安全科学与工程合辑.pdf
目 次 煤矿瓦斯防治与利用 丙烷对瓦斯水合物相平衡条件的影响………………………………………………………吴 强,赵美蓉,高 霞( 1 ) 热力学促进剂对瓦斯水合物相平衡的影响………………………………………吴 强,张家豪,高 霞,刘传海( 6 ) 不同驱动力下瓦斯气体水合物的诱导时间分布……………………………………………………张保勇,程远平( 11 ) 瓦斯水合物诱导时间影响因素实验研究…………………………………………………张保勇,刘金华,周泓吉( 16 ) 驱动力对瓦斯水合物晶体成核动力学的影响……………………………………………张保勇,尹百元,周莉红( 22 ) 瓦斯水合物形成过程的电阻特性……………………………张 强,郭朝伟,李元吉,卫弼天,陈付刚,石浩楠( 26 ) Span60 对甲烷水合过程温度场影响的实验研究……………………………………………………陈文胜,吴 强( 32 ) TBAB-SDS 对高浓 CO2 瓦斯水合分离过程的影响……………………………张保勇,尹百元,高 霞,张 强( 36 ) 干水和 THF-SDS 对瓦斯水合分离的影响………………………………………吴 强,张家豪,高 霞,刘传海( 40 ) 雾化喷嘴流量对瓦斯水合分离的影响……………………………………………吴 强,张家豪,靳 凯,于 洋( 45 ) 鼓泡速率对瓦斯水合分离的影响…………………………………………………………张保勇,尹百元,周莉红( 50 ) 初始温度对含 TBAB-SDS 瓦斯水合分离动力学的影响……………张保勇,张 擎,张 强,刘传海,吴 琼( 55 ) 初始分解压力对瓦斯水合物分解特性的影响……………………………吴 强,靳 凯,张保勇,高 霞,刘传海( 61 ) CO2-CH4-N2-TBAB 水合分离体系的拉曼测试分析…………………刘传海,吴 强,张保勇,张 强,吴 琼( 66 ) 围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响……………张保勇,高 橙,高 霞,刘文新,吴 强,张 强( 72 ) 不同围压下含瓦斯气体及水合物煤体的力学性质………………………………吴 强,刘文新,高 霞,高 橙( 78 ) 基于 GM(1,N) 改进模型的瓦斯水合物相平衡预测…………………………………………………慕亚茹,母丽华( 83 ) 低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究…………………………………………………………康 宇( 88 ) 含瓦斯水合物煤体的应力 - 应变特征与本构关系……………………………………………………高 霞,裴 权( 92 ) 固 - 热 - 气耦合作用下含瓦斯低透煤的渗流规律…………刘 刚,肖福坤,于 涵,侯志远,赵荣欣,庞建宝( 98 ) 钻孔煤屑 - 瓦斯 - 水耦合的解吸规律…………………………………………罗新荣,杨 欢,李梦坤,丁 振(104) 薄煤层初采期间的采场瓦斯运移规律…………………………………张锦鹏,王 伟,孙建华,舒彦民,魏春荣(110) ·Ⅰ· 安全科学与工程·1· 因素空间下的煤与瓦斯突出预测方法………………………………………………………刘海涛,郝传波,傅 贵(116) 因素空间下影响煤与瓦斯突出的优势因素提取方法…………………………………………………………刘海涛(121) GA 优化灰色神经网络的煤矿瓦斯浓度预测…………………………………………………………胥 良,宗 铭(126) 煤与瓦斯突出临界状态的数值模拟与实验研究………………………刘永立,王振锁,张建伟,李 涛,任梦轩(130) 基于光纤环衰荡腔的甲烷传感系统………………………………………………………郭继坤,赵肖东,马鹏飞(135) 瓦斯灾害预警模型的 Eclat 算法……………………………………………………………赵艳芹,张 恒,童朝娣(140) 煤尘影响瓦斯爆炸冲击波的实验研究………………………………………………………………张迎新,李世超(146) 含煤尘瓦斯爆后气流传播速度的实验研究……………………………………张迎新,李世超,刘传海,许世伟(150) 瓦斯爆炸数据采集的关键技术…………………………………………………杨庆江,许剑华,魏春荣,孙建华(154) 管道内置障条件下瓦斯爆炸超压规律的实验研究…………………………………………………张迎新,孙海波(159) 多层泡沫金属阻抑瓦斯爆炸超压的实验研究…………………………魏春荣,石 茜,刘宝磊,孙建华,曲 征(163) 膨润土的改性实验及表征……………………………………………………………………………米红伟,孙建华(172) 酸化工艺的煤层增透新技术……………………………………………张迎新,杨 杰,王鹏飞,洪 涛,孙海波(176) 低透气煤层水力压裂裂纹的扩展规律…………………………………………………………………………迟学海(181) 新型复合封孔材料的密封性能……………………………………………………………林柏泉,李博洋,郝志勇(187) 