摘要：炭材料因具有特定的微观结构、可调控的孔隙特征及优良的物理化学稳定性等特点,已被广泛应用于环境治理、能量存储、生物医药、电子信息和国防科技等多个领域。炭材料的微观结构是决定其功能化应用性能的关键因素,因此,针对不同用途定向设计和可控制备具有特定功能的炭材料,并实现其微观结构的精准调控具有重要意义。在众多炭材料制备方法中,天然矿物模板法因在炭材料的微观结构精准调控、模板资源丰富、制备工艺高效等方面具有明显优势而备受关注。自然界中存在大量具有一维、二维、三维结构的天然矿物,且拥有特殊的微观形貌特征和发达的孔隙结构,为定向制备特定结构的炭材料提供了优质的天然模板。本文简要介绍了天然矿物为模板制备功能炭材料的原理,并在此基础上重点综述了天然矿物模板法在功能炭材料制备及其微观结构调控等方面的研究现状与发展动态。主要体现在:(1)利用埃洛石、凹凸棒石和海泡石等一维纳米结构特征,通过碳质前驱体对天然模板形貌或孔道的选择性复制来制备碳纳米管、碳纳米棒和碳纳米纤维,并借助热处理和酸活化等手段对矿物模板进行预先改性以实现一维纳米炭材料形貌特征和孔隙结构的双重调控;(2)利用蛭石、蒙脱石和水滑石等二维层状结构特征,通过碳质分子在矿物层间限域空间内的定向排列来制备石墨烯和碳纳米片,并借助热处理和离子交换等手段对矿物模板进行适度扩层改性以实现二维纳米炭材料微观结构的有效调控;(3)利用沸石和硅藻土等三维立体架构多孔特征,通过多孔矿物的结构导向作用制备具有“微孔⁃中孔⁃大孔”层次孔结构的三维多孔炭,并借助CO_(2)、H_(2) O和KOH等协同活化造孔以实现多孔炭材料三维多孔结构的精准调控。最后,本文指出了利用天然矿物为模板制备功能炭材料所存在的主要问题,并对天然矿物模板法制备功能炭材料的未来发展趋势进行了展望,以期为高性能功能炭材料的研发与应用提供参考。

摘要：煤气化管道输送过程中,管道受颗粒冲击导致的失效占到了管线所有失效形式的40%以上,严重影响输送过程和设备的稳定、安全运行。其中,管道弯头处的冲蚀磨损情况尤其严重。研究确定影响因素中影响最为显著的冲蚀因素,对管道的安全可靠运行、设备的寿命预测意义重大。应用FLUENT软件来模拟管道弯头处受到的冲蚀,采用正交试验设计方法,分析煤粉输送过程中影响管道弯头冲蚀磨损程度。实验因素组合为管径、弯曲半径、颗粒粒径、颗粒流速;衡量磨损严重程度的实验指标径向流速、切向流速、管壁总压力、管壁最大冲蚀磨损率。基于均值主效应分析方法探究了各实验参数与冲蚀磨损结果的显著性关系,并用此结果分析解决粉煤气化输送管道中90°弯头处冲蚀磨损这一实际问题。研究了管道的冲蚀速率在管道外径、弯曲半径、颗粒直径与颗粒流速参数下的影响,并对上述参数进行了数据模拟及效果评价。结果表明:在因素的显著性上,入口流速因素均值主效应排序均为第1,影响力最为显著;弯管的弯曲半径因素影响其次;颗粒粒径影响效果最不显著。在工程冲蚀效果防护中,应当优先考虑控制颗粒的流速和管道的形态,以提升管道弯头的抗冲蚀磨损性能。

摘要：为了深入研究低温条件下受限空间内的氢气火焰传播规律及爆炸波特性,设计了爆炸腔体并对其预冷过程开展了研究。实验腔体采用双层结构,通过通入低温氮气来实现腔体预冷,以此保证低温氢气/空气预混气温度维持在设定实验温度。基于热力学基本理论,采用稳态法,建立了腔体预冷过程数学模型,分析了保温层与腔体壁厚对预冷过程的影响,探究了预冷介质流量对预冷时长、介质消耗量的影响规律。研究发现,保温层厚度达到30 mm时环境漏热显著降低;相较于10、5 mm壁厚工况,3 mm时预冷时长分别降低了70.11%、39.01%,消耗量分别降低了70.12%、39.00%;增大预冷介质流量,可以有效缩短预冷时长,但预冷介质消耗量的变化幅度不显著。

