压缩天然气汽车燃料灌充用国产压缩机的改进意见

详细分析了国际著名压缩机公司生产的典型压缩机结构，以期作为压缩天然气汽车燃料灌充用国产压缩机结构改进的参考。

核电安注上充用多级离心泵性能降低原因分析

本文通过对泵运行及检修数据进行分析和计算,揭示了一核岛上充用多级离心泵性能逐步降低的根本原因,提出了改进措施。

煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO_(2)、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO_(2)Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划,构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想;评估了煤矿负碳高效充填CO_(2)封存能力,可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

煤矿充填固碳理论基础与技术构想

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO_(2)排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO_(2)封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括:①分析了CO_(2)充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。②总结了现阶段CO_(2)矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO_(2)封存能力和CO_(2)矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO_(2)充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。③针对CO_(2)充填过程中的CO_(2)物理封存问题,提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填2种技术路径,前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔隙的充填体CO_(2)物理封存,后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带,控制顶板垮落,形成CO_(2)物理化学封存空间。④为了评估CO_(2)充填的碳平衡效果,依据全生命周期法界定了CO_(2)充填中碳足迹及碳消纳的计算边界。然后,梳理了CO_(2)充填过程中的碳足迹及碳消纳,分别考虑了CO_(2)的来源、用量、损耗、转化等因素。给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。研究成果有望降低CO_(2)封存的能耗及成本,对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义。

超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法

固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备,其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步,暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈,运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著,异常工况自主调控问题亟待解决。总结了固体充填刮板输送机特征;构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法;通过分析异常工况的形成机理,选取异常工况判别指标,结合位姿与运输状态表征方法,给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径,揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制,提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。全国首个260 m工作面长固体充填工程案例表明:通过异常工况自主调控,平均最大水平偏移距每减少100 mm,刮板链牵引力可减少85 kN,输送功率损耗可减少55 kW;平均最大垂直偏移距每减小100 mm时,输送功率损耗可减少7.2 kW;单位长度货载运量每减少100 kN/m,刮板链牵引力可减少31.9 kN,输送功率损耗可减少38.2 kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能,可助力实现固体智能充填开采。

煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展

传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。

干湿循环下复合激发膏体充填材料宏-细-微观强化与损伤特性

为探明盐-碱复合激发膏体充填材料的性能变化规律及干湿循环作用下充填体结构多尺度损伤机制,对以脱硫石膏和水泥熟料为复合激发剂的膏体充填材料进行多目标优化,并对最优配比下的充填体试块进行0~25次干湿循环,开展抗压强度、X射线衍射(XRD)、低场核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)试验,揭示充填体宏观力学行为和微细观结构演化规律。研究结果表明:充填材料最优配比是矿渣掺量为50%,脱硫石膏与水泥熟料质量比为3:7,硅灰掺量为2.5%。随着干湿循环次数的增加,充填体宏观表现为抗压强度的折减及累积电导率升高,干湿循环10次时出现拐点,质量损失率和强度损失率分别达极小值-1.91%和-8.36%;在细观尺度上,T2谱反演良好,干湿循环作用10次后,横向弛豫时间逐渐右移且谱面积增大,表明膏体充填材料孔隙尺寸及数量随着干湿循环次数增加而增大;微观尺度上,钙矾石、石膏和方解石等侵蚀产物的膨胀结晶应力加速了微观孔隙结构的发育,反复干湿循环作用削减了C-S-H凝胶的黏聚力,由最初的堆叠蜂窝状劣化为小块状。综合宏、细、微观结构演变规律可知,孔隙结构的损伤演化与力学性能的劣化特征具有较好的同步性。

