煤炭地下气化注气方式与能量回收效率

研究不同注气方式煤炭地下气化(UCG)能量回收情况,有利于发展更高效的UCG工艺。设计并实施了固定和移动注气点UCG模型实验,基于化学计量学和碳平衡法计算了气化煤耗总量及速率,对比分析了2种注气工艺对煤气组成和热值的影响。在此基础上,分析了不同注气方式下煤气产量和有效气体组成的变化,评价了2种注气工艺实验的能量回收效率。结果表明,固定注气点实验中提高O_(2)净注入流量可改善煤气热值衰减的现象,但随着气化空腔的扩大,提高O_(2)净注入流量对气化反应的促进作用逐渐降低;分3次提高O_(2)净注入流量,煤气热值分别提高2.01、1.27和1.10 MJ/Nm^(3),气化效率(煤气的热值与碳的燃烧热之比)分别提高14.64%、9.45%和7.73%。移动注气点位置,可实现煤气热值和气化效率的短时间快速回升,分4次移动注气点位置,每次移动距离为300 mm,煤气热值分别提高2.95、3.32、3.37和2.54 MJ/Nm^(3),气化效率分别提高17.99%、21.04%、27.88%和13.92%。2种注气工艺实验分别气化了72.49 kg和91.47kg的煤,平均煤耗速率分别为0.97和1.27 kg/h,气化效率和煤耗速率呈同步突变,这一现象在改变气化剂注入条件和移动注气点位置后更为明显,表明气化效率与煤耗速率具有一定关系。相比固定注气点实验,移动注气点位置可有效改善气化效果,相同的气化剂注入条件下,有效气体组分和气化效率分别提高12.5%和23.23%。

“三全育人”理念下基于本科生导师制的矿业工程学科协同育人机制研究

培养实践创新型人才,推动本科教育高质量发展是高等院校的重要任务。文章基于河南理工大学矿业工程学科的实践探索,以“三全育人”为培养理念,提出了以“本科生导师制”为主体,科教协同育人的培养方法,有效地促进科研活动与课堂教育的融合,增强了学生的科研实践能力;以科研平台与教学平台为基础,将科研工作与教学工作深度融合,构建了集教学、科研、创新等功能为一体的立体教学平台,强化了实践教学,形成了相互耦合、相辅相成的矿业工程本科生多方位协同育人培养机制,为矿业工程培养实践创新型人才提供了新思路。

UCG污染物苯酚在PRB中穿透行为及数值反演

煤炭地下气化(UCG)是集煤炭开发、转化为一体的煤炭清洁利用技术,但地下水污染风险已成为限制其推广应用的主要瓶颈之一。以有井式UCG为背景,以苯酚溶液为模拟UCG污染水,分别以砂、砂与有机膨润土和砂与活性炭混合材料构建模拟渗透反应墙(PRB)试验系统,利用有限元法和Python科学计算库NumPy及SciPy构建数值反演程序,研究苯酚在PRB中穿透现象。发现:①对充填砂和有机膨润土的PRB,随砂和有机膨润土质量比增加,扩散系数D和渗流速度q增大,弥散度λ和延迟因子R减小;对充填砂和活性炭的PRB,随砂和活性炭质量比增加,扩散系数D、渗流速度q和延迟因子R减小,弥散度λ增大。②混合材料质量比决定其孔隙率和吸附性能,对阻滞净化苯酚影响大。对砂和有机膨润土配制PRB墙体材料,质量比增大,PRB墙体孔隙率增大,苯酚初检时间缩短;对砂和活性炭配制PRB墙体材料,质量比增大,PRB墙体孔隙率减小,苯酚初检时间先增后减。③PRB对苯酚的吸附净化效果与机理:砂与有机膨润土构成墙体材料,其质量比存在阈值(本试验条件阈值2∶1),质量比小于该阈值时PRB对苯酚净化效果好,大于该阈值时净化效果急剧下降;砂与活性炭构成的墙体材料,其质量比小于2∶1时溶液渗流速度占主导作用,质量比大于2∶1时活性炭吸附性能占主导作用。

