保温时间对二次炭化型煤微结构的影响与力学-渗流特性强化研究

物理模拟试验是煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的一种有效方法。目前开展煤矿瓦斯灾害物理模拟试验所用型煤材料其力学强度、渗透率与原煤差异性较大,如何改善型煤(BC)的抗压强度、渗透率是型煤成型过程中面临的关键问题。基于此,采用热压成型方法制作了若干不同保温时间下二次炭化型煤,并采用SEM、NMR、XRD、FTIR、MTS-815岩石力学试验系统和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对不同保温时间下二次炭化型煤进行测试分析,分析了不同保温时间对其表面形貌、T2谱形态、孔隙度、微晶结构、基本结构单元芳香烃、烷基侧链和各种官能团演化规律,厘清了不同保温时间下二次炭化型煤的力学及渗流特性,并确定最优的保温时间。结果表明:随着保温时间的增加,二次炭化型煤表面粗糙度、孔径逐渐变大,且增至6.7 h后,BC表面有裂隙出现,保温时间越长,裂隙越明显;BC累计孔隙度及中孔孔隙度逐渐增大,而微孔孔隙度逐渐减少;芳香层间距(d_(002))呈先减后增,而微晶直径(L_(a))和微晶高度(L_(c))均先增后减;脂肪链的长度减少,芳香环的缩合程度(A_(ar)/A_(al))呈先增大后减小;单轴抗压强度呈先增大后减小,渗透率呈先减小后增加。在保温时间为5.3 h为最佳保温时间,此时热压BC的单轴抗压强度和弹性模量都最大、泊松比和渗透率最小,其力学强度、渗透率和密度依次为9.85 MPa,1.49×10^(-15)m^(2)和1.127 g/cm^(3)。该研究为提高煤矿瓦斯灾害发生机制与防控基础试验中的真实还原性,有效预防控制煤矿瓦斯灾害事故具有重要的现实指导意义。

二次炭化型煤成型装置及型煤制作方法

针对煤与瓦斯突出事故研究中物理模拟实验所需型煤材料具有强度低、渗透性高等特性,自主研制了二次炭化型煤热压成型装置和型煤制作新方法。该装置主要由电液伺服加载控制系统、加热炉体及密封系统、真空及气氛保护系统、炉体电控系统、水冷系统和石墨模具、碳钢模具等6个部分组成,其最大轴压为200 kN、最高温度为1200℃、炉膛温度均匀性为±6℃、升温速率为±0.01~10℃、炉膛使用真空度≤10 Pa、炉膛工作室尺寸为φ240 mm×260 mm(直径×高),石墨模具和碳钢模具均可制备尺寸分别为φ25 mm×50 mm和φ50 mm×100 mm(直径×高)的圆柱体型煤试件。该热压成型装置具有如下特点:①系统采用计算机控制自动加荷载,实现力、位移的闭环控制;②炉膛尺寸设计紧凑、炉内温度均匀性好,能实现热压、无压、真空和气氛保护烧结等;③模具耐高温、热膨胀系数低,组装、拆卸均方便,可成型多种类、多数量热压型煤。并利用该装置进行了不同炭化温度的型煤试件的制作,其中煤粉颗粒配比采用致密堆积理论优化后其粒径为0.250~0.425,0.125~0.150,0.075~0.083 mm,配比为91.775.872.35。基于所开展的单轴压缩荷载作用下的力学特性试验、三轴压缩荷载作用下的渗流特性试验等,通过对比分析热压型煤的密度、单轴抗压强度、泊松比、弹性模量、初始渗透率和最小渗透率等,揭示了不同温度下型煤强度增加与渗透性降低的影响机制。其中密度变化率呈先增后减再增的趋势;单轴抗压强度和弹性模量呈现先增后减,泊松比则为先减后增的趋势;初始渗透率及最小渗透率均呈不断增大的趋势,综合考虑热压型煤的密度、强度和渗透率等,确定了二次炭化型煤制作中最佳炭化温度为300℃,从而优化了型煤与原煤之间的相似性,提高了煤与瓦斯突出物理模拟实验研究真实还原性。

