基于匹配法的不同种类煤和矸石发射率测量研究

煤和矸石的种类、表面纹理结构、变质和发育程度等因素都会对其发射率产生较为显著的影响,精准的发射率参数设置对红外热像仪测温及煤和矸石红外图像的识别至关重要。提出了一种基于匹配法的煤和矸石发射率测量方法,即采用表面热电偶与红外热像仪相结合的方式测量煤和矸石发射率。用密闭的电热炉对被测煤和矸石进行均匀加热,待被测煤和矸石均匀受热且稳定后,用表面热电偶对被测煤和矸石的选定区域进行真实温度测定(标定为t1),然后用红外热像仪对同一区域进行温度测定(标定为t2),最后对红外热像仪的发射率进行调试,当t2=t1时,得出的发射率即为被测煤和矸石在该温度下的真实发射率。实验结果表明:(1)等温条件下,煤和矸石表面越粗糙,其发射率数值越大,表明煤和矸石表面的粗糙度是导致二者产生不同发射率的内在因素。(2)4种不同种类煤和矸石发射率随温度的增大呈幂函数降低,且拟合函数相关系数R2达0.98以上,验证了匹配法应用于煤和矸石发射率测量的可行性。(3)采用反代法得出在不同温度条件下实测值与理论值的误差率均小于3%,验证了实验中测量的煤和矸石发射率的准确性。

煤炭输运装备用ZTAp-Fe材料腐蚀机理研究

井下环境差,由传统钢铁材料制造的井下煤炭输运装备的使用寿命较低。本文通过电化学试验、扫描电镜观察、能谱分析等方法,探究了粉末冶金法制备增强铁基复合材料(ZTAp-Fe)的耐腐蚀性能、微观组织结构以及元素分布之间的规律,揭示了ZTAp-Fe材料的耐腐蚀机理。结果表明,ZTAp-Fe材料中ZTAp与铁基体结合状态良好,界面为非冶金结合。铁基合金中引入20%ZTAp,腐蚀速率由0.90928 mm/a降至0.36514 mm/a,电荷转移电阻(R_(ct))由775.6Ω·cm^(2)提高到1025.3Ω·cm^(2)。ZTAp的耐蚀性优于铁基体,界面处形成腐蚀产物有效抑制腐蚀介质对ZTAp和铁基体的进一步腐蚀。ZTAp增强铁基复合材料能够有效地提高煤炭输运装备的使用寿命。

特厚煤层卸压综放开采顶煤破碎及运移规律实验研究

为了实现20m以上特厚煤层的安全高效开采,提出特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟实验方法,研究20m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎及运移特征、顶煤位移场和矢量场演化特征、支架阻力的影响等。研究结果表明:卸压开采阶段,顶煤顶板垮落空间形态呈近似梯形,支架上方台阶状顶煤悬臂梁结构的破断和失稳具有周期效应,上位顶煤位移>中位顶煤位移>下位顶煤位移,基本顶初次来压后出现切顶压架事故。综放开采阶段,短悬臂梁结构最终破碎成散体结构,且中位顶煤的总位移大于上位顶煤。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10cm。顶煤位移场、矢量场演化特征和实验结果一致。为我国20 m以上特厚煤层开采技术开发奠定了理论基础,具有重大科学意义与应用价值。

综放开采顶煤冒放性预测模型的构建与应用

为实现综放开采顶煤冒放性的定量分析,提高资源采出率,采用室内实验、理论分析、数值计算和现场实测等研究手段,测试单轴抗压条件下型煤和原煤中超声波速的全程动态演化特征,构建超声波速预测模型并将其应用于综放开采顶煤冒放性预测。煤体弹性变形阶段,超声波传播速度保持不变,后继屈服阶段,裂隙的萌生和扩展导致超声波速呈现单调降低趋势,残余变形阶段,超声波速降低至残余值并保持稳定;将工作面前方顶煤超声波速分布划分为单阶段(I)、双阶段(I–II)和三阶段(I–III)三种类型,对于I型分布采场,顶煤不具备冒放性,I–II型分布采场,顶煤冒放性差,采出率为50%～70%,I–III型分布采场,顶煤冒放性良好,采出率大于70%;采用累积塑性应变表征煤中裂隙发育程度,构建超声波速预测模型,将预测模型与本构模型耦合实现承载煤体变形破坏过程和超声波速演化特征的准确模拟,采用实验数据验证了模型的可靠性;将超声波速预测模型应用于新柳煤矿顶煤冒放性评价,预测结果表明,该矿综放工作面前方顶煤超声波速分布属于I,II,III三阶段类型,顶煤冒放性良好,实测顶煤采出率为83.3%,煤层垂直应力和顶煤超声波速实测数据与预测结果具有较好的一致性,表明所构建的超声波速预测模型可用于不同开采条件下顶煤冒放性评价。

