动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征

为分析不同动力扰动和温度条件下砂岩的力学特性和破坏特征,开展了单轴压缩试验和声发射试验。首先,对中粒径砂岩试件进行不同温度的加热;其次,进行单轴压缩并全过程监测声发射信号;最后,结合峰值应变、单轴抗压强度等数据,分析砂岩的力学特性及破坏特征。研究结果表明:循环扰动和温度作用对岩石强度影响极大,无循环扰动的试件抗压强度随温度升高而先上升后下降,其余试件抗压强度与两者呈负相关,且受温度影响更为显著;砂岩峰值应变随着温度升高呈先降低后上升的趋势,200℃为该类砂岩的拐点,砂岩峰值应变与循环扰动幅度呈正相关,有加速上升趋势,且对温度变化更敏感;试件临近破坏时,内部裂纹发展情况存在突变,R_(A)(上升时间与幅值之比)和FA(平均频率)的分布明显变化。F_(A)/R_(A)>K的声发射信号急剧减少、FA/RA<K的声发射信号陡然增多,新产生的裂纹中剪切裂纹占比很大,这种F_(A)/R_(A)的波动与实际物理过程一致且更提前,可作为岩石破坏先兆;随着循环幅度和温度增大,试件内部新产生裂纹的主要形式由张拉裂纹向剪切裂纹逐渐转变,试件的宏观破坏形式也由脆性破坏向延性破坏逐渐转变。

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在:(1)箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2)地应力加载方式复杂,可实现"三向四级"加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3)最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。

T型巷道中突出煤-瓦斯两相流动力学试验研究

为了进一步探究突出煤-瓦斯两相流在不同巷道布置方式下的动力学行为,利用多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,开展了T型巷道布置方式下的煤与瓦斯突出试验,得出了两相流运移过程中冲击力与静压的演化特征。结果表明:直线主巷内冲击力随时间呈多峰值震荡衰减趋势,体现了突出过程的脉冲特性,且距突出口越近,冲击力震荡次数越多;分岔两侧支巷内冲击力突出前期呈现两种演化趋势,其一是迅速增大至峰值后缓慢下降,其二是缓慢增大后缓慢下降;距分岔结构中心左侧1500 mm处出现了较大冲击力值,出现重度危险区域,而右侧则在距500 mm和1900 mm处。利用突出运移动态图像将整个过程分为单相气流和两相流两个阶段,单相气流阶段中分岔后支巷的冲击力就迅速上升至峰值,而在两相流阶段分岔前主巷的冲击力上升至最高值,存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象。突出过程中,巷道壁面上静压值总体偏低;静压随时间呈间歇式波动发展,且其峰值点自煤层由近及远呈先增大后减小的趋势;距突出口越远,直线主巷内静压出现峰值的时刻越滞后;分岔支巷内静压左右两侧的演化近似,随着时间推进,分岔结构前后静压衰减逐渐增大。

空化水射流-双氧水联合降解苯酚反应动力学

空化水射流-双氧水协同降解酚类污染物在废水处理领域有很广泛的应用前景,但动力学方面的研究较少。为此,研究了空化水射流-双氧水联合降解苯酚的反应动力学。结果表明:当苯酚初始质量浓度为100 mg/L、溶液p H值为3.0、双氧水质量浓度为300 mg/L时,苯酚在空化水射流、双氧水和空化水射流-双氧水3种方法处理下,去除率分别为17%、21%、99.8%,且3种反应均符合表观一级反应动力学,表观反应速率常数分别为2.05×10-5s-1、2.48×10-5s-1、174.1×10-5s-1,空化水射流与双氧水的协同效应使表观速率常数提高了38.4倍,表明空化水射流和双氧水联合处理工艺具有良好的协同效应;建立并求解了空化水射流-双氧水协同降解苯酚的动力学模型,得出了苯酚降解的反应动力学方程,经验证相关系数在0.98以上。

