中国矿业大学/中国矿业大学(北京)一周部分重要成果产出(8月15日—8月19日)

 

以下为成果目录

　　研究确立水泥基材料颗粒与包含像素关系

 

　　水泥基材料水化全过程微观数值模拟是研究水泥基材料性能最先进的方法之一。在构建水泥颗粒模型过程中，颗粒与所包含像素的关系会影响模拟的合理性和精确性，并影响颗粒投放的精准度。根据不同的规则建立了不同的颗粒与包含像素的参数关系，与现有国外的一种参数关系进行对比验证。进一步研究了颗粒移动后颗粒与像素的关系，掌握了颗粒移动后对应的像素变化规律，通过移动较小粒径的颗粒实现"振捣"的效果，达到密实填充，为高密度颗粒模型的投放奠定基础。同时分析了数值模拟的计算误差，实际应用时要根据水泥颗粒级配的实际情况选取合适的精度。这一研究成果是由中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏省建筑节能与建造技术协同创新中心，河海大学土木与交通学院的科研人员合作产出的。发表于《水利学报》。

 

　　揭示煤自燃低温临界温度与煤中挥发分、氧、氢含量负相关

 

　　煤自燃低温氧化过程分为缓慢氧化阶段和快速氧化阶段，为研究内在因素对煤自燃低温临界温度的影响，首先在理论分析的基础上确定了挥发分、灰分、固定碳和C、N、S、H、O元素含量8个基础内因参数以及TJR、TCO和TO23个煤自燃低温临界温度表征参数，然后对7个煤样纯氧气氛下40~180℃的自热升温特征和空气气氛下30~180℃的气体释放进行实验测试，得到基础内因参数及表征参数数值，比较了不同表征参数间及基础内因参数间的关系.在灰色关联度分析的基础上，筛选出5个关联度高的基础内因参数与表征参数进行数学公式拟合.结果表明:3个煤自燃低温临界温度表征参数从升温、CO释放以及耗氧角度表现临界状况，数值大小虽有差异，但趋向性一致、相互印证;煤自燃低温临界温度与煤中挥发分和H、O元素含量负相关，与S元素含量关系不确定，其它因素对其影响小。这一研究成果是由煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院的科研人员合作产出的。成果发表于《应用基础与工程科学学报》。

 

　　缺陷对定向断裂控制爆破效果影响较大

 

　　利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统(DLDC)，研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明，两切槽炮孔同时起爆后，爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处，表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通，而是呈“勾连状”的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比，垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大，其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时，裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。这一研究成果是由中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的科研人员合作完成的。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　鄂尔多斯临汾区块煤层气成因查明

 

　　为研究临汾地区煤层气成因类型，在综合前人研究成果的基础上，研究分析了煤芯解吸气成分、井口气成分、碳同位素特征、煤层水地球化学特征及水动力等条件，认为研究区煤层气保存条件整体良好，但甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少，表明受到了一定因素或次生作用的影响。对比分析导致甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少的次生改造作用，认为扩散-运移的影响作用最大，还认为临汾区块东缘和薛关一带具备形成次生生物成因气的条件。结合Whiticar图版，认为临汾区块煤层气主要为受到运移-扩散次生作用影响的热成因气，J81井5号和8号煤、J25井8号煤层气为次生生物成因气，J25井5号煤和J60，J62，J11，J80井煤层气为热成因气和次生生物气的混合气。薛关一带和东缘刁口—蒲县东一带虽有次生生物气的补充，但后期保存条件较差，含气量普遍偏低。薛关断裂以西的构造斜坡带，热成因气保存条件良好，含气量高。这一成果是由中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，中石油煤层气有限责任公司的科研人员得出的。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　研究揭示陆相盆地古气候变化与沉积环境、聚煤作用耦合关系

 

　　为了揭示陆相盆地古气候变化与沉积环境、聚煤作用耦合关系，应用同位素地球化学、煤岩学等理论和方法，进行了柴北缘中侏罗统大煤沟组上段(巴柔期)主采煤层煤岩组分、有机碳同位素组成(δ13CO)及其古气候意义研究。研究煤层(7号和F煤层)δ13CO值平均为-23.9‰，分别变化在-26.7‰~21.6‰和-25.6‰~22.9‰。根据沼泽、陆源碎屑体系交替演化特征和煤层有机碳δ13CO值变化规律，将大煤沟组上段划分为8个阶段并对应于1个长周期旋回(C1)和3个短周期旋回(C2)。认为低变质煤δ13CO值在反映古大气CO2同位素组成及其含量变化的同时，还记录了聚煤期(植物生长至泥炭化阶段末)古气候(温度和湿度)的变化:湿暖古气候有利于成煤植物对碳同位素分馏及贫13C腐殖质(镜质组前身)的形成，煤δ13CO值降低;干热古气候不利于植物对碳同位素的分馏，但有利于富集13C的惰质组(丝质体)形成，进而引起煤δ13CO值升高。从煤层δ13CO值所反映的气候变化与陆源碎屑体系废弃、复活及聚煤发生、终止关系角度提出了陆相盆地古气候与沉积环境、聚煤作用关系模型，指出在盆地构造活动、基底沉降较稳定和均匀的煤系沉积过程中，气候变化通过盆地和流域内径流深度(年平均降雨量减去年平均蒸发量)和植被发育演化控制了绝对湖平面变化、沉积物的产生和搬运(供给)速率，进而引起盆地内沼泽、陆源碎屑两种矛盾体系的交替与演化。该成果是由中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，青海煤炭地质局的科研人员共同得出的。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　学者分类煤层自燃产物并建立宏观模型

 