高突矿井松软煤层瓦斯抽采钻孔的深孔钻进技术……………………………………………………李 宏,郝光生(191) 高瓦斯低透气松软煤层的水力压裂增透技术…………………………………………………………王维维,康 宇(197) 新疆某矿区瓦斯和煤自燃特征及其控制条件…………………………………………………………………王怀勐(201) 地面钻井抽采下的高瓦斯采空区注氮防灭火研究…………………………………………罗新荣,李亚伟,丁 振(205) 采煤工作面瓦斯重大危险源风险评估……………………………………………罗新荣,李梦坤,李亚伟,丁 振(212) 深部煤层瓦斯抽采的数值模拟与现场实验研究…………………………………张迎新,李世超,朱育民,肖 刚(217) 基于马尔科夫链的采煤工作面瓦斯涌出量预测……………………魏春荣,刘宝磊,李艳霞,孙建华,张倍瑞(222) 煤与瓦斯突出动力灾害的多参数耦合监测预警…………………………………………刘永立,张海东,张建伟(227) 矿井通风及水、火、尘、热害防治 矿井“应急排水 - 快速清淤”的固液两相流数值模拟……………………………………郝传波,蒲文龙,张国华(232) 管道输送煤泥快速清淤的固液两相流规律的数值模拟……………………………………………郝传波,蒲文龙(238) 高抽巷抽采负压对采空区漏风及自燃带的影响……………………………………………刘佳佳,王 丹,高建良(245) ·Ⅱ· ·2·安全科学与工程 矿井排风热回收上喷淋液滴运动模型及其优化……………崔海蛟,王海桥,陈世强,赵 杰,贾 腾,章晓伟(251) 不同装载情况下矿井活塞风效应的数值模拟……………………………………彭 云,赵伏军,黄寿元,刘 畅(257) 区域式通风系统的稳定性……………………………………………………………………………王洪粱,张迎新(261) 矿井活塞风效应数值模拟………………………………………………………………………………………彭 云(265) 湿式共振栅阻力特性的实验研究……………………………………………………………赵 杰,王海桥,陈世强(270) 单巷长距离快速掘进通风系统风筒吊挂技术………………………秦宪礼,白枫桐,刘永立,刘新蕾,董长吉(275) 采煤工作面进风顺槽空冷器的位置布置优化……………………………………王 浩,黄 明,孔 松,董占元(280) 通风系统合流三通导流构件的优化与降阻特性……………王海桥,吴志荣,陈世强,黄俊歆,郭 华,宋文汉(285) 方形与圆形管道内多孔介质渗流的实验研究…………………………章晓伟,王海桥,陈世强,罗聪亮,彭 莹(291) 全断面快速掘进煤巷粉尘的分布规律………………………………………………………刘永立,刘 迪,沈 斌(295) 基于遗传算法的煤矿粉尘浓度测量装置优化……………………………………刘丹丹,刘 衡,李德文,景 然(300) 测量口壁面粗糙度对 PM2.5 流动特性的影响……………………………………刘丹丹,郝文亮,汤春瑞,景 然(306) 凡口铅锌矿井下破碎硐室除尘系统的实验研究………………………罗振江,陈智雄,宁赛力,吴志荣,郭 华(309) SDS 促进剂对甲烷水合物蓄冷量的影响……………………………王洪粱,张保勇,徐海梅,李智峰,韩永辉(313) CO2 水合固化相变的热力学特性………………………………………王洪粱,张保勇,沈 斌,辛 嵩,秦宪礼(317) 二氧化碳水合物浆的蓄冷特性……………………………………………………王洪粱,沈 斌,刘新蕾,秦宪礼(321) ·Ⅲ· 安全科学与工程·3· 24 1 Vol. 24 No. 1 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2014 1 1,2 , 2. Jan. 2014 1,2 , 2,3 (1. , 150022; , 150022; 3. , 150022) ": 。 , 0 25 mol / L SDS ! ,¡ ¢£¤, ¥ ¦§: ¨©ª «¬®¯ I ®°± II ®,²³ 4 0 ~ 7 0 MPa ´µ¶· ¸¹º,»¼½¾ 13 7 ℃ ,½¿ÀÁ ÃÄ, ťį。 ;· #$%:; ; ; ; ÇÈÉ doi:10 3969 / j. issn. 2095- 7262 2014 01 009 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2014)01- 0038- 05 +./01:A Effect of propane on phase equilibrium of gas hydrate WU Qiang1,2 , ZHAO Meirong1,2 , GAO Xia2,3 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. School of Architecture & Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:An