煤样测定（共5篇）
煤样测定 篇1
煤层的瓦斯含量直接影响矿井瓦斯涌出量的大小, 是瓦斯矿井生产和科研的重要基础资料。煤中的瓦斯以3种状态存在, 即游离瓦斯、吸附瓦斯和吸收瓦斯。吸收瓦斯量很少, 在煤体内活动性不大, 测量时也存在困难, 所以一般不予测定。煤的瓦斯含量通常只包括游离瓦斯和吸附瓦斯。游离瓦斯可以根据煤的孔隙率与瓦斯压力进行计算, 吸附瓦斯根据煤的吸附常数进行计算。
国内测量煤的瓦斯吸附常数实验装置应用较多的是早年从国外引进的容量法吸附装置, 其存在结构不稳定、设备老化、易碎、自动化程度低、汞害严重等缺点。人工读数、人工记录和计算, 也存在较大误差, 同时步骤繁杂。煤炭科学研究总院重庆研究院在原设备基础上经研究改进, 利用饱和食盐水替代汞, 去除汞害威胁, 研制出新型煤的瓦斯吸附常数测定设备装置, 并为实现瓦斯吸附常数实验数据的自动精确测定, 开发了专用的数据采集仪。该数据采集仪通过配接现代新型电子压力传感器, 实现了实验过程中瓦斯解吸数据的自动采集、数据预处理等功能。同时数据采集仪、传感器和配合研制的计算机综合分析软件, 构成了整套实验测定设备的数据采集部分, 实现了实验数据的自动测试, 数据处理、分析、打印、结果输出等功能。告别了实验人员手工操作实验测试和计算的过程, 提高了实验设备的自动化程度和准确性, 降低了使用人员操作难度。
1 数据采集仪主要技术指标
电源:输入电压220 V AC;
测量范围:0~8 MPa;
测量精度:0.5级;
存储容量:256 kB;
工作电流:<200 mA;
通信方式:RS232串行;
路数:4路。
2 主要性能指标
1) 测量功能:
数据采集分析仪器, 通过相关连接气路, 实现对每组相对压力传感器信号的采集, 并传输给台式计算机主控软件, 由专家系统软件对采集数据进行分析、存储、计算和显示;
2) 采集仪显示:
汉字液晶显示;
3) 键盘:
触摸式按键;
4) 串行接口:
外扩展与IBMPC兼容串行接口;
5) 数据处理精度:
采集仪数据处理精度小于等于1%。
3 硬件设计[1,3]
根据设计要求, 数据采集仪作为实现煤的瓦斯吸附常数实验测定过程中数据采集的重要设备, 与配套工作的主控计算机专家系统软件和传感器共同组成了煤的瓦斯吸附常数测定设备装置的数据采集部分, 如图1所示。
数据采集仪作为数据采集部分的核心, 通过程序控制传感器对煤样解吸压力变化过程进行实时采集, 将A/D转换、滤波及分析处理后的数字信号传送给主控计算机, 主控计算机通过内嵌专家系统软件再对采集的数据进行分析、处理, 得出煤的瓦斯吸附常数等实验室输出结果值。同时可对采集的实时和历史数据进行存储、显示, 并可通过打印输出设备输出。
数据采集仪由89系列单片机作为控制CPU, 主要由CPU、A/D转换电路、滤波电路、存储设备、液晶显示器、通讯电路、电源等部分组成。液晶显示器采用内置HD61202U控制芯片的128×64的液晶模块, 该显示模块采用与CPU的并行接口连接的间接控制方式。计算机通过对这些接口的操作, 达到对液晶显示模块的控制。这种方式的特点是电路简单, 控制时序由软件实现, 可以实现高速计算机与液晶显示模块的接口。
汉字显示提示可以使数据采集仪操作直观方便。汉字显示选用16×16点阵字体, 每个汉字字模数据为32个字节, 点阵位置为每行2个字节, 单个字节每位代表1个点, 共16行。但由于HD61202U显示存储器的特性不同于计算机内的汉字点阵直接显示, 需要将其点阵数据旋转90°后再写入, 因此其生成字库的格式是前16个字节为上半部16×8点阵字模数据, 后16个字节为下半部16×8点阵字模数据。根据字模数据, 通过单片机CPU依次向液晶128×64阵列的相应点区 (16×16) 写入一个汉字的32字节数据, 即显示相应的汉字。
滤波电路将传感器输入的模拟信号滤波处理后送A/D转换电路, 经CPU控制采集, 计算存储, 然后瓦斯解吸实时数据通过通讯电路传送到主控计算机, 由专家系统解算出煤的瓦斯吸附常数等实验数据值。
数据采集仪电原理框图见图2。
4 软件设计[2]
4.1 数据采集仪软件
数据采集仪主要功能是实现煤样瓦斯解吸压力数据的采集、预处理、显示、传送, 传感器信号的连接通过硬件滤波电路实现。传感器信号的采集通过采集仪CPU程序控制实现, 其中涉及液晶显示模块液晶点阵汉字的显示, 由采集仪主程序通过调用汉字显示子程序实现。采集仪程序用C语言编程。数据采集仪主程序和汉字显示子程序流程见图3—4。
4.2 计算机专家系统软件
为配合数据采集仪的自动运行和实验过程实时监测, 配套研制了主控计算机软件, 该软件主要由数据处理专家系统软件、显示、输出、控制等部分组成, 基于Windows XP操作系统, 由VB程序开发平台编程实现, 软件具有功能:使用人员和报表管理, 吸附罐信息管理, 传感器数据监测, 吸附平衡报警提示, 监测结果记录, 试验结果输出, 吸附等温曲线绘制, 过程恢复, 历史数据查询, 报表设计输出等。主控程序流程见图5。
5 结语
煤样瓦斯吸附常数测定设备用数据采集仪经研究、试验, 作为煤的瓦斯吸附常数测定设备数据采集部分的重要部件, 对实现实验数据的自动、精确采集计算等功能的实现起到重要作用, 通过性能考察, 证明其硬件、软件设计合理、工作可靠、性能稳定。各
项性能指标均达到设计指标及产品技术条件的要求, 同时其操作简单, 便于学习和使用。新式电子压力传感器和相关计算机设备的配合应用, 改变了传统指针式压力设备人工读数、手工计算等落后的实验方式。专家系统软件的应用提高了实验数据分析的准确性。采集设备人性化的汉字界面显示也使仪器的档次得以提升, 智能化程度更高。设备的研制和推广应用对测定煤的瓦斯含量等煤矿基础资料将起到重要作用。
参考文献
[1]余永权.ATMEL89系列Flash单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社, 2000.