　　通过对北方煤层自燃实地调查和煤炭燃烧发生、发展过程的研究得出:大多已发现的煤炭燃烧经过阴燃→煤烟→明火→(自然或人为)熄灭(或持续)这一自燃—熄灭进程，并形成三大产物系列:自燃煤产物系列、烧变气体及冷凝产物系列和烧变岩石系列。自燃煤产物系列包括烧变煤、煤灰、煤焦油;烧变气体系列包括硫化氢等气体产物、气体冷凝产物(芒硝、硫磺等);烧变矿物及烧变岩系列包括粉灰、烧变矿物及烧变岩。结合前人对烧变岩的认识，根据其烧变程度将烧变岩分为熔合烧变岩、烘烤烧变岩和熔-烤过渡烧变岩。在此基础上，建立了地层-煤层-构造与自燃煤烧变产物剖面模型。该成果由 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院， 黔西南州国土资源局的科研人员得出。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　揭示方解石、白云石中Ca，Mg元素在碳酸溶液中的溶出规律

 

　　查明碳酸盐矿物中方解石、白云石与CO2、水相互作用规律能够为提高煤储层导流能力提供实验支撑。以沁水盆地余吾、寺河矿为研究背景，在不同温度、不同p H值条件下，进行单一方解石、白云石与碳酸溶液的化学动力学实验，通过原子吸收光谱仪(AAS)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试手段，探讨了Ca2+，Mg2+在反应液中的溶出规律以及固态元素变化规律、晶体变化、表面结构变化，建立了方解石、白云石的反应动力学模型。研究结果表明:方解石中Ca2+溶出量比白云石大，白云石中Ca2+溶出量比Mg2+大，Ca2+，Mg2+含量均随反应时间先增大后减小，并伴随震荡现象;各离子含量均随p H值减小而增大，随反应温度升高而减小，Mg2+含量受温度影响较小;固相物质中钙元素、镁元素含量均为先减小后增大，晶体特征峰强度也均有先减弱再增强的趋势;建立的化学动力学模型反映出温度越高，反应级数越大，浓度对化学反应影响越大;p H值越小，反应活化能越小，反应速率越大。该成果由 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，河南理工大学能源科学与工程学院的科研人员得出。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　中间密度细粒煤泥对粗粒煤泥浮选的抑制作用最大

 

　　分别将0.074 mm粒度以下的低密度(-1.4 g/cm3)、中间密度(1.4~1.8 g/cm3)和高密度(+1.8 g/cm3)细粒煤泥掺入到粗粒煤泥中进行浮选试验，研究不同密度细粒煤泥对粗粒煤泥浮选产率的影响，通过AFM测定低密度、高密度细粒煤泥颗粒与低灰粗颗粒煤之间的作用力，采用SEM观察浮选精煤、尾煤中粗颗粒煤的表面形貌，结合EDLVO理论对其影响机理进行了探讨。结果表明:中间密度细粒煤泥对粗粒煤泥浮选的抑制作用最大，低密度细粒煤泥次之，高密度细粒煤泥最小;粗粒煤泥的粒度越大，其浮选产率受中间密度细粒煤泥的影响越严重;AFM测定的作用力-距离曲线证实了疏水作用力的存在，颗粒疏水性越强，颗粒间的疏水力越大;通过SEM观察发现中间密度细粒煤泥在粗粒煤泥表面的罩盖现象显著。 该成果由中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，清华大学材料学院的科研人员研究得出。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　采用拉格朗日-欧拉法模拟离散相颗粒在液固分选流化床的分选过程

 

　　利用RNG k-ε湍流模型、VOF(Volume of Faction)多相流模型模拟了液固分选流化床(LSFBS)内外气液两相流场。待气液两相流场稳定后，耦合离散相模型(DPM)模拟了粗煤泥颗粒在LSFBS内部的分选过程。模拟结果能很好地吻合实验结果，其中与试验结果相比所有密度级在重产物中分配率的均方根误差为2.47，预测精煤产率相对误差为2.38%。在此基础上，分析了LSFBS速度场的分布特点;研究了上升水流速度和不同脉动周期、脉动波形的上升水流对分选效果的影响;得到了分选密度和可能偏差与上升水流速度间的函数关系;发现脉动水流分选精度低于均匀上升水流，对于脉动上升水流，最佳脉动周期为1.25 s，最佳波形为矩形。该成果由 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，汾西矿业集团运销管理中心的科研人员得出。成果发表于《煤炭学报》。

 

　　提出了一种基于双树复小波域统计建模的煤岩识别方法

 

　　针对煤炭开采与加工过程中采煤机滚筒高度调节、选煤厂预排矸等工程实际问题，提出了1种有效的基于双树复小波域统计建模的煤岩识别方法。首先，通过双树复小波变换对煤岩图像进行多级分解;然后，提出了1种旋转不变增强策略，即对每1级双树复小波变换产生的高频子带按系数模的均值和方差之积从大到小排列;接着，提出了高频子带系数模符合广义伽玛分布模型的假设，并采用1种基于尺度独立形状估计方程的广义伽玛分布参数估计方法确定模型参数;最后，根据相对熵相似性测度完成煤岩图像的自动识别。结果表明:在双树复小波域中，广义伽玛分布模型具有较强的区分煤岩图像的能力;所提出的旋转不变增强策略在一定程度上提高了煤岩识别的正确识别率，并且使正确识别率与时间复杂度之间的折中权衡变得更加灵活;与现有的其他方法相比，所提出方法具有更高的正确识别率，其时间复杂度也是可以接受的。该成果由中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院的科研人员得出。成果发表于《煤炭学报》。