effective improvement in the thermodynamic conditions of phase equilibrium for the gas hydrate holds the key for the industrial application of hydratebased technology. This paper introduces the efforts aimed at obtaining phase equilibrium conditions for four kinds of different gas mixtures using the visual hydrate phase equilibrium equipment, combined with the temperature search method and the direct observation method, and analyzes the effect of propane on phase equilibrium of gas hydrate. The results show that the addition of propane permits the hydrate structure to be changed from type I to type II; with the pressure experiment condition of 4. 0 ~ 7. 0 MPa, the gas hydrate phase equilibrium temperature is al lowed to rise by as much as 13. 7 ℃ ; and an increase in propane content produces a better improvement in the phase equilibrium condition. Key words:propane; gas; hydrate; phase equilibrium; hydration storage and transportation 2345: 2013 - 12 - 29 6789: (51334005,51174264,51274267,51104062) ;¡¢£¤¥¦¡¢§¨©ª«¬®¯° ( MRE201008) :;<=>?: ± ²(1959 - ) ,³,´µ¶·¸¹,º»,¼½,¾¿:ÀÁÂçÄÅ,Email:wq0160@ sina. com。 安全科学与工程·1· =1 < 0 ; 39 :,:[\]«¬®ÏÐ 21 , [1] , 。 ( CH4 、 C2 H6 、 C3 H8 、 C4 H10 CO2 ) 、 、 [2 - 3] ,¡¢、£¤¥、¦§¨©ª [4 - 5] Fig. 1 «¬® ®»¼½¾¿ ÄÅ。 ÀÁÂà 。 ¯°±² ³´µ³¶·¸, ¹º«¬ 1 2 '1 DEFGHIJ@AKLMN Experimental setup for high pressure test @AOM Ú SDS °±ù², þ ƹ 、 ½ Ç È É Ê Ë Ì ÍÎ Ï Ð « ¬ ® » 。 Ñ çÚïò “ ” 、“ ” , ÿù SDS îïÂ^, ÿÇ~¡ ÒÓÔÕ Ö × Ø Ù Ú Æ ¹ Û Ü Ý Þ 、 CP / THF / TBAB Ê Ë É ½ Õ 。 ³][\,´µÝ]¶Â^,ƹ Þ 0 25 mol / L ñòóôÉ SDS îï ßà á « ¬ ® ½ â ã [ 6 - 11] 。 åæ ç [ 12] 、 è é ê [ 4] ë ì í î ï ä çËðñò ó ô É SDS õ ¡ ö÷ºøÇÈù , úûüý SDS þÿ ~ ¡ö÷ºø , þ ç Ú ï ò “ ”、 “ ” [ 13] 。 } , ÊËñò ó ô É ´ µ Î , Ë ð ù ÿ ¾ ¿ , û, ú Ê Ë É | { «¬® â ã ä , ¾ ¿ù 。 Ö × ç,·¸ p0 4 0 ~ 7 0 MPa ¡« ¬®。 Â^¹ºñ 1。 ç `@?»©¼½¾¿;ÀÁ SDS;> Ã。 Ý : Ä I φ ( CH4 ) 85% 、 φ ( O2 ) 3% ,φ( N2 ) 7% 、 φ ( CO2 ) 5% ; Ä II φ ( CH4 ) 70% 、φ( O2 ) 3% 、 φ ( N2 ) 22% 、 φ ( CO2 ) 5% ; Ä III φ( CH4 ) 85% 、 φ ( C3 H8 ) 5% 、 φ ( O2 ) 3% 、 φ ( N2 ) 2% 、φ( CO2 )5% ;Ä IV φ( CH4 )70% 、φ( C3 H8 ) 10% 、φ( O2 )3% 、φ( N2 )12% 、φ( CO2 )5% 。 