煤气化炉渣对煤矸石膏体充填材料性能影响

目的利用煤气化炉渣颗粒的球形特征,研究其对煤矿采空区膏体充填材料流动性和强度的影响规律,并分析其影响机理。方法以质量分数为85%的煤矸石骨料充填膏体为对照组,煤气化炉渣等质量取代膏体中煤矸石细骨料10%,20%,30%,40%,50%,分别测试新拌膏体泌水率、坍落度、扩展度、流变屈服应力和塑性黏度等浆体性能,同时测试膏体结石体抗压强度。结果结果表明,随着炉渣取代率增加,膏体泌水率增加,坍落度和扩展度增加,流变屈服应力和塑性黏度减小;与对照组相比,炉渣取代率为10%时,膏体屈服应力和塑性黏度分别降低16.7%,1.6%;与10%取代组相比,炉渣取代率为20%时,膏体屈服应力和塑性黏度分别降低47.4%,15.0%,降低速率大幅增加;继续增加炉渣取代率,膏体屈服应力和塑性黏度又缓慢增加;膏体结石体早期强度(3,7 d)随着炉渣取代率增加而小幅降低,后期强度(28,60 d)无显著变化。结论煤气化炉渣作为骨料取代膏体充填材料中的煤矸石细骨料,可以改善新拌膏体流动性,取代率达到20%时,可以充分发挥球状炉渣颗粒在多棱角煤矸石骨料间的滚珠润滑作用,减小矸石骨料机械咬合,大幅降低充填膏体屈服应力和塑性黏度;且炉渣对充填膏体结石体后期强度无显著影响。

基于CSSA-BPNN模型的胶结充填体动态抗压强度预测

充填采矿法二步骤回采时胶结充填体稳定性受爆破扰动而降低。为快速准确地获得充填体动态抗压强度,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行了40组不同应变率的单轴冲击实验,以灰砂比、充填体密度、养护龄期和平均应变率作为输入参数,充填体动态抗压强度作为输出参数,建立了一种基于Logistic混沌麻雀搜索算法(CSSA)优化BP神经网络(BPNN)的预测模型,并与传统BPNN和麻雀搜索算法优化的BPNN进行了对比分析。结果表明:CSSA-BPNN模型的平均相对误差为4.11%,预测值与实测值之间拟合的相关系数均在0.96以上,模型预测精度高。CSSA-BPNN模型的均方根误差为0.395 0 MPa,平均绝对误差为0.359 2 MPa,决定系数为0.995 2,均优于另外两种预测模型。实现了对充填体动态抗压强度的准确预测,可大幅减小物理实验量,为矿山胶结充填体的强度设计提供了一种新方法。

玻璃纤维改性煤基固废胶结充填材料性能研究

基于煤矸石、粉煤灰等煤基固废再生资源利用和胶结充填材料性能优化问题,研究了玻璃纤维掺量、长度和养护龄期对煤基固废胶结材料输送性能和力学性能的影响规律,探讨了玻璃纤维增强机理。实验结果表明:玻璃纤维改性煤基固废胶结材料坍落度随纤维长度和掺量的增大而减小,但均大于200 mm,满足输送性能要求;抗压强度和抗拉强度随纤维长度的增大呈先增高后降低,随纤维掺量的增加而增高的变化规律;当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.3%时,质量分数为79%的煤基固废胶结材料的综合性能最佳;玻璃纤维改性煤基固废胶结材料水化反应后,生成的针状和团状产物填充了材料细小裂隙且附着于纤维表面,能够有效提高材料的力学性能。

基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法

充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置。结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的“工字型”结构充填新方法。结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC^(3D)数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征。结果表明:“工字型”充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%。同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑。综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期“工字型”结构充填最佳充填方案为中部条带长度72 m,宽度7 m,两侧条带长度18 m,宽度6 m,较全部充填可减少充填材料成本33.86万元。该方案形成的密闭空间为1980 m^(3),占总采出空间的44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现。

膏体充填:金属矿绿色开采的变革性技术

膏体充填具有安全、环保、经济、高效的显著优势,是近年来金属矿绿色开采的重要变革性技术。本文对近40年来中国膏体充填的发展历程、主要科技成就、基础理论与关键技术装备进行了分析与总结,并重点阐述了膏体充填对采矿工艺变革的推动作用。最后,提出了无人化膏体充填、基于膏体充填的全废综合利用这两大重要发展趋势。

