十二烷基硫酸钠对甲烷水合物生成过程影响研究

根据甲烷水合物含气率高、分解速度慢等特性,提出利用高压注水技术和表面活性剂促进作用促使矿井瓦斯水合化以预防煤与瓦斯突出的思路。进行了3·6~12℃、7·82~12·26MPa条件下两种浓度体系(10mmol/L和0·3mmol/L)中十二烷基硫酸钠(SDS)对甲烷水合物作用效果的实验研究,结合水合物诱导时间、生成速度及含气率等计算对实验数据进行了分析,并运用表面张力法测得8℃时SDS溶液的临界胶束浓度(CMC)为2·5mmol/L。结果表明,高浓度体系对水合物生成速度、含气率的影响较之低浓度体系的更强,但是低浓度体系中水合物生成的诱导时间却较短,表面活性剂溶液浓度超过其CMC后对水合物的生成影响显著。     

不同驱动力下瓦斯水合物生长过程Raman光谱特征

基于煤矿瓦斯(CH₄∶C₂H₆∶N₂=67.5∶22.5∶10)水合物相平衡曲线开展四种驱动力ΔP水合动力学实验,利用可见显微Raman光谱仪获取水合物生长过程光谱图,根据水合物相中C₂H₆ C-C键伸缩振动特征峰Raman位移确定了4组实验中水合物为sⅡ结构。基于van der Waals与Platteeuw模型获取瓦斯水合物生成过程中水合物相气体组分及水合指数变化规律。研究表明： 驱动力的大小影响水合物的稳定性,随着驱动力的增加,CH₄相比C₂H₆逐渐占据更多的孔穴结构,CH₄在水合物相内比例增加,水合物稳定性越强;瓦斯中N₂,CH₄和C₂H₆进入水合物孔穴优先级可以通过分子与水合物孔穴的直径比进行确定,分析认为在sⅡ水合物结构中小孔穴CH₄优先级最高,大孔穴C₂H₆最高;基于瓦斯水合物稳定性,对水合物生长过程客体分子的物质传递规律进行描述,为瓦斯水合物的微观生长提供理论基础。     

不同迎爆面结构的泡沫金属对甲烷气体爆炸传播阻隔性能的实验研究

通过自行设计的爆炸管网设备进行实验,提出通过改变泡沫金属迎爆面的结构来增大与爆炸火焰的接触面积,结合爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度等参数来评价不同迎爆面设计结构的泡沫金属的阻隔爆性能。结果表明,在相同厚度的前提下,在材料迎爆面增加一定的锯齿形波纹会使整体的阻隔爆性能有所提升,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率随着迎爆面锯齿角度的减小而增大。当泡沫金属迎爆面锯齿角度为30°时,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率分别为74.0%、76.18%和91.93%,爆炸超压下降速率为30.76 MPa/s,材料后端熄爆参数为17.68 MPa·℃,阻隔爆效果较好。     

CO_2—CH_4—N_2瓦斯混合气水合分离产物Raman光谱特征

抽采瓦斯气分离产物特性精确获取是水合分离新技术应用关键。针对两种浓度构成的瓦斯混合气(CO2—CH4—N2),利用瓦斯水合分离产物Raman测试装置,原位合成两种水合物样品并观测Raman光谱。基于客体分子振动模式、"松笼-紧笼"模型及Raman谱带面积比,结合van der Waals-Platteeuw模型,确定出水合物晶体结构,计算出晶体孔穴占有率、水合指数等结构参数。结果表明,两种瓦斯水合物样品均为Ⅰ型结构,其大孔穴占有率分别为98.57%和98.52%,小孔穴占有率分别为29.93%和33.87%,小孔穴不易被客体分子填充;两种分离产物水合指数比较接近,分别为7.14和6.98,均大于Ⅰ型水合物水合指数理论值。     

瓦斯浓度影响下水合物晶体结构Raman光谱特征

在初始温压2 ℃,5 MPa条件下开展了三种瓦斯混合气(CH₄—C₂H₆—N₂,G1=54∶36∶10,G2=67.5∶22.5∶10,G3=81∶9∶10)水合实验,利用可见显微拉曼光谱仪获取水合产物拉曼光谱,通过水合物相中C₂H₆ C—C键伸缩振动特征峰拉曼位移判断水合物晶体结构,利用谱图特征峰分峰拟合方法计算出瓦斯水合物孔穴占有率、水合指数等。研究发现：气样G1和G2水合产物为I型水合物、G3为Ⅱ型,气样中C₂H₆浓度改变导致水合物晶体结构转变;Ⅰ型结构水合物相中CH₄和C₂H₆含量受气样浓度影响较小,G1和G2体系中CH₄含量分别为34.4%和35.7%、C₂H₆含量分别为64.6%和63.9%,而G3体系中CH₄和C₂H₆含量分别为73.5%和22.8%,晶体结构对水合物相客体分子含量控制作用明显;G1~G3体系水合物相大孔穴的CH₄—C₂H₆占有率分别为98%,98%和92%,小孔穴的CH₄占有率分别为80%,60%和84%,N₂由于分压较低且吸附能力较弱其小孔穴占有率不高于5%。     

基于Raman光谱技术的瓦斯混合气水合过程定量分析

瓦斯水合物微观晶体结构研究对水合分离技术具有重要理论意义。利用Raman光谱技术对三种含高浓度CO₂瓦斯混合气水合反应过程进行在线观测,并对水合物相Raman光谱图进行分析,获取了瓦斯水合物不同生长阶段大、小孔穴占有率,同时利用van der Waals与Platteeuw热力学统计模型间接获得水合指数等晶体结构信息。结果表明,瓦斯水合物孔穴占有率及水合指数在水合物不同生长阶段未发生较大变化,水合物相中大孔穴几乎被客体分子填满,CO₂与CH₄分子共同占据大孔穴,但CO₂占绝大多数,达到78.58%~94.09%,CH₄分子仅为4.52%~19.12%,这主要是由于两种分子间存在竞争关系且气样中CO₂浓度明显高于CH₄,大孔穴占有率维持在97.70%~98.68%;小孔穴占有率为17.93%~82.41%,占有率普遍偏低,且仅有CH₄分子;随气样中CH₄浓度增加,CH₄在大、小孔穴中的占有率均有所增加,且CH₄分子在大孔穴中的占有率均明显低于在小孔穴中占有率;水合物生长不同阶段水合指数为6.13~7.33,随气样中CH₄浓度的增加,小孔穴占有率有所增加,致使水合指数随之降低;由于瓦斯水合物生长分布不均匀,三种气样对应的不同生长阶段水合指数均呈不规则变化。     

惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究惰性气体(N₂和CO₂)对瓦斯气体爆炸影响,采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置,在N₂及CO₂体积分数为0%、9%、14%工况下开展了瓦斯爆炸实验研究,获取了N₂和CO₂对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律,并针对瓦斯爆炸过程中惰性气体N₂和CO₂对爆炸超压变化的影响及爆炸抑制效果进行了对比分析。结果表明:随着初始混合气体中惰性气体N₂或CO₂含量的升高,瓦斯爆炸超压均明显降低,CO₂的抑爆效果优于N₂;N₂和CO₂对较高浓度瓦斯气的抑爆效果更为显著。