P1 Table 1 DEQGR SDS ST&FGUV@AWX ¾ ¿ « ¬ ® , ç Ë ð Æ ¹ Þ [ \, ñòóôÉ SDS |{ , [\] «¬® Ï Ð , [ \ «¬®âãä½ÇÈ 。 1 1 1 Experimental parameters for gas hydration curing in SDS water Â^ Â^ Ä ÅÆ 1 I 1 -1 1 -2 1 -3 1 -4 2 -1 @ABC 2 II _¢£ ¤ , þ ¥ ¦ § ¡ 、 ¡ ¨ í Í , - 10 ~ 50 ℃ , © 20 MPa; þ ÿªÂ^ í Í ç « ¬ 、  º ®¯ 。 ·2·安全科学与工程 3 III IV 2 45 ~ 17 51 3 27 ~ 4 08 7 5 71 ~ 24 23 4 72 ~ 7 11 4 5 7 5 6 5 83 ~ 24 22 1 85 ~ 19 20 3 21 ~ 22 85 4 77 ~ 7 09 3 08 ~ 24 11 12 45 ~ 23 62 12 11 ~ 20 03 13 67 ~ 22 85 16 95 ~ 24 33 4 -2 5 11 96 ~ 19 57 4 -4 7 6 3 41 ~ 4 12 3 81 ~ 5 12 7 4 4 38 ~ 6 09 1 46 ~ 18 87 3 -4 4 -3 p / MPa 3 51 ~ 5 18 4 3 -3 Â^|{ 2 34 ~ 16 75 3 -1 3 -2 t/ ℃ 5 6 6 4 -1 4 4 2 -3 2 -4 Â^ù « ¬ ®  ^ , 1 。 þ § 、 、 、 、 Ý 。 ç ¡ î ï 150 mL 2 -2 p0 / MPa 4 43 ~ 6 11 3 35 ~ 3 98 4 25 ~ 5 08 5 18 ~ 5 92 6 13 ~ 6 97 11 34 ~ 16 75 3 14 ~ 4 05 13 78 ~ 23 31 4 74 ~ 5 97 16 51 ~ 23 55 3 88 ~ 4 91 5 69 ~ 6 99 40 ¥ 2 2 1 ¦ § ¨ © « 24 ¬ ª 4 - 3 , 2。 3 2 Fig. 2 Relationship curves of temperature and pressure of Fig. 3 Typical pictures of gas hydrate formation and decomposition of gas 4 - 3 hydrate formation and decomposition 2 2 ,A - B , , , ; , B , ¡¢ ¹ º» 3a ;B - C , , , C ; 1 I , C , , , D ;C - D , ; 2 II , ,D - E , E , , ;E - A , , - - , , ¦ AB § ¨© ª« ¯°±²³´ ª , µ ¶ 4 IV ¬® 。 。 III , A 。 A 3 ¡¢ £ , 3b ; ¤¥ , curing in SDS water ¬ ®, · ¸ 2 2 2 2 2 1 Phase equilibrium date for gas hydration , SDS Table 2 4 - 3 p0 / MPa ¬® t/ ℃ p / MPa 1 -1 4 5 38 3 859 1 -2 5 6 76 4 561 1 -3 6 8 61 5 423 1 -4 7 9 97 6 313 2 -1 4 4 98 3 882 2 -2 5 6 49 4 848 2 -3 6 7 78 5 567 2 -4 7 8 41 6 261 3 -1 4 16 50 3 950 3 -2 5 18 60 4 990 3 -3 6 19 80 5 920 3 -4 7 20 80 6 860 4 -1 4 18 50 4 020 4 -2 5 20 20 4 880 4 -3 6 21 70 5 940 4 -4 7 23 10 6 890 ¼½ 2,« 4。 4 ¾,£¤¿À, 1、2 安全科学与工程·3· ·1 ¸ ¹ 3、4 ; , 4 > 3 > 1 > 2。 ® I , ¦ 。 § ¨ I ¯ ° ; II , ©, , : 2 - 2 , 4 8 MPa , 6 5 ℃ , 10% 4 - 2 , 20 2 ℃ , 13 7 ℃ ,10% 67 8% ; 1 - 1 , 3 95 MPa , 5 9 ℃ , 3 - 1 , 16 5 ℃ , 10 6 ℃ ;5% 64 2% 。 。 ,10% 5% 。 , , , 。 II ± ª¨ «¬,£² I II ®, ¯。 °³±, ¢£ I II , II I ,¦, ´。 , ,¤¥ II ²µ, ¨¶ ³´µ¶, ¨¶ §, II ¢·¥, ,, 。 41 ª,¶:«¬ Fig. 4 '4 n@AOMFGHhijop Comparing curves of phase equilibrium of gas hydrate formation for four systems 2 2. 