[2]秦石乔, 王省书, 黄勇.微机接口技术及应用[M].长沙:国防科技大学出版社, 2000.
[3]纪宗南.单片机外围器件实用手册[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.
煤样的缩制、送检与采样方案 篇2
从钻孔或坑道中采取的原始煤样,除煤心煤样以外,其他煤样的量都比较大。因此,需要经过煤样制备,使质量和粒度符合化验要求才能送验。方法:把采取的原始煤样破碎、缩分,以减少煤样的量,直到达到试验要求的粒度和质量为止。煤样的缩制分为两个阶段:一是在制样室将原始煤样制成化验室煤样;二是在化验室把煤样缩制成分析试验煤样。
1.1煤样的缩制方法
破碎、过筛:煤样可使用机械破碎,无机械时可用人工破碎。煤样破碎后都需过筛,未通过筛孔的煤样必须继续破碎,至全部煤样通过时为止。
掺和、缩分:掺和的目的是使煤样充分均匀,以保证样品的代表性。掺和煤样普遍采用堆锥法。堆锥时,因煤样大小不同,颗粒间的离析作用也不同,粒度较大的煤粒总是分布在圆锥底部,细粒煤及煤粉则集中于煤堆中部和顶部。为使煤样中的大小颗粒在煤堆中分布均匀,堆掺时要围着堆一铲一铲地把煤从锥底铲起,再从锥顶向下洒落,使每铲煤都能沿煤堆顶部均匀地向四周滑落。堆掺工作重复二次,即认为粒度分布均匀,可进行缩分。
煤样掺和后进行缩分。一般使用的缩分法为四分法。即缩分时先把已掺和好锥体样堆用木板、铁板或铁铲压成等厚的圆饼,然后用“十”字形分样板把圆饼分成四个相等扇形体,抛掉其中成对角的两个,留下的两个扇形体继续进行掺和和缩分,直至所需质量时止。此外,还应按样品质量和设备条件,采用棋盘式缩分法、铁锨缩分法及分样器缩分法。
1.2煤样缩制时应注意的问题
第一,使用机械破碎时先检查机械内是否清洁,破碎后要清扫机械。第二,人工缩制时要保持钢板清洁,防止其他物质混入煤样。第三,原始煤样缩制时,其质量不应超过300 kg,否则,应分次处理。第四,25mm以上的原始煤样未经破碎不可缩分。
2煤样的包装、保存与送验
为保证样品化验结果的准确性,采样后必须按要求包装、保存和送验,直至化验结束,每个环节都要避免煤样的氧化变质。
2.1煤样的包装方法
煤样的包装要按煤的性质、试验要求和样品运送距离等因素确定。煤心煤样、煤层煤样和简易可选性试验煤样,从取样到送达试验单位的时间为:烟煤不超过10 d、无烟煤不超过15 d,可用结实洁净的塑料袋包装。采用密封包装,放置的时间可以稍延长。可选性试验煤样,从筛分结束到送达试验室的时间在10 d以内时,可用洁净的塑料袋包装,外套木箱;超过10 d需密封包装。专门性试验煤样用洁净麻袋或木箱包装。包装时要保持原有的层位次序,不得颠倒混乱。从采样到送达实验室的时间不可超过10 d。煤样包装后,马上将煤样编号以标签形式贴在煤样箱(袋)上,并注明“共XX箱(袋)”字样。
2.2煤样的保存
地质勘查单位一般不保存留样。煤心煤样、煤层煤样、煤岩煤样、孢粉煤样等由实验室保存分析样(或煤片)。保存时间自报出实验结果之日起,保存半年。
2.3煤样的送验
煤样送验必须按规定格式填写说明书,一式三份。一份用塑料纸包好装入煤样箱(袋)内,一份交试验单位,一份由送样单位保存。填写煤样说明书应注意以下几点:第一,煤样编号要系统。按钻孔从上到下顺序编号,分层样号应有所区别。第二,煤样质量指实际送验煤样质量。第三,煤样粒度,未缩分写“自然粒度”,缩分后写“小于××mm”。第四,采样方法指取煤管(型号)、单岩管(内径)、井壁刮煤、放炮取心及刻槽法、拣块法等。第五,煤样状况指污染程度和磨烧情况及处理方法等。第六,试验项目按勘查设计要求和煤样实际状况填写。第七,筛分、浮沉试验煤样应说明采样方法(全巷法、抽车法、皮带运输机上截取等)、采煤方法、伪顶及夹矸的岩石及厚度、矸石混入状况及井下是否人工拣矸等。第八,煤层柱状图需包括整个煤层及其伪顶和伪底,取样部位用箭头表示出上、下界,煤层厚度指钻探的厚度。第九,瓦斯煤样送验时,需说明“要把测定瓦斯后的煤样与同钻孔的同层煤心煤样合并,试验其他项目”。
3采样方案
3.1预查阶段的采样要求
采样种类和数量:第一,钻孔中的可采见煤点(临界厚度的煤层点),都要取煤心煤样。如果区内有煤矿要取可采煤层的煤样。第二,采取适当数量的煤岩煤样,测定煤岩显微组分含量和镜煤最大反射率。第三,探槽、探井的见煤点和煤层的自然露头,都要采取腐殖酸煤样,测定水分、灰分和总腐殖酸含量。