基于骨料运移的高浓度充填管道磨损机制

高浓度充填管道磨损威胁矿山安全,但磨损机制尚不明析。采用CFD-DEM模拟高浓度充填管道磨蚀、骨料运移、骨料与管壁接触,结合理论分析和现场实测揭示管道磨损机制。结果表明:料浆承载力充足时,固液两相在管内呈柱塞流,骨料向管道中心运移,管壁处形成减磨滑移层,管道四周磨损较均匀;反之,骨料在管底呈滑动床,管底磨损最严重。滑动床对管壁的作用力是柱塞流时的2.46~2.76倍,管底磨损是柱塞流时的1.48倍。骨料在管壁附近的运动轨迹类似波形线,以小角度接触管壁并滑滚,对管壁的切向力是法向力的27.44~30.84倍,管壁磨损受骨料切向刮擦主导。非稳态输送、粗糙管壁和过高浓度会劣化滑移层的减磨效果。根据模拟结果提出六条磨损防控措施,可供相关矿山借鉴。

金属矿山高浓度充填管道磨损规律与防控技术

金属矿高浓度充填能有效消除尾矿库和采空区危害,但充填管道磨损问题也成为制约充填效率的因素之一。基于对管道磨损类型的划分,从颗粒性质、料浆性质、料浆—管壁接触条件、管材性质和管道所处外部环境5个方面综述了充填管道磨损的影响因素;基于理论分析和现场实测归纳了5种不同形式充填管道的磨损规律,以此总结了充填管道磨损的防控技术。现有研究结果表明,不满管流时,充填管道最主要的磨损形式是冲蚀磨损,料浆流速的影响最显著;满管流时,磨蚀和腐蚀对管道磨损起重要作用,料浆浓度的影响最显著。垂直管道中,料浆—空气交界面处磨损最严重,提高满管率并采用等倍线设计可有效控制其磨损。水平直管和倾斜直管底部磨损最严重,水平弯管的底部和垂直弯管外侧为易磨部位。使用新型管道结构和耐磨管材,提高料浆均质性,优化充填骨料级配,改进充填作业制度,全面监测管网压力,革新管道磨损数据获取手段,采用数值模拟技术深入揭示管道磨损规律等措施,可直接或间接对充填管道磨损防控起到积极作用。研究结果可为矿山充填管道磨损控制提供指导。

粉煤灰基充填膏体制备过程中氨气释放的超声强化特性

将粉煤灰作为主要胶凝材料的膏体充填开采不仅能有效控制地面沉降、解决“三下”压煤问题、提高煤炭采出率,还可解决燃煤电厂粉煤灰堆积难题。而粉煤灰基充填膏体的氨气释放会对充填作业面的气体环境造成污染,亟需治理。提出一种利用超声波促进膏体氨气释放的新思路。通过对粉煤灰浆液进行超声处理,采用以超声时长(A)、超声功率(B)、固液比(C)作为考察因素,进行单因素实验,结果表明:随着超声时长、超声功率以及固液比的的增加氨气释放速率呈现出先增大后减小的趋势,并在超声时长、超声功率以及固液比分别为30 min、80 W和1∶10时达到最大值。在单因素实验结果的基础上进行响应面实验建立回归模型。通过响应面优化确定最佳实验参数。结果表明:影响因素主次顺序为:A>B>C,AB>AC>BC;去除氨气最佳实验参数为:超声时长为32 min,超声功率为80 W,固液比为1∶7.7。验证结果表明:实测值与预测值仅存在-1.6%的相对误差。利用优化后的实验参数处理粉煤灰,并制备成充填膏体测定氨气释放量,发现膏体氨气释放量平均减少了95.94%,氨气释放速率提高84.02%,膏体3 d和28 d的单轴抗压强度分别提高185.00%和86.50%,坍塌度、泌水率和凝结时间均降低,同时减少了膏体内部多害孔数量,使孔隙率由33.58%降低到28.13%,为粉煤灰基充填膏体的氨气释放治理提供新的方法与思路。