2 '5 Fig. 5 ,, 。 , I、II I , III、IV [3] ¡ 。 ¤¥ ,¡¦, Schematic diagram of hydrate equilibrium for multipleelement gas Table 3 ,¡ I ,¢£ I II 。 , qrROFGHhijstuv P3 , II , II , 5, §, [14] ¨© , ¥, I e、II eFGHYwWX Structure parameters of type I and type II hydrate ¸¹ / nm ± Ⅰ 5 12 2 0. 395 5 6 6 0. 433 5 12 16 0. 391 5 6 8 0. 473 12 2 Ⅱ 12 4 º» ¼ 6X·2Y·46H2 O 8X·16Y·136H2 O ¨© ª, ¤ II «¬, 3 ¡。 II ¢£ ¤ I ¤¥, ¦ II ·4·安全科学与工程 3 (1) ½ ¾ 42 Ã Ä Å Â , 13 7 ℃ , 。 (2) À [6] [7] HOLDER G D, MANGANIELLO D J. Hydrate dissociation pres [12] ing Science, 1982, 37(1) : 9 - 16. [13] [5] SLOAN E D, KOH C A. Clathrate hydrate of natural gas[ M] . 3rd ed. New York: Taylar & Francis Group, 2007. , ¡ ¢ £. THFSDS ¤ , [ J] . § , ¬. TBAB ª CP °± CO2 [ J ] . , 2012, 31 ( 07 ) : , ¬. ² CH4 - C2 H6 - , , , ¬. µ¶· ¸ , ® - , [ J] . ³ ´ , 2011, 40 ¹º[ J] . »¼½·, 2010, 24(5) : 972 - 978. [11] sure minima in multicomponent systems[ J] . Chemical Engineer ² (1) : 15 - 17, 36. vestigations of mixed gas hydrates[ J] . Vibrational Spectroscopy, 2009, 50: 319 - 323. , , H2 O PRASAD P S R, SOWJANYA Y, PRASAD K S. Microraman in ¥ [ J] . , 2010, 29 ( 6 ) : ¯ 1442 - 1448. [9] [10] [4] , ¬. ¤ , , , ¬. 1017 - 1022. : [3] , , , 。 [2] ª «¥ ¦ [ J] . ¨, 2009, 60 ¦[ J] . ¨, 2009, 60(6) : 1362 - 1366. ,, [1] Æ 24 Ç ¨ (5) : 1193 - 1198. [8] , , , , 。 (3) , , . µ¶·¯ , ¬. SDS ª THF ¤ ¥¦[ J] . , §, ¡ ¾ ¤ ¨, 2011, 51(1) : 31 - 35. ¥¦¹º[ J] . »¼½·, 2008, 22(3) : 485 - 488. . ´¿À[ M] . : Á [14] , 2006: 119 - 121. , , . ÂÀ[ M] . : Á , 2008: 65 - 70. ¥¦ ¨, 2010, 39(4) : 484 - 489. , ¡¢£. © ( ) 安全科学与工程·5· 26 3 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2016 5 1,2 , Vol. 26 No. 3 May 2016 1,2 , 3 , 1,2 (1. , 150022; 2. , 150022; 3. , 150022) ! ": , , TBAB、THF CP , Chen - Guo 。 : ¡¢ £¤,THF、TBAB CP ¥¦§ 36. 5、14. 9、5. 1 MPa,¨©¥¦§ 38. 8、17. 2、6. 5 MPa, ª«¬©®¯ °± THF、TBAB、CP。 #$%: ²³; ; ; ´µ doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2016. 03. 