MOFs负载ACF吸附剂的制备及H_(2)S脱除特性

将活性炭纤维(ACF)负载到金属有机框架材料MOF-199上,在水热条件下制备了MOF-199@ACF吸附剂,利用固定床反应装置评价其脱H_(2)S性能;采用氮气吸/脱附、XRD、EDS、SEM、XPS表征和分析了MOF-199@ACF的物相组成;考察了ACF负载量、吸附温度、相对湿度对MOF-199@ACF脱除H_(2)S性能的影响,探究了MOF-199@ACF在H_(2)S脱除中可能的反应机理。结果表明,与MOF-199相比,ACF负载量(质量分数)为1%的吸附剂MOF-199@1%ACF的H_(2)S出现时间从180 min延后至405 min,穿透硫容从7.2 mg/g提升至14.5 mg/g;ACF负载量为1%不会干扰MOF-199结晶形成的稳定结构,ACF参与配位使MOF-199@1%ACF表面粗糙化,导致更多的吸附位点暴露,增加了比表面积(从MOF-199的1108.6 m^(2)/g增至1978.3 m^(2)/g);MOF-199@1%ACF是以化学吸附的活化吸附为主,升高温度(30~70℃)有利于加快吸附速率;适量水气(相对湿度10%)有助于性能提升(穿透硫容14.8 mg/g)。

基于ARIMA模型的矿井灾害预测方法研究

矿井灾害频发是影响我国煤炭产业发展的重要问题之一,灾前预警技术是目前应对这一问题的主要方法。为进一步提升矿井灾害监测预警能力,提出了基于ARIMA模型的矿井灾害预测方法研究。通过确立灾害风险监测指标构建了安全态势评估指标体系,基于时序预测法建立了灾害预测评估模型,经模型定阶及训练等过程确定最佳ARIMA预测模型参数。通过研究模型残差的正态性分布从而得到预测模型可靠度,将ARIMA(10,0,0)模型与时间序列拟合后进行自相关图和偏自相关图分析,得到了风险灾害未来短期预测结果;提出了“红橙黄蓝绿”5级灾害预警等级和准则,并进行了现场应用试验,结果证明,ARIMA模型对未来值的预测具有较高准确性,系统能及时对灾害进行预测和分级响应,可实现对矿井灾害的风险判别和预测预警。

浅埋火区无人机热红外监测温度补偿方法

我国西北地区具有煤层厚度大、埋藏浅等特点,无人机热红外监测与温度补偿是浅埋煤火灾害信息监测的关键技术,对推进煤自燃灾害安全监测与影响范围预警评价有着重要意义。针对复杂环境下多参数对热红外温度监测结果的影响,提出了一种基于灰狼优化—双层广义回归网络与连续高度修正函数相结合的温度补偿模型。基于热红外装置中大气消光系数对接收辐射对比度的影响,选取热红外监测波段下影响温度结果的多种因素,并通过主成分分析法确定累计能够表征实际温度的指标因子,以多种环境下的无人机热红外监测实验中指标因子数据为GWO-双层GRNN网络输入,得到训练完成的离散温度补偿模型,并提出无人机高度的连续修正函数作为模型输入待补偿数据的前置流程,最后将完整温度补偿模型进行了试验与现场验证。结果表明,GWO-双层GRNN网络在数据测试中,离散补偿效果优于其他模型,达到了平均绝对误差≤0.0081、均方根误差≤0.0132、决定系数≥0.9969,表明该模型具有良好的补偿效果;连续修正函数避免了无人机高度对热红外监测结果的影响,将无人机连续高度热红外温度回归问题划分为阶跃式回归计算,且最终模型具有良好的监测精度,提高了温度补偿模型的泛化能力。为应用无人机热红外监测结果划分浅埋煤火危险区域提供了配套计算方法,可进一步将该方法推广至对应的无人机应用与激光监测行业。

基于8.309μm QCL的硫化氢/甲烷开路式检测方法研究

H_(2)S,CH_(4)多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术,选用中心波长为8.309μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源,搭建30 m长距离的遥测实验系统,使用WMS波长调制法对H2S,CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描,并对高频正弦载波进行了最优深化调制,实现了H2S,CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量,分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性,并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验,分析了15 m,30 m不同遥测距离对检测信号的影响,并利用增加积分时间与计算信噪比的方法,得到了128.75×10^(-9)m的遥测最低限。最后,Allan方差的计算结果表明,当积分时间为183 s,142 s时,系统对H2S,CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10^(-9)和1.160×10^(-9)。本文的研究结果为中红外波段H2S,CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径,为多组分气体的遥测应用提供了参考。