煤心煤样、煤层煤样的试验项目:包括原煤、精煤的半工业分析;全硫、磷、发热量,元素分析、精煤的胶质层和黏结指数等。有时,还要测定原煤的灰成分、低温干馏、褐煤蜡及腐殖酸含量等。
3.2普查阶段采样的种类和数量
第一,全部钻孔的可采见煤点(临界厚度的煤层点),要全部采取煤心煤样。第二,如果区内或邻近有生产矿井时,要采取适当数量的煤层煤样。第三,探槽、探井的见煤点和煤的自然露头。都要采取腐殖酸煤样。总腐殖酸含量普遍低于20%时可少采或不采此煤样。第四,利用各种见煤工程点,适当采取煤岩煤样。有条件时,也可采取风化带、氧化带煤样。
3.3详查和勘查阶段的采样要求
对工作地区的其他有益矿产,在各个勘查阶段都应采样,具体要求如下:第一,预查和普查阶段是寻找和发现其他有益矿产的阶段,应选择部分探槽、探井,小煤矿和少量钻孔,对所有煤层及其夹矸和顶、底板岩石均要系统采样。先做光谱分析,然后根据元素含量确定化学分析项目。对不可采煤层及炭质泥岩等,应采样进行分析化验。在含煤和非含煤地层中,应在做好岩性鉴定的基础上,对有益矿产(层)采取适量样品进行化学分析。第二,详查阶段。对已发现品位较高的有益矿产,要利用探煤工程,布置一定数量和均匀的采样点,进行采样分析。第三,勘查阶段要对前阶段初步评价为有价值的有益矿产,利用探煤工程进行采样分析,有时可布置专门性工程采样分析。
在制定采样方案时,要编制采样点的分布示意图,并用相应的表格表示各种煤样的分析测定项目。
参考文献
[1]佟凯.煤田地质与勘探[M].江苏:中国矿业大学出版社,2014,10.
煤样测定 篇3
随着煤矿开采过程中回采工作面的推进,地应力不断发生变化,导致其周围煤岩体处于近似多次加卸载状态。由于不同区域煤岩体距离工作面长度不一,受力状态不同,对于不同区域,煤岩变形破坏特征也呈现差异性。声发射监测技术作为煤矿目前广泛应用的安全监测手段[1,2,3,4],准确掌握不同变形、破坏过程声发射的变化规律,对于准确预测煤岩破坏特征,及时采取防治措施具有重要意义。针对煤岩变形、破坏过程中声发射变化特征以往学者进行了诸多研究。其中一些学者[5,6,7,8]通过改变加载速度、加载方式、围压大小等静态测试条件以及变围压、动态干扰等动态测试条件,研究不同测试条件下声发射参数的变化特征。一些学者[9,10,11]结合应力- 应变、岩石变形等加载过程对测试过程进行阶段划分,分析不同加载阶段声发射参数的变化特征及其异同。一些学者[12,13,14]主要是从测试结果入手,分析样品的Felicity效应特征、Kaiser效应特征、频谱特征、破坏前兆特征以及声发射与内部损伤之间的关系。以往学者在声发射方面进行了较多的研究,但是对于多次加卸载过程中峰前加卸载与峰后加卸载、峰前多次加卸载、峰后多次加卸载的声发射特征差异性对比方面研究相对较少。基于此,本文采用三轴应力加载装置和声发射接收装置,进行了峰前、峰后多次加卸载实验,分析其声发射特征。以期提高采用声发射对煤矿煤岩动力灾害、冲击地压等灾害预测的准确性。
1 峰值前后加载时声发射测试
1. 1 试验系统及原理
试验系统采用河南理工大学的RMT - 150B型岩石力学伺服试验机和CDAE - 1 声发射仪,其中岩石力学伺服试验机主要是包括轴压加载系统、围压加载系统、信息采集系统、信息处理系统等,声发射仪主要是包括声发射采集探头、前置放大器、带有数据采集软件的主机等,试验装置原理示意图如图1 所示。
岩石力学伺服试验机通过轴压系统和围压系统实现对煤样的加载与控制,通过传感器对加载过程中的应力、应变数据进行实时记录。在煤样加载变形过程中,由于煤岩内部原有裂隙的闭合与张开、新生裂隙的形成,会产生相对应的不同频度、幅度的声发射信号。这些信号通过安装在样品缸外壁的声发射采集探头进行采集,采集以后经过前置放大器进行预处理,最后以数据、图表等形式显示出加载过程的声发射特征。
1. 2 样品制备及实验方案
根据实验煤样制作要求,在焦作矿区采集煤样后,采用切割机、制样机将煤样制成直径为50 mm,长度为50 mm的标准柱状样。
为了实现对煤样峰值前、峰值后加载过程中声发射特征的分析与对比。在考虑煤样强度,保证完成测试的前提下,进行四次加卸载,其中包含两次峰值前加卸载和两次峰值后加卸载。由于随着煤岩与采掘面之间距离的减小,煤岩的变形、破坏逐渐增强,为了实现对这一过程的近似模拟,将加载峰值依次设计为峰值时位移量的70% 、90% 、110% 、130% ,并对加卸载过程中的应力- 应变- 声发射特征进行了测试与记录。最终得出峰值前后加卸载过程中声发射特征。