刚柔组合桨强化软锰矿浸出过程的反应动力学特性

在软锰矿湿法浸出过程中,采用传统搅拌桨反应器,容易出现流体“打旋”现象,导致传质效果差,进而降低反应效率。因而,本研究将刚柔组合桨应用于软锰矿的还原浸出过程,强化浸出过程的传质行为,提高锰矿浸出率。结果表明,在黄铁矿与软锰矿质量比为0.20,硫酸浓度为1.5 mol/L,液固比为10,温度为363 K下,软锰矿中锰的浸出率达到90.12%,与传统桨叶相比,锰浸出率提高5.5%。同时,研究发现浸出过程遵循核收缩模型且受表面化学反应控制,黄铁矿与软锰矿质量比、初始硫酸浓度、液固比的反应级数分别为1.2679、0.4182、1.1959,反应动力学方程为1-(1-X)^(1/3)=0.96×10^(3)(m_(FeS_(2))/m_(MnO_(2)))^(1.2679)[H_(2)SO_(4)]^(0.4182)(L/S)1.1959exp(-41.75×103/RT)t,浸出反应的表观活化能为41.75 kJ/mol。刚柔组合桨体系下的软锰矿浸出反应表观活化能相比传统搅拌体系下的软锰矿浸出反应表观活化能的文献报道值降低4.515~20.54 kJ/mol。

岩石钻掘过程钻头受力动力学解析模型

为深入研究钻头在岩石钻掘这一动力学过程中的受力变化规律,对钻头的钻掘过程进行了系统的动力学分析,建立了描述钻头在岩石钻掘过程中力与运动间关系的微分方程组,归纳了运动条件下影响钻头受力变化的各种影响因素。在对钻头钻掘岩石的运动过程进行解析的基础上,提出了运动条件下钻头压入力和切削力的解析计算方法,并分别给出了压入力和切削力的动力学解析方程。进行岩石钻进力学测试实验,结合相关实验结果对动力学计算模型和静力学计算模型进行了对比分析,研究表明:钻头在钻掘岩石过程中的受力与其运动状态密切相关;在其它条件一定情况下,钻头所受的压入力和切削力均随钻头推进速度V的增加而增加。计算结果显示动力学解析模型比传统静力学计算方法更接近实验测量值,而且更有利于直观方便地指导工程实践。

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。

稻草秸秆同时糖化法产乙醇的动力学研究(英文)

在纤维素酶20 U/g,发酵温度38℃,接种量15%,管囊酵母和酿酒酵母的接种比例2∶1条件下,选择不同的固液比(1∶5、1∶10、1∶15和1∶20),研究了稻草秸秆同时糖化法产乙醇的动力学。结果表明:固液比1∶15时,获得了较高的乙醇产率为0.183 g/g,方程c=abt/(1+bt)可以被用来描述乙醇浓度(c)与发酵时间(t)的关系,动力学参量a随着固液比减小而减小,而动力学参量b随着固液比的减小而增加;同时,在不同固液比条件下,稻草秸秆转化乙醇反应被证明是类分形的,方程k=k1t-h能被用来很好的描述速率常数与发酵时间之间的关系。

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。

不同瓦斯气氛下煤自燃特性及动力学研究

基于程序升温和热重分析研究了5种不同瓦斯气氛下煤的自燃特性,并对煤低温氧化的动力学参数进行了分析.结果表明:随着甲烷体积分数的增加(氧体积分数的减小),反应初始阶段煤对不同瓦斯气氛的吸附能力增大,整个反应过程放热性与吸附能力呈负相关,反应的表观活化能(E)显著增大,CO和CO_2生成量明显降低,生成的初始温度升高.瓦斯通过降低采空区的氧含量,能够有效抑制煤的低温氧化.