“双一流”建设背景下矿井火灾防治课程线下教学实践探索

围绕当前线下一流课程建设中存在的难题,以具有煤矿安全特色的西安科技大学安全工程专业矿井火灾防治课程为例,分析课程教学面临的主要问题,探讨教学改革的必要性及相关举措成效,提出课程发展新思路。研究实践发现,课程教学应在传统理论内容建设基础上,通过融入思政元素与科研创新训练,把专业知识与科学精神的培养相结合,加强课程内涵建设,培养学生分析和解决矿井火灾问题的能力,以适应“双一流”建设新形势下的人才培养需求,为我国煤炭行业培养“留得住、用得上、干得好”的高层次研究、技术和管理人才。

基于数据填补的煤自燃温度预测模型

现有煤自燃温度预测模型的建立大多基于较为完整的指标气体样本数据,但指标气体数据受仪器或人为因素影响,往往存在数据缺失现象,导致煤自燃温度预测准确率较低和过拟合等问题。针对上述问题,提出了将K近邻算法(KNN)、随机森林(RF)、决策树(DT)及基于粒子群优化的支持向量回归等填补算法(PSO-SVR)应用于缺失值填补,缺失数据和填补后的数据通过RF、SVR和极限梯度提升树(XGBoost)算法分别进行训练,并通过PSO算法优化参数,构建了基于数据填补的RF、XGBoost和SVR煤自燃温度预测模型。利用煤自然发火实验选取CO,CO_(2),CH4,C_(2)H_(6),O_(2)作为指标气体,并设计整体缺失率为10%,20%,30%和CO,CO_(2)缺失率为40%,50%,60%共6种随机数据缺失,采用平均绝对误差百分比(MAPE)作为填补效果评价指标,采用MAPE、判断系数R^(2)和均方根误差(RMSE)作为模型性能评价指标,对4种填补算法和3种预测模型进行对比。对比分析结果表明:在6种数据缺失情况下,DT填补算法填补效果优于其他3种算法,在CO,CO_(2)存在较多缺失值时,RF算法的填补值与实际值的MAPE偏大;在不调参的情况下,XGBoost模型虽然在训练集效果极好,但极易过拟合,而SVR模型预测效果极差,无法满足预测要求;在6种数据缺失情况下,基于DT填补算法的PSO-SVR、RF与PSO-RF煤自燃温度预测模型的MAPE均在4%左右,基于DT填补算法的RF模型无需优化就能较好地预测出煤自燃温度,具有良好的稳定性。

大采高综采工作面采空区煤自燃危险区域研究与判定

大采高工作面由于围岩压力大、回采速度慢和漏风量大等特点造成煤自燃火灾防治难度较大。因此,采用数值模拟和现场观测相结合的方式研究了梅花井232204大采高工作面煤自燃危险区域分布特征。结果表明:采空区漏风风流从进风巷向回风巷方向渗流,造成氧气浓度在进风侧比较高,且高氧气浓度的范围大,在回风侧氧气浓度相对较低,高氧气浓度的范围也显著缩小。随埋入采空区距离增大氧气浓度逐渐降低,进回风侧氧气浓度分别在105 m和80 m降低到8%。综合判定得到232204工作面采空区的氧化升温带范围在进风区域和回风区域分别为40~105 m和28~80 m。研究结果可为大采高综采工作面采空区防灭火工作提供指导。

不同应力对煤自然氧化的影响规律试验研究

为研究应力对煤自然氧化的影响规律,设计1套应力对煤自然氧化影响规律试验装置,通过该试验装置对煤样施加不同应力模拟采空区破碎煤体在承压环境中受压变形、温度及气体体积分数变化特征,定量分析不同应力作用下破碎煤体相关参数的变化规律。研究结果表明:升应力作用阶段破碎煤体较恒应力作用阶段受压变形、升温幅度更为明显且煤体升温速率与位移变化速率大小正相关,进一步验证了应力对于煤体自然氧化具有促进作用;破碎煤体在不同应力作用下煤自燃倾向性进一步加剧,煤体内分子更易氧化,从而导致CO、CH4的产生;根据试验所测CO体积分数,从而推断有煤氧复合反应和煤体机械破碎激活脱碳2种产生途径。