在实验仪器启动以后,将煤样放入样品缸内,根据实验方案设置加载参数。①采用围压/力加载方式,将围压以0. 5 MPa/s的速度,加载到5. 00 MPa,同时轴向应力以1. 00 k N/s的速度进行加载,当围压达到5. 00MPa时结束。②保持围压不变,采用位移控制模式,以0. 005 0 mm / s速度,继续轴向加载,加载至应力峰值时位移量( 实验前同类样测试值的均值) 的70% 附近停止。③保持围压不变,采用位移控制模式,以0. 005 0mm / s速度进行卸载。④重复步骤② ~ ③依次加载至应力峰值时位移量的90% 、110% 、130% ,直至测试结束。
1. 3 煤样应力- 应变测试结果
根据实验目的以及实验方案要求,对煤样进行了峰值前后加载过程中的声发射测试,由于不同煤样的声发射变化规律相似,为了避免重复性论述,以1#、2#煤样为例进行论述,其中应力- 应变测试结果如图2 所示。
2 峰值前后加载时声发射特征的差异性
本文选取代表性煤样1#、2#煤样测试结果进行分析,其中以1#煤样论述为主。
2. 1 峰值前后加载时声发射特征
为了考虑峰值破坏对煤样声发射特征的影响,将其加卸载过程的声发射过程分为峰值前加卸载过程和峰值后加卸载过程两个阶段分开进行分析、对比。
2. 1. 1 峰值前加载过程声发射变化特征
根据实验方案对煤样进行了峰值前两次加卸载过程声发射参数测试实验,测试结果如图3 所示。
通过对上述测试结果分析可知两个煤样的变化规律相似,以1#煤样为例进行论述,通过峰前加卸载过程的声发射特征进行分析得出,随峰前加卸载进行,声发射计数、幅度、能量的变化趋势大致相同,其中具体变化特征如下:
1) 峰值前第一次加载过程中,加载至峰值破坏时位移量的79. 6% ,在加载初期煤样主要是处于压密阶段和弹性变形阶段,有零星的声发射事件,声发射幅度较小,能量较弱。该阶段声发射事件的产生主要是由于孔裂隙的闭合以及局部弱面的压实,在煤样内部形成损伤变形,产生少量的声发射事件。随着加载的继续进行,声发射计数、幅度、能量均快速增加,直至第一次加载至46MPa结束。该阶段声发射事件的产生主要是由于加载引起煤样内部局部弱面发生塑性变形,造成损伤,产生了新生裂隙,声发射计数逐渐增加。并且随着加载继续进行,塑性变形区域逐渐增大,产生声发射事件的幅值逐渐增大,声发射能量增加。
2) 峰值前第一次卸载过程中,在卸载初期声发射计数、幅度快速降低,其中声发射能量降低速度相对前两者较慢。随后,随着卸载进行,声发射计数、幅度、能量均逐渐减小,同时降低速度逐渐减小。这主要是由于随着卸载进行,煤岩塑性变形区域受到的应力逐渐减小,继续造成损伤的能力降低,新生损伤量增加速度逐渐降低造成的。
3) 峰值前第二次加载过程中,加载至峰值破坏时位移量的93. 0% 。在加载初期声发射计数、幅度、能量逐渐增加,但是增加速度较第一次缓慢,存在一个相对平静期。这主要是由于一次加载过程中对煤样内部的孔裂隙、弱面进行了压实,一些尖锐棱角被磨平。在二次加载过程中这些弱面被再次压实时,可被破坏弱面减少,加载初期损伤量减少。因此,产生破坏的声发射计数、幅度均减小。当继续加载至45 MPa附近时,由于煤样内部的一些次级弱面开始发生破坏,产生新生裂缝,声发射计数、幅度、能量均开始快速增加,并且增加速度远远大于加载初期,显示了煤岩较强的记忆性。
4) 峰值前第二次卸载过程中,声发射参数的变化规律和第一次卸载时大致相似。但是其声发射幅度整体上大于第一次卸载时的声发射幅度。主要是由于加载次数的增加,导致塑性区域逐渐增大,易于在煤岩内部形成损伤,即使是在较小应力下也能产生幅值较大的声发射事件。
2. 1. 2 峰后加卸载时声发射特征
峰值后加卸载过程中测的声发射参数特征如图4所示。
通过对上述测试结果分析可知两个煤样的变化规律相似,以1#煤样为例进行论述,其变化规律如下:
1) 峰值后第一次加载时,加载至峰值破坏时位移量的110. 8% ,在加载前期声发射计数、幅度、能量都呈逐渐增加的趋势,但是增加速度缓慢,存在相对的平静期。当加载应力达到41 MPa时,声发射计数、幅度、能量开始呈线性快速增加。时间- 声发射曲线较时间- 应力曲线具有一定的滞后性。主要是由于峰值破坏引起煤岩内部较大范围发生塑性变形,造成大面积损伤,导致煤岩抵抗变形能力降低。虽然应力开始减小,但是较小的应力依然可以引起煤岩发生破坏,声发射参数继续增加。同时,由于煤样本身的Felicity效应,导致声发射快速增加时的应力值小于前一次加载时的最大应力值。与前两次加载相比,由于塑性变形区域的逐渐增大,所以再次加载至破坏时,声发射的计数、幅度、能量均大于之前的峰值。