摘要：针对特厚煤层回采巷道围岩破坏严重的问题,以义马煤田千秋矿21141工作面运输巷为工程背景,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了回采巷道塑性区形态特征及其在采动应力作用下的演化规律。结果表明:①塑性区形态特征取决于双向载荷比值,不同的应力条件下,圆形巷道围岩塑性区呈圆形、椭圆形或蝶形分布。②受工作面回采的影响,特厚煤层回采巷道区域主应力场的大小和方向将发生改变。随着到工作面距离的增大,最大主应力沿回采巷道轴向先急剧增大后逐渐减小,在距离工作面处15 m达到峰值,最大主应力与x轴夹角则逐渐增大并接近于竖直方向,最小主应力也呈先增大后缓慢减小,峰值位置在距离工作面约25 m处。③在采动应力作用下,工作面前方回采巷道塑性区形态特征会发生变化。随着到工作面距离的减小,回采巷道两肩角处塑性区不断向深部扩展,其形态由不规则逐渐演化成蝶形,塑性区蝶叶方向会随着最大主应力的变化而发生偏转。研究成果可为特厚煤层开采方案设计、回采巷道支护参数确定等提供理论依据。

摘要：全断面掘进机(TBM)在煤矿岩巷掘进逐步得到推广应用,但TBM机型设计适应性不足已成为影响TBM掘进煤矿岩巷掘进效率的主要原因。通过对比分析煤矿巷道常规使用的掘进技术与TBM掘进技术,得出TBM应用于煤矿巷道掘进时必须考虑巷道围岩条件的差异化和需求特殊化。煤矿TBM的设计要基于机型的特点,结合煤矿岩巷的施工条件进行设计。针对煤矿岩巷工程的施工难题研发出了特有的“V型推进”系统,实现巷道小转弯半径施工;采用与TBM配套的“超前探测”技术进行超前地质预测,通过强化TBM的初期支护能力、加强脱困能力等设计来应对不良地层;基于“排水+堵水”处理思路,形成TBM掘进巷道的超前注浆封堵方式的防突水技术;通过在TBM刀盘、盾体内搭载的气体实时监测系统,开发了TBM巷道防瓦斯突出技术;进行了高地温施工环境下,TBM关键部件冷却、刀盘喷雾通风等针对性设计。创新技术在“贵州贵能聚鑫煤矿”、“四季春煤矿”、“平煤首山一矿”、“山西惠源煤矿”等矿井进行了应用并取得成功。随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况,矿用TBM未来也将朝着强机动性、地质适应性、支护多样性、设计系列化、行业标准化、掘进体系智能化等方面不断发展探索,今后开发研制出智能化矿用TBM,既是掘进机技术在煤矿领域推广的重大机遇,也是一项艰巨的技术挑战。

摘要：针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题,即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等,提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理,以破除孔底压持效应和水垫增阻效应,提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率。采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法,研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性。首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型,优化了喷嘴结构参数;然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴,量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性;最后研发了淹没水射流破煤实验系统,开展了淹没水射流破煤实验,揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性。研究结果表明:在煤矿下向孔工程条件下,由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流,最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径d1=3 mm、壁面碰撞角α=120°、下喷嘴直径d2=3.6 mm、振荡腔腔长L=10.5 mm、振荡腔腔径D=27 mm、引入口直径d3=4.2 mm,泵压为10 MPa时卷吸环空水量最大值为0.28 L/s,平均0.19 L/s;泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近,环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253~285 Hz,而自激脉冲水射流的主频为251~282 Hz;环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的1.05~1.08倍和1.63~1.89倍,平均打击力是自激脉冲水射流的1.09~1.16倍,反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力,具有良好的脉冲射流特性;相同泵压和靶距条件下,环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强;环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果,约88.65%的煤渣粒度在8 mm以下,当泵压为10 MPa,靶距为10d1时,冲蚀时间为10 s,射流对煤样的冲蚀作用最佳,冲蚀深度47.32 mm,冲蚀体积15.7 cm3。研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题,同时具有少掘岩巷、节省成本的优势,有望替代和超越上向孔水射流卸压增透,在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域,具有广阔的应用前景。