灵新煤矿051608工作面采空区煤自燃危险区域分析

为了更有针对性地对灵新煤矿16号煤层051608综采面采空区煤自燃风险进行早期预防,采用实验与现场相结合的方式,通过物理相似模拟实验分析得到051608工作面采空区遗煤自燃极限参数,同时现场观测研究051608工作面采空区自燃“三带”分布特征。研究结果表明,漏风风流从进风侧采空区流向回风侧,氧气浓度进风侧随埋入深度增大衰减较慢,且高氧气浓度的范围大,随着埋入采空区距离增大氧气浓度逐渐降低。判定得到051608工作面采空区进风侧和回风侧氧化升温带范围分别为20~90 m和13~65 m,计算得到预防煤自燃最小安全推进速度为2.39 m/d。研究结果为合理确定防灭火工艺提供了依据,能够保障工作面安全回采。

灵新煤矿煤自然发火规律及指标气体研究

利用大型煤自燃试验台对灵新煤矿16号煤层煤样在常温170℃范围内的氧化特性和指标气体参数规律进行了测试。结果表明,煤温以26 d和37 d为界呈现出不同的升温速率;期间CO、CO_(2)为煤氧反应的主要产物,其余指标气体陆续由煤体氧化与分解产生且浓度较低;随着煤温的不断升高,实验炉内最高温度点的位置主要沿中轴线变化,并逐渐向进风口下移。此外,对于指标气体的讨论结果表明,炉内O_(2)浓度沿气流方向从进口侧开始逐渐降低,而CO和CO_(2)浓度则表现出相反的变化规律。研究结果为现场煤自燃的预测和防治提供了有力的依据。

灵新煤矿061404工作面CO分布特征及危险区域研究

为了研究灵新煤矿061404工作面CO分布特征及自燃危险区域分布规律,采用实验测试和现场观测相结合,通过程序升温实验得到了煤氧化过程中CO产生率、氧浓度与煤温的关系;采用现场观测得到了工作面及采空区CO分布特征。研究表明:灵新煤矿在常温下产生微量CO,且CO产生率随氧浓度、煤温增加而增大,煤样易于氧化;采空区CO呈“凹”字形分布,工作面CO沿煤层倾向从进风侧向回风侧逐渐增大;根据工作面采空区CO分布规律,判断CO来源主要途径为采空区遗煤低温氧化,截煤过程中新鲜煤体氧化产生CO气体的影响较小,同时提出了灵新矿061404工作面上隅角的煤自燃CO气体预报定量指标参数。

井下高压液态CO2压裂增透煤岩成套装备研制与应用

我国煤层渗透率低、瓦斯压力高、含量大,原始煤层瓦斯抽采困难。为提高煤层瓦斯抽采率、缩短预抽时间,必须实施人工增透。而众多压裂增透技术中,液态CO2压裂兼具压裂增透和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是当前低渗透煤层压裂改造方法的一个研究热点。为探索液态CO2(L-CO2)压裂增透技术在高瓦斯低透气性煤层中的应用及效果,类比水力压裂施工工艺,提出了井下高压(30 MPa)液态CO2压裂增透煤岩成套装备系统架构,确定了决定装备性能的5个关键参数。基于弹性力学理论、相似模拟实验和装备自身结构特点,综合考虑L-CO2低黏强渗透性和其相变特征,建立了L-CO2压裂煤岩起裂压力计算模型,推导了水和L-CO2压裂注液量的量化表征关系,得到了关键参数的科学确定方法。采用该方法,针对淮南潘三矿C13-1煤层地质赋存条件,研发了国内首套井下高压(30 MPa)L-CO2压裂增透煤岩成套装备,进行了井下上向穿层钻孔的L-CO2压裂增透煤层现场试验。结果表明:L-CO2压裂增透影响半径约25 m,此范围内单孔瓦斯抽采体积分数提高约1.47倍,抽采纯量提高1.75~3.30倍;抽采钻孔出现明显的压裂增流效应,且随抽采孔与压注孔间距离的增加,增流效应逐渐减弱。