煤炭地下气化渗透反应墙构建材料的吸附和渗流特性研究

煤炭地下气化(UCG)带来的地下水污染风险是限制其推广发展的主要问题之一。渗透反应墙(PRB)修复技术是地下水原位修复的主要研究热点,而PRB材料特性是影响其正常运行的关键。本文首先探究了砂、有机膨润土、活性炭对UCG特征有机污染物苯酚的吸附特性,在此基础上,采用自建的渗流实验系统研究了砂、有机膨润土、活性炭及其混合物的吸附和渗透特性对净化污染水的综合影响效果。结果表明:(1)有机膨润土对溶液中苯酚的吸附速率较快,可在10 min之内达到吸附平衡,但吸附容量较小(1.98 mg/g);活性炭对溶液中苯酚的吸附速率较慢,但吸附容量较大(2.22 mg/g)。(2)有机膨润土对苯酚的等温吸附可用Freundlich模型描述,模型参数k_(F)=0.040,n=1.207;活性炭对苯酚的等温吸附可用Langmuir模型描述,模型参数S_(max)=2.44 mg/g,k_(L)=0.125 L/mg。(3)砂和活性炭的渗透系数分别为1.006×10^(-3) m/s和4.761×10^(-2) m/s,砂与活性炭或有机膨润土混合可有效调节混合材料的渗透性,当砂与有机膨润土质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由2.624×10^(-6)增大至3.468×10^(-5) m/s;而砂与活性炭质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由1.379×10^(-3)减小至1.301×10^(-4) m/s。

煤炭地下气化的热环境下煤样内部构造变化及模型试验研究

煤炭地下气化(UCG)是一种将煤炭资源低碳化利用的技术,在中国的低碳经济下具有很好的前景。然而,全球煤炭地下气化经历几十年的现场试验,目前仍有许多待解决的问题。在煤炭地下气化过程中,气化区域随着煤层中裂纹和裂隙的扩展不断扩大,若不能有效监测和控制气化区域,将会引起煤层顶板岩层过度破坏,从而导致气体泄漏、地表沉陷和水污染等问题。为此,提出了以声发射活动参数及变化规律为基础评价气化过程中煤体的破裂及演化活动。利用板状和柱状煤样进行了一系列热履历试验,采用声发射(AE)监测和X射线扫描技术监测煤样加热前后的内部结构变化,研究温度、层理面与加热面方向对煤样破裂和裂隙扩展的影响。结果表明在对煤样表面加热的过程中,煤样表面及内部会产生许多裂纹和裂隙,并释放大量声发射信号;煤样的加热温度变化越快,声发射活性越高,产生的微裂纹越多;煤样内部产生微裂纹的方向与煤层理面趋向于平行。介绍了一种基于声发射活动参量的地下气化破裂区标定模型试验。分别测定了气化过程中的温度分布、声发射活动、气化煤气成分和气化煤量等。揭示了气化条件下煤体内部裂隙产生演化与声发射的内在联系,证明了声发射监测技术能够达到对气化过程中煤岩体破裂及演化区域进行预测及评价的目的。

煤炭地下气化燃空区发育及能量回收评价

气化燃空区的发育状况监测以及能量回收的评价对于实现高效的煤炭地下气化(UCG)以及气化过程的精确监测与控制十分重要。在人工煤层构建2种不同类型的气化通道模型(链接孔模型/同轴孔模型),依次进行3次大型UCG模拟实验,通过分层位温度监测法观察气化过程中燃烧带和燃空区的发育衍化,研究了不同的气化剂组成(O_(2),CO_(2),H_(2)O等)、配比、流速等实验操作参数作用下对生成气化产物中煤气成分及热值的影响,同时建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法,并评估整个地下气化过程的气化效率、煤炭消耗量与煤产气量等。研究结果表明:分层位温度监测能反映气化过程中燃烧带以及燃空区的发育情况;气化区域的衍化范围以及衍化速率与气化通道的类型密切相关,2次链接孔模型实验所得的衍化范围与速率的结果均为同轴孔模型实验的2倍以上;地下气化过程中的高温环境更有利于气化过程的持续进行,在高温条件下生成煤气中可燃气体的组分比例增高;煤炭的消耗量以及能量回收率与采用的气化通道类型也密切相关,链接孔模型实验生成的气化燃气相对同轴孔模型热值较高,并且链接孔模型实验的能量回收率也高于同轴孔模型实验。

