1和质量浓度为80%的条件下,获得脱硫石膏、气化细渣和炉底渣的最优质量比为0.2∶0.1∶0.1,并分析了最优配比胶结体的压缩变形和破坏特征。(2)研究了胶结体的微观特性:胶结体内存在密集细颈型封闭孔隙,孔直径范围在5~3.7×10^(5) nm,微孔较少,以中、大孔为主;胶结体在55~65℃和90~120℃区间出现游离水和结晶水的吸热脱水反应,在600~700℃区间出现结构水、羟基水的脱除和水化产物的分解,在800℃累计失重约8%。(3)煤基固废胶结体的水化反应以水泥为主,固废之间未发生化学反应,水化产物为少量短杆状钙矾石相和薄层绒状C-S-H凝胶;钙矾石中少量Al^(3+)被Si^(4+)取代,少量SO_(4)^(2-)被CO_(3)^(2-)取代。

多源煤基固废充填体固结与承载性能的温度效应研究

为研究煤基固废膏体充填体在煤矿深部高地温环境下的固结承载性能,采用单轴压缩和声发射试验,测试不同养护温度(20、35、50℃)和龄期(3、7、14、28 d)影响下膏体充填体强度与破坏特征;通过SEM测定充填胶结体微观形貌和矿物组成,从微观角度揭示养护温度对水化反应的影响规律。研究结果表明:伴随养护温度的升高,其对水化反应的影响逐渐从促进转变为抑制,28 d抗压强度在养护温度为35℃时达到最大值;声发射事件主要发生在压密和破坏阶段,养护温度提高促使声发射活动提前活跃,充填体破坏形态逐渐由延性破坏转变为脆性破坏;由于热损伤作用,高温养护加快了充填体早期水化反应速率,而对养护后期充填体内C-S-H和孔隙结构造成破坏,对其长期强度的增加产生不利影响。

基于优化克里金插值的煤层模型构建研究

为了建立精细化的地质模型,从而实现地质透明与开采工作的科学规划,进行基于优化克里金插值构建煤层模型的研究,揭露了煤层的厚度分布走向与煤炭发热量差异。首先,通过区域化变量生成原理获得具有规律性和随机性的二维区域化变量随机场作为模拟煤层地质条件的数据集合,并依据其变异系数的高低来表征不同的地质条件,提升了验证插值方法效果的数据质量;其次,引入蚁群-粒子群算法(ACO-PSO)对普通克里金进行优化,克服空间变异性对插值方法的影响,提高了方法的精度与鲁棒性;再次,分别以区域化随机变量数据集合与淮北杨柳煤矿10号煤层钻孔勘探的实测煤层厚度和发热量作为原始数据,对普通克里金与优化克里金插值方法进行误差对比;最后,利用优化方法建立块体模型并且结合井田边界、工作面边界线和巷道信息等约束条件构建10号煤层的煤层模型。误差对比实验结果表明:在四类变异性由低到高的区域化变量数据集中,优化方法的均方根误差分别降低了35.4%、18.4%、20.4%和15.8%;依托10号煤层的254个见煤钻孔实测煤层厚度与发热量数据的估值内推对比中,同样是优化方法的误差更低。研究结果证明,在煤层模型构建工作中,优化克里金插值方法的效果较好且应用场景更广。

基于全永磁微波离子源钛自成靶的D-D中子源设计研究

介绍了一种基于全永磁微波离子源钛自成靶技术的紧凑型氘氘(D-D)中子源,其设计中子产额为1×10^(9)s^(-1)。该D-D中子源已经进行了800 h以上的测试,系统可重复稳定运行。早期测试结果显示,系统打火频率高、中子产额低,长时间放电后反向电子会烧蚀Al2O3陶瓷窗,导致微波耦合困难,氘等离子体无法点亮。通过在等离子体腔室中添加氮化硼(BN)保护片以及在钛靶与高压电极之间增加电子抑制电阻,有效抑制了Al2O3陶瓷窗的损伤。通过对等离子体电极孔径的优化和降低腔室压力,降低了打火频率,提高了中子的产额。系统优化后,氘离子能量为70 keV、束流强度为5 mA时,中子产额达到了2.0×10^(8)s^(-1)。在氘离子能量为97 keV、束流强度为6.6 mA时,系统中子产额达到5.2×10^(8)s^(-1)。

油烟对催化燃烧式甲烷报警器响应特性的影响研究

甲烷报警器精准探测可以预防甲烷气体泄漏造成的火灾爆炸事故,然而油烟等恶劣环境对其报警效果会产生一定影响。针对上述问题,研究讨论了油烟对催化燃烧式甲烷报警器的响应特性如量程指示偏差、报警动作值以及报警重复性的影响,并对影响规律进行了分析。结果表明:相比于无油烟环境,有油烟环境会使量程指示偏差变大,当箱体甲烷浓度为12%LEL时,油烟浓度为7.30 mg/m^(3)时甲烷报警器的量程指示偏差增加了4.95%;相对于无油烟环境,油烟环境会使报警动作值变大,油烟浓度为7.30 mg/m^(3)时的报警动作值相比于无油烟时增长了4.01%;另外,同时还研究了油烟和温度耦合环境对甲烷报警器响应特性的影响,结果发现随着环境温度的升高,量程指示偏差和报警动作值均增大。研究为进一步解决油烟对甲烷气体报警器影响提供实验依据,有利于提高甲烷气体泄漏的精准探测从而预防火灾爆炸事故的发生,保障城市生命线安全。