一步法高通量可控制备生物相容水/水微囊及其响应释放

生物相容水/水微囊在药物递送、医学治疗等领域具有重要应用.本文通过设计同轴微流控器件,结合数值模拟优化和流动阻力分析,实现一步法高通量可控制备大小均匀、尺寸可控、壁厚可调、生物相容的水/水微囊.采用实验研究和数值模拟相结合的方式,研究了微流控器件结构、内相流速、外相流速、外相/空气界面张力、内相/外相界面张力、内相黏度和外相黏度等参数对水/水微囊直径和壁厚的调控规律.通过微通道流动阻力分析,设计多通道平行放大微流控器件,实现尺寸均匀可控水/水微囊的高通量制备.验证了生物相容水/水微囊作为活性物质的理想载体,可以通过改变pH或溶解囊壁释放载体,进而实现活性物质的pH响应释放,为其实际应用奠定了基础.

水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状

概述了近些年国内外学者关于水分对煤孔隙结构及自燃特性的影响研究现状,并以水分对煤孔隙结构、氧化性和放热性的影响3个方面进行了综述分析。研究表明:水分对煤自燃有双重作用——促进作用主要体现在水分增大了煤孔隙结构或羟基、羧酸等易与氧气反应的基团增多,苯环中C-H基团等抑制煤氧反应的结构减少,从而加强了煤氧复合反应;抑制作用主要体现在水分占据在煤内表面、煤表面产生的水膜和升温过程中的蒸汽压等阻隔了煤与氧的接触。针对目前研究存在的局限性,提出应加强水分对煤孔隙结构的扩容机理研究,建立不同含水量对煤自燃影响程度的鉴定准则及评价指标,得到不同含水量对煤自燃促进或抑制作用的阶段划分及临界含水量范围。

开采过程中采空区煤自燃与瓦斯复合致灾隐患区域研究

矿井开采过程中采空区煤自燃火灾往往诱发瓦斯爆炸的重大灾害事故。为探究矿井开采状态下采空区煤自燃与瓦斯的复合致灾,本文基于数值模拟的手段对煤自燃与瓦斯的复合致灾隐患区域进行判定与分析。使用移动网格的数值方法并利用laplace平滑方法对网格变形进行修正,实现工作面推进状态下采空区逐渐扩大的动态模型。通过对渗流场、浓度场和能量场多物理场耦合求解,建立了工作面推进过程中煤自燃与瓦斯涌出的动态数值模型,得到正常开采状态时采空区孔隙率、氧气体积分数和瓦斯体积分数分布规律。结果表明,瓦斯可爆区域呈斜长条形,进风侧瓦斯可爆区域位于采空区深部,回风侧可爆区域则靠近工作面。基于煤自燃与瓦斯复合致灾理论,对采空区复合致灾隐患区域进行判定,发现煤自燃与瓦斯复合致灾隐患区域主要位于靠近工作面后方15~60 m处的回风侧,而采空区进风侧与深部复合致灾危险性较小。通过定量分析通风量、工作面推进速度和瓦斯涌出衰减速率对复合致灾隐患区域的影响,发现随着通风量增大,氧化带向采空区深部移动,工作面附近瓦斯体积分数降低。在通风速度由0.5 m/s增大至1.2 m/s时,复合致灾隐患区域逐渐扩大,而当继续增大通风量时,隐患区域逐渐缩小。工作面推进速度加快时,瓦斯可爆区域宽度增加,氧化带和瓦斯可爆区间重叠区域扩大。但工作面推进速度增加将有利于降低煤自燃危险性,从而煤自燃和瓦斯复合致灾的危险性减小。煤的瓦斯释放衰减速率增大时,瓦斯体积分数随埋深而增加的增长速度减小,瓦斯可爆区域宽度扩大,从而导致复合致灾隐患区域面积增大。

柴家沟矿4-2煤层自燃标志气体优选实验研究

为提高柴家沟矿4^-2煤层自燃预测预报准确性,采用XK-Ⅶ大型煤自燃实验台模拟4^-2煤层自然发火过程,对自燃特性参数、单一标志气体、复合标志气体进行分析。实验证明:当煤温在70~80℃时,煤样耗氧速率明显加快,放热强度曲线斜率逐渐增大,当煤温在100~120℃时,耗氧速率迅猛增加,放热强度曲线斜率明显增大,故推断4-2煤层自燃临界温度在68~80℃,干裂温度在100~120℃;由于φ(CO)、φ(O2)/φ(CO+CO2)随煤温变化的灵敏性和规律性强,且在井下容易检测,故将φ(CO)、φ(O2)/φ(CO+CO2)选作预测4^-2煤层自燃的主要标志气体参数;由于φ(C2H4)、φ(CH4)/φ(C2H6)、φ(C2H4)/φ(C2H6)能从一定程度上反映4^-2煤层自燃发展阶段,故将φ(C2H4)、φ(CH4)/φ(C2H6)、φ(C2H4)/φ(C2H6)选作预测4^-2煤层自燃高温阶段的辅助标志气体参数.