摘要：电子雷管是爆破工程领域目前采用的主要起爆方式,但因其具有高危险性和特殊管控要求,无法在课堂教学和实验教学中使用,亟待研发一种安全可靠且可重复使用的模拟器材。基于STC15单片机,设计与调试了教学用模拟电子雷管,借助3D打印技术,制作了模拟电子雷管,并成功应用于雷管检测和起爆网路模拟实验教学。研究表明:模拟电子雷管主要由电源电路、雷管模拟电路和PCB板构成,由雷管一端伸出一对引线连接电源,通过电源电路给单片机控制芯片、驱动电路及声光模拟器件供电,通电后单片机控制芯片可以按照写入的程序驱动声光模拟器件模拟电子雷管工作,从而实现了延期爆破时间可调节、爆破真实场景可模拟、内部结构可直观观测以及串并联稳定运行等功能;通过实验教学,让学生了解了电子雷管的结构和特性,掌握了雷管性能检测方法和起爆网络连接方法,充分调动了学习“爆破安全”课程的积极性,充分发挥了主观能动性,有效提高了实操能力,实验教学效果良好。

摘要：目前瓦斯抽采中比较成熟的机械造穴增透装置大部分需要以高压水(气)、连杆或者液压油缸等作为驱动刀臂开合的动力,在井下长钻孔中对动力设备要求较高。研制了一款利用钻杆旋转带动产生的离心力作为打开动力的离心式机械刀,通过调节钻杆转速来控制刀臂打开角度;根据初步试验及力学数值模拟分析,针对刀具整体结构、内部齿条、轴销、刀臂等薄弱部位材质进行优化。在山西某矿N1100回风巷进行了工业性试验,对比机械造穴和水力造穴施工时间及抽采纯量,验证了离心式机械刀结构设计的合理性和可靠性。结果表明:机械造穴试验孔达到了良好的造穴及抽采效果,该装备能够降低瓦斯抽采孔造穴增透对高压设备的依赖,单穴作业时间较水力造穴缩短近1/2,瓦斯抽采量提高了1.67倍。

摘要：为解决缓倾斜煤层石门揭煤过程中钻孔施工工程量大、抽采周期长、抽采效果不佳等问题,在对比分析前人提出的钻孔优化理念基础上,提出面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式,并利用层次分析法,分别从安全可靠性、施工工程量、钻孔均匀性、工程投资、建设工期等5个指标对3种方案进行考察,优选出最佳揭煤实施方案。同时,通过COMSOL软件模拟面积法钻孔布置方案的可靠性。研究结果表明:利用面积法设计钻孔进行缓倾斜煤层揭煤设计是最佳区域防突方案,量化得分0.344,优于其他2种区域防突方案量化结果,且数值模拟得出煤层瓦斯压力抽采至0.74 MPa以下所需要的时间为67~85 d。该钻孔布置方式可为缓倾斜煤层石门揭煤提供理论指导。

摘要：煤矿巷道下向锚固孔钻进是巷道围岩锚固控制的重要环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,小孔径下向锚固孔排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此,为了降低钻渣生成尺寸,提高排渣效率,利用理论分析、数值模拟、实验室实验及现场测试相结合的方法,研究了现有PDC两翼式钻头产渣尺寸及其周边钻渣运移特征,研发了一种小孔径下向锚固孔高效破岩钻头,优化了钻头进出液通道尺寸,并对设计钻头工作性能进行了分析验证。结果表明:现有PDC两翼式钻头在钻孔底部均会形成中心岩柱结构,其尺寸随钻头刀片间距的增加而增加。中心岩柱是大尺寸钻渣的主要来源,中心岩柱尺寸越大,产生的粒径>2.5 mm的钻渣平均尺寸也越大。改变刀片结构,消除孔底中心岩柱,可降低钻渣生成尺寸;现有钻头结构会造成钻渣局部聚集,导致钻渣上返能量损失;设计的高效破岩钻头因其结构优势较普通钻头更能够减少液渣混合流的能量损失,使钻渣具有更高的上返速度,更有利于钻渣顺利排出;高效破岩钻头的主副刀片会使钻孔底部形成平台结构,保证了孔底岩石均为切削破坏,消除了孔底中心岩柱,使钻渣平均尺寸明显低于其他类型钻头,也具有更高的破岩效率;现场试验结果表明,高效破岩钻头有效降低了钻渣生成尺寸,具有更高的成孔速度及排渣效率,工作性能良好。