001 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2016)03- 0235- 05 +./01:A Effect of thermodynamics promoters on phase equilibrium of mine gas hydrate WU Qiang1,2 , ZHANG Jiahao1,2 , GAO Xia3 , LIU Chuanhai1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Centeral Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is an effort to investigate the influence of thermodynamics promoters on the gas hydrate phase equilibrium. The investigation is performed by obtaining gas hydrate phase equilibrium pa rameters in three kinds of promotion system used in THF, TBAB and CP using a transparent experiment device for gas hydrate phase equilibrium; and analyzing the experimental data in combination with the calculated values of ChenGuo model. Results show that the three thermodynamics promoters leads to an improvement in the conditions of hydrate phase equilibrium, suggesting an average pressure reductions of 36. 5, 14. 9 and 5. 1 MPa and the maximum pressure drops of 38. 8, 17. 2 and 6. 5 MPa respectively in the of THF, TBAB and CP, as occurs when the three thermodynamics promoters have an impact on the gas hydrate phase equilibrium in a descending order of THF, TBAB and CP. Key words:gas mixture; phase equilibrium; thermodynamics promoters; gas hydrate 2345: 2015 - 12 - 14;: 2016 - 03 - 16 6789: (51334005) ;(51334005;51174264;51274267) :;<=>?: ¡ ·6·安全科学与工程 ¢(1959 - ) ,£,¤¥¦§¨©,ª«,¬®,¬®¯°±,²³:´,Email:wq0160@ sina. com。 236 ) ( ' º Õ Õ % 26 $ & ê、 0 、 êëà、 ê à、Ç¿ùê、 @? È。 Óê[ 。 , ,,, , 。 , [1] ¡¢ - 10 ~ 50 °C,ê 20 MPa; - 15 ~ 90 ℃ , ± 0. 2 ℃ ;êëà ± 0. 01 MPa; ê à ± 0. 01 ℃ 。 。 £ ¤ ¥ ¦ § ¨ , © ª «¬ ® ¯ ° ± ¥ ¦ ² ³ ´ µ ¶ · 。 ¸¹ º » ¼ ½ ¾ ¿ À Á Â Ã Ä , Å Æ Ç [2] È 、 É Ç Ê [3 - 4] Ë Ì Í Î Ï ½ [5] ÐÑÒ ¯ ° ± ¥ ¦ , Ó Ô Õ Ö ×»ØÙÆÚÛ 。 Atsadawuth Siangsai [6] Ü ÇÝÞß à ¸ á â ã ä Ã Ä , å æ THF ²Ïç è é ä ê ë ; ì í î [7] ïÅÆ THF è«éð¡ñ²ä °±ê ë ; Yang [8] Fig. 1 » Ø ò  ó Í THF SDS ôõÉö CO 2 + H 2 ô¤²÷ ëÕøëÕÑÒ , åæ THF ùúË« ûü ¤ ý þ ÿ ~ , } ² | é ä ê ë ; Mosayyeb Arjmandi ^ ;Mohammadi [10] »Ø{Þ ÑÒ »Ø TBAB ö ô ( CO 2 + H 2 / CH 4 ) ¯°±ÑÒ , åæ TBAB _`é ä ê ë ;Sun [11] ÃÄ@?>¯^ ¥¦âã CP õÉÇä ¯ ° ± ê ëÇ ; [12] 1 2 1 High pressure experimental equipment for gas hydrate test ,TBAB = [9] TBAB 謮䥦 , [\Ï , ]^ TBAB õÉö TBAB CP Î Ï=ײ CO 2 , »Øåæ CP é CO 2 N 2 ²ä¯°±¥¦ 。 ,THF、TBAB CP ö ä Ð « Ñ Ò , «éäêë 。 ÃÄ. ¡Ô¼«¢£ä, ï=;CP =¤-¥Ô¼=¦ä,ï=; G1 : φ ( CH4 ) = 70. 