考虑边界约束影响的充填挡墙厚度确定方法及应力分布规律研究

不合理的边界加固方式会导致充填过程中挡墙边缘抗弯能力弱化进而影响采场安全。基于此,为了确定合理的充填挡墙厚度,探讨边界约束对充填挡墙稳定性的影响,将挡墙结构简化为4类薄板模型。以第一强度准则为判断依据,提出了不同边界约束模式下充填挡墙厚度确定方法。结合大冶铁矿工程实际,探讨了不同边界约束模式下充填挡墙应力分布规律,并通过解析几何和数值模拟对本文理论模型进行了验证。研究结果表明:①挡墙最小厚度与充填高度、充填料浆容重呈正相关关系,与挡墙抗拉强度呈负相关关系,增加挡墙抗拉强度有利于挡墙稳定性;②挡墙内外侧拉伸应力分布存在明显差异,外侧呈X型分布,内侧呈O型分布,边界抗弯能力弱化会导致拉伸区域拓展,增加挡墙边界弯矩可以有效防止挡墙破坏;③数值模拟获取的应力分布规律与解析几何分析结果高度一致,进一步验证了本文充填挡墙厚度确定方法的可靠性,结果可为类似采场充填挡墙参数优化提供参考。

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明:充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工作面倾向下部充填区长度增大,中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小,“支架-围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径,承担了部分覆岩载荷,工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小,工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大,沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架-围岩”系统稳定性等优势。

内蒙古大青山侏罗纪沉积盆地充填和构造古地貌重建

石拐盆地是阴山地区保存最完整的侏罗纪盆地,其沉积充填过程和碎屑物质组成为正确认识大青山侏罗纪构造地貌演化提供了重要约束。石拐盆地形成于伸展断陷环境,依次充填了下侏罗统五当沟组和中侏罗统召沟组。断陷初期,南部地貌陡峭,控制发育了冲积扇沉积体系,碎屑组分记录了近源高级变质地体的剥露过程;晚期以坳陷为主,在召沟组末期形成最大湖泛面,碎屑组分中沉积岩岩屑和砾石明显增多,指示构造平静阶段的地貌夷平。至中—晚侏罗世,大青山地区构造属性发生反转,断陷盆地南部开始卷入挤压变形,形成大青山褶皱—逆冲系统雏形。然而,这些新生的挤压构造似乎未能引起地表地形的剧烈起伏,它们主要表现为隐伏状态。相反,该时期北部地貌抬升最为显著,不仅体现在中侏罗统长汉沟组和上侏罗统大青山组边缘相沉积均分布在盆地北部,更体现在阴山地体中浅层次盖层、火山物质与深层次TTG岩套的的反复剥露抬升。这种“北高南低”地貌特征的形成与阴山地体持续抬升及其两侧先存断裂活化密切相关,也是对周缘板块向东亚大陆俯冲汇聚的远程响应。

动静载作用下充填节理砂岩应力波传播特性研究

为研究节理角度和不同围压作用下的充填节理岩石的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造后的动静组合加载霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,对充填节理厚度为8 mm的砂岩试样进行冲击试验,研究不同围压等级(0、4、6和8 MPa)和不同节理倾角(0°、15°、30°、45°)下充填节理试样的动态力学特性和应力波传播的规律,采用应力波斜射理论并进行验证。试验结果表明:(1)完整砂岩的反射波幅值最小,以0 MPa为例,反射波幅值从0.194×10^(-3)增长到0.299×10^(-3),与倾角成正相关,透射波幅值与倾角成负相关,且从0.169×10^(-3)减小到0.053×10^(-3);以0°为例,反射波幅值与围压呈负相关,且从0.194×10^(-3)减小到0.074×10^(-3),透射波幅值相反从0.169×10^(-3)增长到0.257×10^(-3);(2)在冲击动载作用下,一定程度围压可以起到限制变形,抑制胶结面分离,提高承载能力;节理倾角越大的充填节理产生的变形越大,承载状态越差;(3)倾角试件随着围压增大反射能力降低,透射能力提高,0°倾角试件的反射系数从0.603减小到0.147,透射系数从0.569均匀增加到0.789,围压试件随着倾角的增大反射能力增大,透射能力降低与理论分析规律一致;(4)节理倾角与试样吸收能密度呈负相关,围压与试样吸收能密度呈正相关,与围压作用下的透反射规律一致。