2) 峰值后第一次卸载时,在卸载初期声发射计数、幅度、能量快速降低。主要是由于随着应力卸载对煤岩的挤压作用减小,煤岩内部再次损伤减弱,声发射参数减小。在卸载后期,声发射参数降低速度逐渐变缓,但是声发射参数整体高于峰值前卸载时的声发射参数值。尤其是声发射幅度,在降低一段时间后,又开始上升,维持在较高水平波动。主要是由于破坏区域比较大,易于形成较大范围的应力集中,发生破坏时产生声发射事件的幅度比较大。
3) 在峰值后第二次加载时,加载至峰值破坏时位移量的130. 1% ,其变化规律和峰值后第一次加载时相似。当加载到应力为39 MPa左右时,声发射快速增加。其时间- 声发射曲线稍微滞后于时间- 应力曲线。并且声发射快速增加的加载应力小于上一次的最大加载应力48 MPa。
4) 峰值后第二次卸载时,在卸载初期声发射计数、幅度、能量快速降低。其原因和峰值后第一次卸载时相似。在卸载后期,声发射计数和能量维持在一定水平波动,声发射幅度又有所上升。总体上,声发射参数值较前一次有所上升。
2. 2峰值前后加载时煤样的Kaiser效应和Felicity效应特征
煤岩本身具有较好的记忆性,不同煤岩记忆特征的不同,导致声发射特征也呈现差异性。Kaiser效应是指加载过程中当加载应力超过上一次最大加载力时,声发射快速产生的现象。Felicity效应是指加载过程,在加载应力还没有达到上一次最大加载应力时,声发射就快速产生的现象。其中Kaiser效应的强弱可以采用加载时声发射快速产生时的应力值与上一次加载时最大应力值的比值表示[13],即:
式中: σj为声发射快速产生时的应力值,MPa; σs为上次加载时的应力最大值,MPa。
对于1#煤样,在第一次加载时,加载至46 MPa,然后卸载; 第二次加载时,当加载至45 MPa时,声发射参数开始快速增加,此时Fe= 97. 8% ,继续加载至51MPa,加载结束; 第三次加载至45 MPa时,声发射参数开始快速增加,此时Fe= 88. 2% ,继续加载至48 MPa,加载结束; 第四次加载时,加载至39 MPa时,声发射参数开始快速增加,此时Fe= 81. 3% 。
从各阶段计算结果可以看出: 随着加载次数的增加,Fe值逐渐减小,显示出较好的Felicity效应,体现了煤样对声发射记忆的超前性,并随加载次数增加逐渐增强。主要是由于随着加载进行,在煤样内部引起损伤量增加,抵抗能力减弱,在应力还没有达到上次加载应力时,声发射事件就大量产生。
2. 3 峰值前后加载时声发射差异性
通过对峰值前后多次加载过程声发射特征的测试与分析可以得出峰值前后加卸载过程中声发射特征具有以下差异性:
1) 多次加卸载过程中,一次加载时声发射参数呈现出一直增加的趋势,并且增加速度缓慢增加。二次及以后加载时,声发射参数变化呈现两个阶段性特征,开始阶段增加缓慢,为相对平静期; 在加载至一次加载峰值时,声发射参数开始呈现出近似指数形式的快速增加。声发射参数呈现这种变化规律主要是由于两方面原因:一是一次加载时对孔裂隙的不可恢复性压密以及对存在棱角弱面的挤压、磨平,使后期再次加载时,在加载初期存在一个相对的平静期。二是煤样本身较强的记忆性。因此,在进行煤矿井下地质灾害监测时,要加强周期来压过程中声发射参数平静期特征的分析,以便于及时掌握煤岩变形特征。
2) 随着加卸载次数的增加,煤样逐渐显现出较强的Felicity效应,体现了煤样对声发射记忆的超前性,这一规律与文献[13]得出的趋势相似。主要是随着加卸载次数的增加,煤岩本身强度逐渐降低,抵抗变形破坏的能力逐渐降低,在较小的应力下就可以引起较大范围的塑性变形与破坏。所以,在应力还没有达到上一次加载时的应力时,就开始有大量的声发射事件产生。利用煤样的这一特征,可以及时掌握煤岩的受力情况,为灾害的预测提供应力特征信息。
3) 加卸载过程中峰值后声发射参数在整体上大于峰前声发射参数。在峰后声发射参数具有较高值,主要是经过峰值后破坏阶段,煤岩发生了较大范围的塑性变形,煤岩强度降低,在较低的应力作用下,就会在煤岩内部产生变形、破坏,发出声发射信号。
3 结论
1) 首次加载时声发射参数具有渐变性增加的特征,随后加载时声发射变化呈现出分段性特征。即在煤矿开采过程中,初次来压时,煤岩声发射参数呈现出渐变性; 在随后周期来压过程中,煤岩声发射变化呈现出阶段性特征。