基于化学计量理论的煤炭地下气化过程能量回收评价方法

煤炭地下气化(UCG)过程的能量回收评价对整个煤炭地下气化过程的有效控制具有十分重要的意义。评价内容包括对气化耗煤量、煤气产率及速率、气化产物热值及气化效率等煤炭地下气化成效评价所需关键参数的设计、监测、计算和解析。通过对选定煤样进行UCG模拟试验,研究了不同链接孔方法和操作参数所产生的影响,建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法,并定义了能量回收率。试验结果表明,链接孔模型所产生的生成气平均热值高达10.26 MJ/m^(3)(V形通道)和11.11 MJ/m^(3)(L形通道);而同轴孔模型试验结果分别为7.38和4.70 MJ/m^(3);气化后链接孔模型试验的空腔体积约为同轴孔模型试验的2倍;研究结果表明,气化通道类型和气化剂流量会影响煤炭消耗量和生成气热值;链接孔气化通道类型对气化区后续气化燃烧的氧化表面和破坏裂隙的发育有很大影响;本研究提出的基于化学计量法的气体能量回收评价方法简单可靠,计算结果与实际测试值的误差在10%以内,可有效评估气化过程中的气化煤量、煤气产量及热值等。

基于不同气化通道类型的地下气化煤体破裂监测及扩展规律

在煤炭地下气化过程中,高温产生的热应力会导致煤体不断破裂,可能会导致气体泄漏,因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此,采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交叉孔的垂直同轴气化通道、垂直同轴气化通道、V形连接孔气化通道)中的煤体破裂活动进行了监测,并基于监测结果研究了不同操作参数(气化剂组分和流量)以及气化通道类型对煤体破坏活动及气化区扩展的影响,然后采用矩张量分析构建的裂纹分布模型定量分析了气化过程中声发射源处的裂纹类型以及裂纹方向,从而研究煤在气化过程中的损伤和破坏规律。研究结果表明:气化炉整体温度变化与声发射事件有非常强的相关性,在0~750℃内增加会导致声发射事件增多;实验中定位的声发射源可以较为准确的表示煤体破裂位置,通过对声发射源整体分布的监测可以预测气化区的扩展范围,垂直同轴孔模型气化区主要向两侧扩展,而V形连接孔模型的气化区则主要沿气流流动方向扩展;较高的氧体积分数以及气体流量在温度小于氧化区临界温度(900℃)时能显著地促进气化区的扩展;基于矩张量分析构建的裂纹分布模型能有效帮助研究煤炭地下气化过程中煤体的破裂规律,裂纹分布模型结果显示,拉伸破坏主导气化过程中煤体的破坏,裂纹总体的聚集方向接近煤层的分层方向,此外裂纹位置分布结果表明在还原区范围内裂纹的萌生与扩展活动较为活跃。