N_2H_4抑制好氧氨氧化及亚硝酸盐氧化动力学参数

为联氨(N_2H_4)强化全自养脱氮(CANON,completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺性能研究提供基础数据,本研究将好氧氨氧化过程动力学表达分为两步,于氨(NH_4^+)氧化生成羟胺(NH_2OH)步添加启动函数ae^(-bSNH_2OH)用于模拟好氧氨氧化启动加速阶段,建立N_2H_4抑制好氧氨氧化与亚硝酸盐(NO_2^-)氧化过程动力学模型;采用呼吸测量法进行硝化污泥呼吸批次试验,分别得到NH_2OH氧化生成NO_2^-和NH_4^+氧化生成NO_2^-的好氧氨氧化菌(AOB)产率系数[YNH_2OH=(0.437±0.129)mg COD/mg N,YNH_4^+=(0.324±0.0123)mg COD/mg N]及亚硝酸盐氧化菌(NOB)产率系数[YNO=(0.222±0.0112)mg COD/mg N];基于N_2H_4抑制动力学模型模拟硝化污泥外源性呼吸剖面线首次得到N_2H_4好氧氧化半饱和常数[KS,N_2H_4=(7.96±0.811)mg N/L],N_2H_4抑制好氧氨氧化和亚硝酸盐氧化的动力学常数[KI,HON=(7.88±0.783)mg N/L,KI,NO=(1.223±0.555)mg N/L].

特厚煤层坚硬顶板强矿压——瓦斯——水——火多灾害协同控制理论及技术

针对大同矿区特厚煤层开采时坚硬顶板大面积垮落引发强矿压,诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、冲击气流、瓦斯燃爆等灾害,提出了以坚硬顶板运动控制为核心的强矿压——瓦斯——水——火协同控制理论与技术,并进行综合应用。工程实践表明,在该协同控制技术应用之后,工作面的强矿压、瓦斯突出、水气下泄与采空区自燃等现象得到有效抑制。研究成果可为相类似的强矿压——瓦斯——水——火多重灾害矿区提供有效指导。

二氧化碳-甲烷干气重整反应及其积炭控制的热力学分析

二氧化碳-甲烷干气重整(DRM)反应制合成气(H_(2)+CO)是二氧化碳(CO_(2))资源化利用的重要研究方向,关键问题在于积炭的控制。利用FactSage软件,基于吉布斯自由能最小法,对DRM反应及其积炭控制进行了热力学计算分析。结果显示,高温(600~1200℃)、进料比(n(CH_(4))/n(CO_(2)))为1.00、常压等单因素条件下,有利于DRM反应进行,可以实现较好的反应转化速率;以炭的残余量为0.01%(物质的量分数)作为积炭区与非积炭区的临界点,设定反应压力为0.10 MPa、反应温度为900℃,当进料比小于等于0.95时,反应处于非积炭区。研究结果对优化DRM反应的操作条件及催化剂设计具有一定的指导意义。

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。

磷石膏的动力学特性试验研究

利用带有弯曲元模块的GDS振动三轴试验仪,对磷石膏的动力学特性进行了系统研究。获得了磷石膏的动强度、动剪切模量Gd、阻尼比λ和动孔隙水压力μd等动力参数及其变化规律。结果表明:磷石膏的动强度曲线呈幂函数形式,不同围压下的动强度曲线归一性较差;初始动剪切模量Gd0与有效固结围压σ′0呈幂函数关系;采用Davidenkov模型对动剪切模量比Gd/Gd0进行拟合,不同围压下磷石膏的动剪切模量比归一性较好;随着干密度及围压的增加,磷石膏的孔压发展曲线由"双S"型向"单S"型变化;以Seed孔压模型为基础,建立了磷石膏的动孔压模型。

弹性体作定轴转动的耦合动力学模型与数值分析

应用含偶应力的弹性理论建立弹性力学模型,应变和曲率张量分别描述弹性体的平动变形和旋转变形,且分别对应于应力和偶应力两种内力。对已知定轴变转速刚体转动的情况,采用哈密尔顿原理建立了含偶应力弹性体作定轴刚体转动的运动与变形耦合动力学模型,模型计及了相对惯性力、离心力、科氏力和切向惯性力。考虑以弹性体的位移和变形转角为独立变量,利用约束变分原理建立了含偶应力弹性体作定轴刚体转动的有限元方程,其中单元离散采用8个节点48个自由度的三维六面体实体等参元。以绕定轴旋转的悬臂梁为例,数值分析了旋转悬臂梁的动力学特性和动力学响应。当幅值变化但刚体转速恒定时,旋转方梁的一阶特征频率出现随转速增加保持不变和下降两种情况。当刚体变转速时,考察了旋转悬臂梁位移、变形转角、动态应力以及偶应力的时变规律。该研究可为作定轴旋转系统的结构部件的动力学分析提供理论模型和数值分析方法。