无烟粉煤制炭化型煤的炭化黏结特性研究

基于自制加压炭化装置和热重(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)分析等方案,对以煤改性黏结剂、无烟粉煤制备的炭化型煤的结构和黏结特性进行研究。结果表明:型煤在炭化过程中出现2个明显的收缩阶段,第一个收缩阶段(室温~480℃),收缩量为3.2 mm;第二个收缩阶段(650~900℃),收缩量为1.7 mm。黏结剂和煤粒的共同作用引起型煤失重变化、孔结构变化和体积收缩。随着炭化温度的升高,500℃时型煤的孔容和比表面积达到最大,分别为0.871 1 cm^3/g和30.42 m^2/g。炭化型煤的芳香结构整体向有序化方向发展。黏结剂软化形成凝胶覆盖在煤粒表面,500℃以后缩聚、固化于无烟煤粒间。700℃以后固化的黏结剂与粉煤进一步缩聚形成由C—C键连接的叶片状结构,型煤抗压强度提高到14.2 MPa。

炭化型煤的水蒸气气化特性及动力学

以褐煤等粉煤为原料,采用冷压成型和低温炭化工艺,研制出高热稳定性的气化用炭化型煤。在固定床气化装置中,研究了炭化型煤的水蒸气气化特性和动力学。研究表明,气化温度从880℃提高到1 000℃,碳转化率达到85%的时间从40-50min缩短至20min以内;反应进行5-8min时,炭化型煤气化反应速率达到最大值;气化温度为880℃时,反应全程处在化学反应控制区;气化温度为920℃、960℃和1 000℃时,反应过程由化学控制区向内扩散控制区转移,转移的拐点在碳转化率为90%-95%之间出现。炭化型煤气化动力学可用二维扩散模式的缩核模型描述,在化学反应控制区,表观活化能为93.83-104.11kJ/mol,表观活化能与指前因子存在动力学补偿效应;在内扩散控制区,表观活化能为76.45-87.05kJ/mol。

影响炭化型煤成型性能的工艺参数研究

对无烟粉煤生产炭化型煤的成型工艺进行了研究,得出了粉煤成型的最优工艺参数。同时用扫描电镜（SEM）对炭化型煤高温时的粘结机理进行了研究,结果表明,粘结剂用量为16%,成型水的质量分数为13%-15%,成型压力为50 MPa,炭化温度为800℃时,制得的高性能型煤的抗压强度和跌落强度分别为13.2 MPa和98.2%。型煤炭化时,煤改性粘结剂产生液相胶质体在无烟煤表面形成胶质薄膜层,薄膜层逐渐缩聚、固化,填充于颗粒间,提高了型煤强度。

无烟粉煤加工炭化型煤技术的现状与发展趋势

叙述了国内外型煤技术的生产工艺的现状及发展趋势。指出,炭化型煤经过半个世纪的发展,在原料配方、成型技术和加热炭化等方面都取得了长足的进展,洁净炭化型煤生产技术具有较强的技术优势,有巨大的发展空间。

Economic Transformation Capacities and Developmental Countermeasures of Coal-resource-based Counties of China

In China,the economic systems of many small-scale resource-based regions are confronted with realizing sustainable development through economic transformation. This paper,taking 37 coal-resource-based counties in China as objects,evaluates the economic transformation capacities of the counties by principal component analysis (PCA). Based on the comprehensive principal component values of >1,0–1 and <0,the economic transformation capacities of the counties are classified into strong,common and weak grades. Then,the paper proposes the developmental countermeasures according to different transformation capacities. For the counties with strong transformation capacities,it is crucial to make scientific positioning and rationally exploite resources in view of the developing characteristics and modes of those counties; as for the counties with common transformation capacities,the preparation and perfection of basic transformation conditions are still important aspects; as for the counties with weak transformation capacities,shifting from ″passive transfromation″ to ″active transformation″ in light of resources conditions is necessary.

A dynamic optimization model of an integrated coal supply chain system and its application

Various nodes,logistics,capital flows,and information flows are required to make systematic decisions concerning the operation of an integrated coal supply system. We describe a quantitative analysis of such a system. A dynamic optimization model of the supply chain is developed. It has achieved optimal system profit under conditions guaranteeing a certain level of customer satisfaction. Applying this model to coal production of the Xuzhou coal mines allows recommendations for a more systematic use of washing and processing,transportation and sale resources for commercial coal production to be made. The results show that this model,which is scientific and effective,has an important value for making reasonable decisions related to complex coal enterprises.