高温作用后坚硬煤样单轴压缩过程中的变形强度与声发射特征

为了探讨高温作用对煤样力学性质与声发射特征的影响机制。利用煤样经历100,200,300,400和500℃高温自然冷却后,在单轴压缩过程中同步声发射信息检测,而后将碎煤块在JSM-6390 LV电镜进行了微观结构扫描。分析了经历不同高温自然冷却后煤样微观结构和单轴压缩过程中的变形、强度与声发射特征。研究结果表明:①高温后煤样在单轴压缩过程中可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段,经历温度越高压密和屈服阶段越明显,峰值后应力跌落速度有所减缓;②高温后坚硬煤样的弹性模量、变形模量和抗压强度随温度升高呈阶段性降低,在100和500℃高温对煤样弹性模量、变形模量和抗压强度的影响显著。在100~400℃高温,高温对煤样弹性模量、变形模量的影响作用相差不大。与常态25℃煤样比较,经历100,200,300,400和500℃高温后,煤样弹性模量平均降幅依次为19.7%,19.8%,24.2%,34.3%和77.4%,抗压强度平均降幅依次为47.88%,49.99%,56.24%,56.91%和87.57%;③高温后坚硬煤样在单轴压缩变形破坏过程中始终伴随有声发射信息,在煤样加载过程中的声发射幅值、计数、能量和应力-时间曲线具有较好地对应关系,不同高温后煤样的声发射特征存在差异,声发射的幅值、计数和能量最大值并非同时发生,声发射累计幅值与时间曲线转折点早于累计计数和能量曲线转折点,且随着温度增加累计幅值与时间曲线转折点提前,而累计计数和能量曲线转折点推迟现象;④高温后煤样声发射参数与温度的关系具有分段特征,其累计幅值和计数随温度升高先增加后降低,累计能量随温度变化具有波动性;⑤高温后煤样的抗压强度与声发射累计幅值、计数和能量没有确定关系,抗压强度和声发射参数是煤样破坏不同属性反映。经历100~500℃高温作用后煤样结构发生了变化,煤样内部裂隙数目和尺度随温度增加而增加,煤样内部结构变化是导致煤样力学性质劣化的原因。

高应力区域煤层巷道耦合支护数值模拟试验研究

为了研究耦合支护控制巷道变形的效果,根据耦合支护原理,使用FLAC3D有限差分数值模拟软件对某矿11010工作面回风巷在不同支护参数下巷道的顶板、底板、左帮和右帮深部基点位移与围岩最大位移进行了研究.结果表明,当支护体与围岩以及支护体之间在强度、刚度、结构满足耦合支护时,巷道深部基点位移与围岩最大位移均较小,且巷道处于稳定状态所需时间较短.通过工程实例进一步说明了耦合支护能有效地控制巷道围岩变形,维护巷道稳定.

基于ABAQUS有限元数值分析的软弱煤岩体巷道锚杆孔底扩孔力学特征研究

针对松软煤岩体巷道锚杆支护时出现锚固力低、锚固力衰减速度快等问题,基于ABAQUS有限元数值模拟软件,模拟分析了软煤和砂质泥岩两种情况下锚杆孔底扩孔后的孔壁围岩力学特征。结果表明:在相同围压作用下,扩孔段直径与围岩的强度呈负相关关系;相同岩性条件下,扩孔段最大直径与围压大小也呈负相关关系;验证了在煤及砂质泥岩中能达到较好的扩孔效果。在井下现场采用研制的单翼扩孔装置,分别在软煤和砂质泥岩条件下进行扩孔锚固试验,软煤和砂质泥岩扩孔锚固力显著大于不扩孔状态的锚固力。

山西省土地复垦与生态重建

山西本为煤炭大省,煤炭资源丰富,带动了山西的经济发展。但是煤炭的开采却带来很多意想不到的生态环境问题,导致很多采矿区地表坍塌和土地质量下降,可利用土地变少。如果土地资源不采取有利措施进行保护,将会出现无田可种无地可住的局面,应当在本省进行土地复垦与生态重建的工作,有效保护土地资源,重建生态系统,共建美丽家园。本文通过现有的文献对山西省土地复垦与生态重建的现状有了初步了解,并进一步做了深入调查与分析,从中发现了本省在矿区土地复垦与生态重建工作中的问题,以问题为出发点针对性的对所存在的问题提出建议和对策。

脱硫石膏的生产工艺及其综合应用

脱硫石膏是电厂对产生的烟气进行脱硫净化处理得到的工业副产石膏。烟气脱硫治理分干法、半干法和湿法3种,目前使用最广泛的脱硫方法是湿法脱硫,约占脱硫总量的80%以上。