球形颗粒Li_(4)SiO_(4)吸附CO_(2)反应动力学研究

Li_(4)SiO_(4)吸附CO_(2)的动力学研究普遍以粉末样品为对象,忽略了流化床反应器对于吸附颗粒尺寸的基本要求,因而大幅削弱了其参考价值。为此,基于挤出滚圆法通过添加PE、C_(6)H_(12)O_(6)、NH_(4)HCO_(3)造孔剂实现了Li_(4)SiO_(4)颗粒成型,分别得到了P颗粒、C颗粒和N颗粒,随后采用热重分析、抗压强度测试和孔结构测试研究了3种吸附颗粒的基础特性;进一步基于吸附性能最优的P颗粒进行了CO_(2)吸附反应过程测试与动力学分析。结果表明:P颗粒的抗压强度最低、吸附性能最优,N颗粒的性能则与P颗粒相反,3种造孔后的颗粒吸附性能均强于未造孔颗粒。孔结构测试发现P颗粒具有最佳的比表面积和孔隙结构、C颗粒其次、N颗粒最差,因此造成了性能方面的差异。晶粒模型及Jander模型对P颗粒CO_(2)吸附动力学的研究发现,反应速率常数随温度升高、CO_(2)浓度升高以及粒径降低而增大,P颗粒吸附CO_(2)过程在动力学控制阶段的活化能和指前因子分别为41.61 kJ/mol和4.20 m0.133·mol-0.289·s^(^(-1)),而在扩散控制阶段则分别为114.81 kJ/mol和131.92 s^(^(-1))。

基于计算流体动力学CFD技术的局部反循环打捞工具数值模拟及结构优化

针对现有局部反循环打捞工具存在打捞对象单一、反循环能量不足、碎屑采集率低等问题,提出了一种集收集和打捞于一体的新型局部反循环打捞工具,采用计算流体动力学(CFD)对该型工具作业时的流场进行模拟,揭示该型工具形成反循环的机理。在此基础上,开展该型工具结构优化数值模拟研究。结果表明:该型局部反循环打捞工具利用喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用形成反循环系统,适当增加喷嘴数量能够提升该型工具的性能;局部反循环打捞工具性能随着喷嘴直径增加呈现先增大后减小的趋势,继续增大喷嘴直径将导致无法形成有效反循环系统;改变喷嘴的几何形状会影响局部反循环打捞工具性能,采用圆锥形喷嘴的局部反循环打捞工具性能最强,但是所需排量较大。研究结果可为局部反循环打捞工具的优化设计提供参考,为局部反循环打捞工具现场作业提供理论指导。

逆断层控制带含煤地层地应力分布规律

为深化对逆断层控制下含煤地层的地应力分布特征的认识,运用自主研发的大型真三轴仪器“矿山地质构造模拟实验系统”,基于相似原理,开展考虑深度、断层倾角、落差等影响因素的物理模拟实验。结合数值模拟,分析不同条件下扰动区宽度和地应力分布规律。研究结果表明:①断层上盘的应力扰动宽度大于下盘,且2者都随深度的增加而减小。倾角45°断层的扰动宽度比60°断层小,在500、1000、1500 m深度处,前者分别为35.72、27.33、10.71 cm,后者分别为47.03、32.15、17.85 cm。②临近断层处最大水平应力(σ_(H))有明显的应力集中现象。当断层倾角大于45°时,倾角越大,应力集中程度越大。45°断层下盘临近断层处的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为为0.95、0.94、1.15,与区域应力场接近。而60°断层的4号测点在500、1000、1500 m深度的应力集中系数分别为1.11、1.44、1.42。③在远离断层处的未受扰动区,σ_(H)偏转角度较小,几乎都小于15°。在扰动区,σ_(H)偏转角度受倾角控制,σ_(H)偏转角度最大达到约90°。倾角45°断层中,σ_(H)偏转角度最大的区域在下盘临近断层处;在倾角60°断层,这一区域则出现在距离断层有一定距离的上盘中。④当落差大于煤层厚度时,扰动宽度(尤其上盘扰动区宽度)明显变大。应力集中区域出现在弹性模量更大的地层中,煤层中各测点σ_(H)离散性很大。