2) 随着加载次数的增加煤岩的Felicity效应逐渐增强,体现了煤岩记忆的超前性。在基于声发射进行煤矿井下地质灾害预测时,要注意煤岩的Felicity效应影响。
煤样测定 篇4
煤层渗透性差是煤层气开采率低的主要原因,在煤层气开采方面,中国与俄罗斯、美国、加拿大等国家相比差距较大[1]。制造新裂隙或原生裂隙的进一步扩展是增透的主要方法,普遍采用的技术有水力割缝、深孔爆破预裂、水力冲孔和水力压裂等,但都有一定的局限性[2]。
水对不同变质程度煤粒瓦斯扩散有影响,刘彦伟等[3]发现水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。近年来,有学者采用冻融作用对岩石等材料进行实验,如Nichloson等[4]通过冻融循环试验,研究了原生裂隙对岩石损伤的影响; Grundmann等[5]利用液氮冻胀低渗透泥盆纪页岩,与传统的方法相比,其产气效率提高了8% 。任韶然等[6]研究液氮对煤样的冷冲击作用机制及试验,发现液氮的超低温作用能使煤样基质收缩,产生热应力裂缝,同时煤样天然裂缝中的水结冰膨胀产生的应力超过煤样的强度,可在煤样内产生局部裂纹。张春会等[7,8]研究了液氮作用下煤致裂增透的数值计算方法,并开展了液氮溶浸煤试验研究,发现液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中,当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时,煤样原生微裂隙发生扩展。
煤样裂隙扩展与某些影响因素密切相关,李广生等[9]引入地质强度因子( GSI) ,发现以往划分的原生结构煤→碎裂煤→碎粒煤→糜棱煤之间很难有明显的界限,煤体变形是一个渐变过程,采用GSI可定量表达这一渐变过程。赵建斌等[10]引入了煤岩体综合强度因子TCE,通过计算煤岩体综合强度因子控制压裂规模是控制煤层产水的有效方法。来兴平等[11]推导了爆炸作用下裂纹应力强度因子的表达式,给出了裂纹继续扩展的判断准则和裂隙区、压碎区的判定准则,运用理论分析和数值计算手段揭示了爆破致裂特性。
在煤样上采用循环冷加载,构建强度与循环周期、表面裂隙宽度,强度与循环周期、裂隙体积变化量之间函数关系的研究相对较少,通过建立以循环周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量为变量的损伤因子,具有变量容易测量的优点,对于定义煤样循环冷加载的强度条件和后续煤的实验具有借鉴意义。
1 试样制备及实验方案
1. 1 试样制备
将原煤利用岩石切割机制成50 mm × 50 mm × 50mm表面平整的正方体煤样。利用微型气泵和真空不锈钢罐进行饱和化处理,每0. 5 h进行称重,多次称重直至煤样质量不再增加为止,即为水饱和煤样,将煤样按浸泡周期进行分组,A、B、C、D、E和F组分别为0、1、2、3、4 和5 周期煤样,各组煤样浸泡液氮后进行单轴压缩实验。
1. 2 实验装置
利用OLS4000 激光共聚焦显微镜观察实验前后煤样表面裂隙形貌,测量裂隙宽度。通过MH - 25 实验机进行单轴压缩实验,测定煤样不同循环周期作用后的抗压强度。采用OCS天平电子秤称量每次饱和后煤样质量,根据公式( 1) 换算煤样内部裂隙体积变化量:
式中: k为煤样内部裂隙体积变化量,m3; MT + 1为水饱和后煤样的质量,g; MT为煤样前一次饱和质量,g; ρH为水的密度,g/m3; T取0 ~ 5 的整数。
1. 3 实验方案
实验采用液氮作为冷加载试剂,将煤样放入2. 5 L钢胆保温桶进行液氮浸泡,浸泡4 h,室温放置20 h,作为一个冷加载周期。根据前期研究发现,煤样经过5 周期冷加载后,彻底破碎,因此该实验进行5 周期冷加载[12]。每个周期冷加载后,都需要对煤样重新进行水饱和处理,使新产生的裂隙充满水。
2 实验结果及分析
2. 1 循环冷加载煤样表面裂隙扩展情况
采用镜像观测煤样经过5 周期冷加载,表面裂隙扩展演化过程如图1,对裂隙指定区域进行测量,具体宽度见表1。