东北某露天矿褐煤干燥提质对水分复吸的影响

东北某露天矿褐煤因水分含量高,使用前需要进行干燥提质处理,以提高其燃烧热效率。为研究褐煤干燥提质后对水分复吸的影响,利用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)、差热/热重分析仪(differential analysis/thermogravimetric analyzer,DTA/TG)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等先进分析手段,结合干燥提质工艺,研究褐煤干燥提质对水分复吸的作用。结果表明:东北某露天矿褐煤所含主要官能团包括:羟基、亚甲基、甲基、羰基、羧基和醚键。干燥提质后褐煤含水率由44.78%降至25.07%。干燥提质后褐煤静置9 d后的含水率为25.75%,水分含量随时间增长无明显变化,水分吸附逐渐达到动态平衡。由于褐煤结构中的孔洞和裂隙减少,含氧官能团分解,干燥提质后褐煤对水分子的吸附能减弱,因此水分复吸不明显。干燥提质可以有效的抑制褐煤对水分子的吸附。

薄基岩近距离煤层开采“水-岩”致灾演变模型及规律研究

为研究薄基岩近距离煤层开采的"水-岩"致灾演变规律,建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式,从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征;构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型,从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例,采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型,模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征,揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明:开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度,裂隙带内的渗透性增加,覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道,导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。

综放开采端头放煤关键技术研究

厚煤层是煤炭高产高效开采的主力煤层,储量和产量均不小于50%.放顶煤技术是开采厚煤层的主要方法,核心是高效高回收率放煤.综放开采技术是厚及特厚煤层开采的有效方法之一,自1982年引入我国以来,经过40多年的发展,无论是在放煤技术和装备上,还是在放煤理论方面都有了丰富成果和经验,成为我国厚煤层开采处于世界先进水平的标志性成果.提高顶煤回收率一直是综放开采顶煤放出规律研究的核心内容,也是进一步实现绿色智能安全高效综放开采的技术保障.在综放工作面诸多煤损中,初末采损失、工艺损失等经过学者们和技术人员多年研究和试验已大幅度降低了工作面放煤区域顶煤损失,但工作面端头煤损一直以来却未得到很好地解决.端头放煤是提升顶煤回收率的核心关键技术,属于开创性工作,在理论和技术上需要创新.

综采工作面刮板输送机槽帮腐蚀和磨损机制

煤炭开采过程中,由于井下环境苛刻,刮板输送机的槽帮受到腐蚀和磨损作用,导致其使用寿命和可靠性降低。为揭示槽帮腐蚀和磨损机制从而为槽帮的防护和新型耐磨材料的开发提供理论支撑,对刮板输送机的主要材料30SiMn钢进行磨料磨损试验,并观察磨损形貌以揭示其磨损机制;通过电化学试验、腐蚀浸泡试验,结合计算机模拟揭示其腐蚀机制。结果表明:室温下30SiMn钢平均硬度为220.94HB,在磨料的切向切削作用下,30SiMn钢表面出现了犁沟区与微切削区,且划痕深度大、截面宽,磨料切削作用是磨损失效的主要原因;30SiMn钢的自腐蚀电流为1.2074×10^(-6)A/cm^(2),年化腐蚀速度为0.1138 mm/年;30SiMn钢在矿井水环境中主要以晶界腐蚀为主,晶界处率先发生腐蚀,随时间推移,材料表面有团絮状物质产生且腐蚀现象加剧,最终材料由晶界处产生裂缝并伴随着剥落现象的发生;在结构稳定时,Fe对Cl^(-)、Ca^(2+)、Na^(+)、H_(2)O、SO^(2-)_(4)吸附距离分别为0.2364、0.2420、0.3105、0.2470、0.1976 nm;Fe对Cl^(-)、Ca^(2+)、Na^(+)、H_(2)O、SO^(2-)_(4)吸附能分别为-1.33、-10.06、-19.3、-5.46、-0.43 eV,说明在稳定状态下Fe对5种离子(分子)均存在吸附关系,吸附离子对能量较大的晶界产生腐蚀作用,证实了浸泡实验结果。

ZTAp-Fe复合材料复合铸造模拟及试验研究

煤矿综采设备的关键部件在设备工作过程中受磨损严重,导致设备失效带来较大的经济损失。新型耐磨复合材料拥有极好的耐磨性与强度,将其用于设备关键部件可以有效提高煤炭综采装备部件的使用寿命,从而降低煤炭开采过程中的成本,因此对新型耐磨复合材料的关键应用技术的研究具有重要实用价值。本文通过真空烧结技术制备了氧化锆增韧氧化铝颗粒增强铁基(ZTAp-Fe)复合材料,并对ZTApFe复合材料进行复合铸造,利用有限元数值模拟及试验的方法对界面进行了研究。结果表明:真空烧结过程中ZTAp没有与其他原材料发生化学反应生成新的物相。烧结后ZTAp受压应力,铁基体受拉应力,形成热膨胀位错强化。有限元数值模拟计算ZTAp-Fe复合材料表面温度的变化和内部温度场的分布情况表明ZTAp-Fe复合材料基体与覆层可以发生熔合。浇注温度为1650℃时进行复合铸造,ZTAp-Fe复合材料与覆层结合处界面结合良好,界面过渡层厚度约为10μm。ZTAp-Fe复合材料与覆层的界面处元素相互扩散,形成冶金结合。