0% 、 φ ( N2 ) = 23. 7% 、 φ( O2 ) = 6. 3% ,,+*§Ç«¢£¨ :¿=Æ 0. 6 mol / L,ÃÄÇ©> 1。 1 Table 1 ÃÄÇ Ⅰ ÑÒ 。 1 1 ö»Ø¸, ÃÄ/. Ⅱ Ⅲ » ÃÄ, 1 。 · 150 mL :¿= 1 -2 p0 / MPa 3. 6 1 -1 G1 hydrate phase equilibrium experiments ÷ëÕ:¿=ö¯°±² 1 。 Parameters of experimental systems for gas õÉç ¯ ^ Ç È ² , Þ × Ô¼»Øä, ï=;THF = < , ¾ ; ^ ² : ¿ = THF 4. 5 1 -3 4. 9 2 -1 2. 7 2 -2 TBAB 3. 4 2 -3 4. 3 3 -1 5. 0 3 -2 3 -3 CP 5. 4 5. 6 安全科学与工程·7· Ö3 2 × Ø,¾:¹º±² 2 Table 2 2 1 , , 。 : , , , , , , , 2a; , , , 2b, , , ¡¢, , ; £¡¢,£¤¥ ¦ §, 2c, ¨ ©¤ª¥¦ ,§«¬¦, ®¦, ¬¦§¨,©¯°§, t, p, ±²³´ªµ , , ¶«·¸ , 2d,¬¦¯ t, ¹°§, º »¼½, ¾¿, À t、p Á, ¨  。 ¬®¯Ã°± ² ³´µ¶, Ä®·¸ ÃÅÆ¾, Chen - Guo ¹ºÇÈÉÊÃË ¸ ÌÍ。 ÃËÉÊ º 2 ÅÎ。 237 ÙÚ Ï Experimental data of gas hydration parameters of phase equilibrium t / °C p / MPa p c / MPa 21. 2 2. 6 37. 8 22. 3 3. 5 39. 1 1 -3 23. 1 3. 7 42. 5 2 -1 14. 2 2. 4 15. 8 14. 9 3. 1 17. 1 2 -3 16. 7 3. 9 21. 1 3 -1 7. 9 4. 7 7. 9 10. 4 4. 8 10. 3 11. 6 5. 3 11. 8 ±² 1 -1 Ⅰ G1 Ⅱ Ⅲ 1 -2 2 -2 3 -2 THF TBAB CP 3 -3 2 2 »¯¼¨¹º±² ¸ Å µ ¶Ð,ÑÒ - ÓÔÕÖ,º 3 ÅÎ。 ¼¨¹º±² ¾ × , THF Ø Ð ½¸ 36. 5 MPa,TBAB 14. 9 MPa,CP 5. 1 MPa, Ù ¸ ³´Ú¼¨±² ³´®¿À«Á, ÛÜݻޫ [13] ÂÃÄÅÆßÍàÇ 。 ¯È, á´ á´,á´á´ÉâÊ£ Ë,á´ã®·äå ã。 ¼¨¹º± ² THF CP [14] Úæç ,Ì Øè§ ±²½éê [14] , ëì£Ë , £Ë ÍíîÈïÎÉâÊ£ Ë,ðÏÁÐñ, ±²òó, ôÑ a b Ð,¥Òõäå¯Ð。 ö ±²Ó ÷ø , ù¼¨±²¸ ½úû£ËîÈÄ®üýÚ «ÆÁ,Å· ÅÄ。 Ô ±² TBAB , È A È þ B È, ÿÕ½ úû~îÈ c d 2 2 - 3 Fig. 2 Formation and dissociation process of hydrates in 2 - 3 system ·8·安全科学与工程 + 12 2 },TBA |{[î (5 6 þ 5 12 6 3 ) [13] ,î,Àî¨¥Ò ,î¥ÒÄ®ÍíîÈ ïÎÉâÊ£Ë, ¥Ò \,] ^üý, ¥Ò 。 238 Ä Å Æ Ç , a TBAB ¥¦ , § ° 2. 4 ~ 4. 0 MPa , THF b (1) ,THF TBAB THF 22. 2 °C,TBAB 15. 3 °C。 (2 ) CP 4. 7 ~ 5. 3 MPa, 12 °C, THF TBAB 3. 9 MPa , 3. 7 23. 1 16. 7 °C, ± CP 。 (3) THF、TBAB CP ²³¢£ , 36. 5、14. 9、5. 1 MPa, ¥¦ ´ THF、TBAB、CP。 ¨ ©§ª«¬®¯ 。 3 6 . 5 MPa。 , THF ¡ ¢ £ ¤ , CP 。 ¡ É 26 Ê ¼ 17 . 2 MPa,CP , THF 38 . 8 MPa, TBAB È : Fig. 3 3 Phase equilibrium conditions of different solution systems , , , 。 2 ,THF TBAB : [1] TBAB 15 . 3 ° C, [2] 4 . 7 ~ 5 . 3 MPa , 12 ° C, THF TBAB , THF TBAB 。 3 , YANG M J, SONG Y C, LIU Y, et al. 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THF [ J] . 