液态CO_2对高温煤体降温规律实验研究

为了研究液态CO_2对高温松散煤体降温规律,采用液态CO_2降温实验装置,研究了在相同液体流量条件下3种粒径煤样的降温规律。结果表明:粒径越小的煤体降温效果越好,并且液态CO_2对出口附近及上部煤体降温效果明显优于对下部煤体降温效果,同时证实了在液体出口下方存在着一定体积的干冰。

煤微观基团与自然发火危险性相关分析

为了研究煤微观基团与煤自然发火过程中放热特征之间的联系,采用差示扫描量热实验和红外光谱实验研究了不同变质程度煤样在煤自燃过程中的热特征参数与微观基团变化。结果表明:随着变质程度的增大,弱黏煤、肥煤、焦煤、无烟煤的芳香族化合物含量逐渐增大,分别为33.7%、39.8%、47.5%、65.4%,而含氧官能团的含量则逐渐降低,分别为53.2%、50.5%、43.6%、24.6%。利用高斯混合模型确定了煤放热过程中的燃点温度,结果表明高变质程度煤有更高的燃点和更低的自燃危险性。利用皮尔逊相关系数法确定了煤燃点与微观基团之间的关系,结果表明含取代苯,-C=C-,和-CH_(3)更多的煤的燃点温会更高,自燃危险性会减小,而含有更多-CH_(2)和-COOH的煤则恰好相反。

气化灰渣灌浆流动特性实验研究

通过元素分析和X射线荧光光谱分析,分析了气化灰渣含有的元素和化学成分,提出将气化灰渣作为灌浆防灭火材料灌注到井下采空区;为解决气化灰渣浆液远距离运输过程中易堵塞管路的问题,以高分子表面活性剂羧甲基纤维素(CMC)为悬浮剂,利用悬浮与流动实验,测试了不同水灰比和不同悬浮剂添加量下浆液的析水率和流动性能。结果表明:气化灰渣中含有多种金属元素和非金属元素,这些元素主要以氧化物的形式存在,含量较高的氧化物有SiO_(2)、Fe_(2)O_(3)、CaO、Al_(2)O_(3);当气化灰渣和CMC的添加量增加时,浆液的析水率逐渐减小,流动度逐渐降低;通过对比浆液悬浮性和流动性,水灰比为1∶0.2时,最佳CMC添加量是1.25%;水灰比为1∶0.4、1∶0.6、1∶0.8时,CMC最佳添加量为0.5%;当水灰比为1∶1时,CMC最佳添加量为0.25%;水灰比超过1∶1时,浆液呈现膏状,不满足灌浆的要求。

氯盐阻化剂吸附CO性能的实验研究

为研究氯盐阻化剂对CO的吸附性能,根据井下工作面风流流动情况设计CO液体吸附测定装置,利用控制变量法研究不同浓度、不同风速下的NaCl,MgCl_(2),CaCl_(2)对CO的吸附性能参数变化规律。结果表明,3种氯盐阻化剂的吸附量均在一定程度上受到浓度的影响:风速为2.0 m/s时,NaCl和CaCl_(2)溶液对CO的吸附量均随浓度增加而增加,MgCl_(2)溶液的吸附量随着其浓度的增加呈先增强再减弱的变化趋势,3种氯盐溶液中CaCl_(2)溶液的吸附效果最优,NaCl溶液的吸附效果最为微弱;当实验风速在1.8~2.2 m/s范围内,氯盐阻化剂的CO吸附性能与风速成反比,适当降低风速后,3种氯盐溶液的吸附效果均有提高。研究结果证实了氯盐阻化剂对CO具有一定的吸附性能,对矿井有害气体消除与防灭火技术相结合的发展具有一定的指导意义。