煤炭地下气化污染地下水的迁移与渗透反应墙净化数值模拟研究

煤炭地下气化符合我国能源低碳绿色转型发展方向,但地下水污染已成为限制其推广应用的技术瓶颈之一。渗透反应墙修复技术是地下水原位修复的研究热点之一。结合有井式地下气化的特点,利用数值模拟手段研究了渗透反应墙体厚度以及净化材料等对地下水中有机污染物迁移扩散和净化修复效果的影响。在对流扩散方程的基础上,假设:(1)地下水中污染物的吸附净化所涉及的质量转移与液相和固相吸附污染物质量浓度的差势、固相当前吸附质量浓度与潜在最大吸附质量浓度的差势和过程时间等因素有关。(2)活性炭较强的吸附性能可能导致固相吸附质量浓度逐渐累积而不再随外界液相质量浓度变化而解吸,采用有限元法和θ-格式迭代建立数值模型,利用MATLAB编写相应数值计算程序,对污染物迁移扩散以及吸附净化过程进行数值模拟与实验验证。结果表明:污染水的修复效果随渗透反应墙墙体厚度增加而增强,但增强幅度随着厚度的增加而减弱,墙体厚度的增加对污染物净化效果的影响呈边际效应递减趋势;墙体材料吸附净化速率越大,渗透反应墙对污染物的净化效果越好,渗透反应墙的吸附净化速率对污染物的净化效果也呈边际效应递减趋势;墙体厚度与材料的吸附净化活性之间存在协同效应,构建渗透反应墙时应根据墙体材料的吸附净化速率,合理确定渗透反应墙的厚度,以获得最佳的技术经济效果。

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂隙。采用钻孔窥视法探测了15101工作面采动侧向裂隙发育情况,对比验证了理论计算结果。根据研究结果确定沿层理发育的侧向裂隙是15101采空区积水侧向渗漏的主要导水通道。据此针对15102回采巷道制定超前钻孔注浆和滞后钻孔注浆措施,以及15101采空区积水疏排措施,从而有效减少了15102工作面回采巷道顶板淋水量,保证了巷道正常掘进和工作面安全开采。

三软煤巷支护技术研究

我国煤矿软岩巷道支护问题是煤矿开采等地下工程维护中的一大技术难题,从对新义煤矿的现场观察来看,巷道围岩应力较大,变形严重,顶梁压弯,棚腿倾斜,而巷道底鼓也尤为突出,因此支护难度很大。文章结合该矿具体地质条件,通过对软岩巷道的变形破坏规律分析,提出了一些有效的支护技术方案,对现场巷道支护具有一定的指导意义。

论城镇化与耕地保护——以忻州市为例

城市经济发展速度可以用城镇化率的高低来体现,它既是一种转型过程,也是从农村到城市的一种蜕变,它的影响和意义都十分深远。大量的耕地因为城市化建设被占用,使得人地矛盾突出。两者的矛盾如果得不到有效的解决,既不利于城镇化发展,也给耕地资源带来了严峻考验。本文以忻州市为例,将城镇化水平和耕地面积进行比较,来分析忻州的社会发展状况以及当地的城镇化人口现状,从耕地数量质量方面分析了忻州市的城镇化发展情况和耕地资源现状,并得出了忻州市城镇化过程中出现的问题和进程中耕地资源存在的问题,进而提出了协调发展的对策。

深部软岩巷道支护技术研究

随着深部矿井的开采,巷道支护难度增大,围岩稳定性变差,顶板跨落、底鼓严重,结合某矿具体地质条件,采用锚网喷支护、锚索加强支护、滞后注浆联合支护形式,为该矿区巷道支护提供了新验。

煤炭地下气化对地下水的污染及其防控研究进展

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)是一种重要的煤炭资源转化技术,可提高煤炭资源的利用效率,但同时也带来地下水环境的污染风险。本文主要从UCG产生污染物对环境的影响及其修复防治角度着手,总结了UCG产生污染物的种类、转化迁移规律、净化修复方法和环境评估监测研究现状与进展,展望了未来UCG全面积极推广应加大其现场试验以及污染物监测研究力度的发展趋势,并为煤炭清洁利用领域的发展提供参考。

户县农村土地集约利用研究

为了更好地合理利用土地资源,减少土地资源浪费、土壤污染等问题的发生,使农用地的集约利用更多地引起相关政府部门的关注。以陕西省西安市户县为例,通过对户县土地利用现状和有关农用地的评价指标的分析,提出相关农村土地利用方面的建议及措施。