图1 中( a) 和( b) 为煤样表面200 倍放大镜像,经过1 周期冷加载,测量裂隙扩展了17. 41 μm,扩展率为17.68% ( 图1) 。( c) ~ ( f) 为煤样2 ~ 5 周期冷加载后裂隙由微观向细观和宏观演化,在观测区内裂隙宽度扩展的演化过程可以直接观察到,直至彻底破碎。煤样延伸率达到- 1. 97% 。煤作为一个连续的整体,在温度变化过程中符合热胀冷缩特性。当煤样与液氮接触时,温度急剧下降,由于煤样的导热系数较低,造成煤样内部结构形变不均匀[13]。因此,煤样内部将会产生束缚煤样随温度变化自由收缩的应力,这种应力即为冷冲击应力。同时煤样裂隙中的饱和水结冰膨胀,对煤样产生两方面的影响: 一是裂隙中的水结冰膨胀使煤样的原生裂缝宽度增大,冰融化后并不能复原到原始的状态,多周期后裂隙宽度发生累积,从而导致裂隙的渗透率增加; 二是煤样裂隙饱和水结冰产生膨胀力对煤基质造成挤压作用,当膨胀力超过煤岩的强度极限,导致煤样裂隙结构累积损伤,并发生破坏。对于表面没有原生裂隙部位,则较难产生新裂隙。
2. 2 循环冷加载煤样内部裂隙扩展情况
表2 为循环冷加载煤样裂隙体积变化量。
3 个周期循环冷加载后,裂隙体积增长量出现了负值,是因为每周期冷加载后,煤样表面有组织脱落,或者裂隙扩展尺寸过大,不能使水吸附在裂隙里,所以在换算过程中裂隙体积变化量变小。
2. 3 循环冷加载煤样承载能力
煤样在进行第5 周期冷加载后彻底碎裂,没有承载能力。将0 ~ 4 周期冷加载煤样通过试验机进行单轴压缩实验。在常温条件下,加载速率为0. 1 mm/min,不同周期冷加载煤样应力- 应变曲线如图2。
由图2 可见,随着冷加载周期的增加,煤样的抗压强度降低。由公式( 2) 最大伸长线应变理论可知,各周期冷加载致煤样裂隙结构型变的累积超过煤样的强度极限,则发生疲劳破坏,即裂隙扩展。当损伤超过定值,则使煤样失去承载能力。
式中: [σ]为煤样许用应力,MPa; μ 为泊松比; σ1为煤样裂隙承载最大正应力,MPa; σ2为煤样裂隙承载次大正应力,MPa; σ3为煤样裂隙承载最小正应力,MPa。
3 损伤判据的构建
3. 1 周期和表面裂隙宽度构建损伤判据
将损伤因子确定为周期T和表面裂隙宽度d,即损伤因子 ηd为公式( 3) :
对煤样的抗压强度以及损伤因子 ηd进行曲线拟合,拟合多项式见公式( 4) ,拟合曲线见图3。
由图3 和公式( 4) 可知,随着循环冷加载周期的增加,煤样的抗压强度下降,当T超过4 周期,煤样表面裂隙宽度超过985 μm,煤样的抗压强度达到0 MPa,煤样失去承载能力。
3. 2 周期和煤样裂隙体积变化量构建损伤判据
将损伤因子确定为周期T和煤样裂隙体积变化量k,即损伤因子 ηk为公式( 5) :
对煤样的抗压强度以及损伤因子 ηk进行曲线拟合,拟合多项式见公式( 6) ,拟合曲线见图4。
对周期和裂隙体积变化量进行求偏导,对变量影响因子通过公式( 7) 进行计算:
发现循环冷加载在2 ~ 3 周期之间,可吸附水的煤样裂隙体积最大。当超过3 周期,裂隙体积超过0. 64 ×10- 6m3煤样的裂隙结构发生破坏,煤样不具备承载能力。
4 结论
1) 水饱和煤样在液氮冷加载作用下,随着循环浸泡周期的增加,表面裂隙宽度由微观向细观和宏观演化,抗压强度呈劣化趋势,直至破坏。
2) 煤样在循环冷加载实验中,4 周期为煤样抗压的强度极限,2 周期为煤样裂隙水饱和吸附能力极限。
煤样测定 篇5
关键词：瓦斯含量,球磨机,磨矿机理,粉碎效率
0 引言
自1893年第一台球磨机问世以来, 它就一直被广泛应用于矿业、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行业的原料粉碎中。在矿山建设时期, 球磨机的设备及基建投资约占选矿厂破磨设备总投资的50%, 在矿山生产期间, 球磨机的能耗 (电耗和材料) 同样占全部破磨作业的50%以上。同时, 在矿山生产中, 球磨机作为主要的生产设备, 其运转率和效率常常决定了全厂的生产效率和指标, 成为全厂生产的“咽喉”环节。因此, 无论设计院在设计阶段对球磨机的选择还是矿山企业在生产阶段对球磨机的管理都十分重视。同时许多球磨机的设计研究单位和生产厂家也对球磨机进行了很多研究工作, 取得了很大进展, 出现了多方面的研究方向。在经过对球磨机相关资料的调查和分析, 发现煤矿中使用的煤层瓦斯含量设备中的球磨机效率较低, 成本较高, 所以, 我们决定以经济高效, 轻巧实用为理念, 设计一套新型高效率、低成本的球磨机, 更好地适应煤矿机械化的需要, 从而快速地测量煤层瓦斯的含量。
1 实验过程
1.1 基本原理
该款球磨机为卧式筒形旋转装置, 棒和球随滚筒转动, 产生的摩擦力, 研磨煤块, 被提升到一定高度后, 抛落产生冲击力, 撞击煤块。依靠这两种力, 达到粉碎煤样的目的。
1.2 新型球磨机结构图
(1) 原球磨机需要2~4小时来研磨煤样才能达到标准, 时间长, 效率低;
(2) 体积大, 结构较复杂, 操作不便;
(3) 耗能高, 而且成本较高。
因此我们采用了“电机直接带动轴承使煤样罐转动”的球磨机设计方法, 简化了装置, 提高了效率。如图1所示。
1.3 实验方法
实验仪器:自制新型球磨机;0.25mm的筛子;电子称;计时器;煤样。
实验步骤:筛选煤样;测煤的硬度 (0.625) ;用电子称称量250g煤样, 加入煤样罐中, 并将煤样罐安装到球磨机上;用测速计调好设定转速;打开电源开关, 开始粉碎煤样, 同时计时;每隔10分钟, 停止粉碎, 取下煤样罐, 将煤样倒入0.25mm的筛子中, 直到筛不下为止, 将剩余粗煤样称量并记录数据;将粗煤样和细煤样一起加入罐中, 继续粉碎十分钟, 如此重复直到煤样在0.25mm以下达到80%以上;保存煤样, 并进行数据处理。
2 实验结果
(1) 全是煤块, 转数145r/min, 煤块的质量为250g, 煤粒的直径不大于24mm, 筛孔的直径为0.25mm, 煤硬度0.625。
C———粉碎率;m1———细颗粒质量;m———煤块的总质量。
根据公式 (1) , 计算出不同时间的粉碎率如表1所示。
由表1可以看出, 在粉碎煤样的过程中, 随着时间的增加, 粉碎率也越来越大, 当时间达到60min时, 粉碎率为86.4%。
(2) 当转速为155r/min时, 我们通过三次实验计算出粉碎率的平均值。根据公式 (1) , 结果如图2所示。
图2横轴表示时间t (min) , 纵轴表示粉碎率c%, 三种颜色代表不同的实验次数, 由图表可以看出, 当转速为155r/min, 时间60min时, 三次实验后煤块的粉碎率都在86%左右, 求得平均粉碎率为86.5%。
(3) 当在不同的转速下, 随着时间的变化, 球磨机的粉碎率如图3所示。
图3横轴表示时间t (min) , 纵轴表示粉碎率c%, 由图表显示, 当转速恒定的时候, 随着时间的增加, 球磨机的粉碎率逐渐增大;当时间恒定的时候, 随着转速的增加, 球磨机的粉碎率先增大后减小。当转速在155±10r/min时, 球磨机粉碎率较好;当转速低于145r/min时或大于165r/min时球磨机的粉碎率都会下降。
3 实验分析
3.1 球磨机的实际工作转速
球磨机一般是按“抛落”状态工作。球磨机的最有利的工作转速应该保证球沿抛物线下落时的高度最大, 从而使球在垂直方向获得最大的动能来粉碎煤块。由此, 可确定球磨机的最佳工作转速。理论工作转速是从粉磨介质能够产生最大粉碎功的观点推导出来的, 这个观点没有考虑到粉磨介质在随筒壁上升的过程中, 部分介质的滑动和滚动的现象。这会影响介质的提升高度, 即真正最大的粉磨功。但在实际生产中, 考虑转速不能单纯从得到最大粉磨功的观点出发, 因为物料的粉磨既有冲击破碎, 还有研磨作用, 同时因为煤矿用的小型球磨机筒体中是一个圆球和一大一小的两根磨棒, 情况较为特殊, 所以我们通过大量的实验测定球磨机的最佳转速。
在测量的过程中, 我们使用可以改变转速的可调节变频器控制转速, 再用测速仪测出调节的速度, 这样方便我们找到最佳的转速, 从而提高效率。通过实验数据显示, 最佳的转速在155±10r/min时, 球磨机的粉碎效率最大。
3.2 转速对粉碎率的影响
在球磨机中, 破碎介质的运动状态与筒体的转速有关。如图4所示在速度较低时, 球磨机中球和棒如a种形式下落, 这样速度不高, 它的效率也不高;当速度太高时, 球磨机中的球和棒如c形式下落, 做离心运动, 沿着桶壁转, 接触的煤粒太少, 效率也低;当在合适的速度时, 球磨机中的球和棒如b形式下落, 接触煤粒多, 对煤粒产生的摩擦力和冲击力最大, 故只有找到合适的速度才能达到最高效率。
a-泻落式运动状b-抛落式运动状态c-离心式运动状态
通过实验数据显示, 当转速恒定的时候, 随着时间的增加, 球磨机的粉碎率逐渐增大;当时间恒定的时候, 随着转速的增加, 球磨机的粉碎率先增大后减小。当转速在155±10r/min时, 球磨机粉碎率较好;当转速低于145r/min时或大于165r/min时球磨机的粉碎率都会下降。所以转速对球磨机的粉碎率有影响。
4 结论