203 - 208. , 2009, 38 (2 ) : ( ) 24 1 Vol. 24 No. 1 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2014 1 Jan. 2014 1,2,3 , 1 (1. , 221008; 2. , 150022; 3. ¡¢, 150022) ! ": , 。 ( CH4 - CO2 - C3 H8 - N2 - O2 ) , ,¡¢£¤¥¦。 §¨ ©ª,«¢¦¬ ®¯°±²³;´µ ¶·¸°。 ¹º»¼ ½¾¿®ÀÁ, ÂÃÄÅ ÆÐÑÒÓÔ ÆÇÈ。 ÉÊ:Ë«ÌÍÎÏÅ ,±ÆÕÖ× Ø。 ; ; ; ÇÈ #$%: ¢ doi:10 3969 / j. issn. 2095- 7262 2014 01 010 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2014)01- 0043- 05 +./01:A Induction time distribution of gas hydrate under different driving forces ZHANG Baoyong1,2,3 , CHENG Yuanping1 (1. National Engineering Research Center for Coal Gas Control, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China; 2. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is focused on evaluating the effect of the driving force on the induction time distributions during the hydrate formation for different gas mixtures containing CH4 - CO2 - C3 H8 - N2 - O2 . The evaluation consists of conducting hydrate crystallization experiments using the visual high pres sure cell and forming the empirical relationships between the induction time and the driving force, based on the induction times under four driving forces and combined with the secondorder polynomial. The study finds that the induction time tends to decrease with an increase in driving force for the same gas mixture, while there occurs a large difference among the induction time for different gas mixtures. The paper also discusses the mechanism of the effect of the driving force on the induction time during the hy drate crystallization process using the variations of the partial molar Gibbs free energy with the driving force. The analysis concludes that the driving force promotes the hydrate crystallization in a range while the higher driving force inhibits the hydrate crystallization. Key words:mine gas hydrate; driving force; induction time; crystallization mechanism 2345: 2013 - 12 - 29 6789: £¤¥¦§(51334005,51174264,51274267,51104062) :;<=>?: ¨©ª(1982 - ) ,«,¬®¯°±,²³´,µ¶·¸, baoyong2002@ 163. com。 ¹º: »¼½¾¿ÀÁÂ,Email:zhang 安全科学与工程·11· 44 0 > = < ; ü / 24 . : ÍÅ (150 mL) 、 ³Í×、 ëÍ×Á Ï×ÊË, 、 、 、 [1 - 5] , 。 1 。 µ³ ³Ë ,³Ø - 10 ~ + 60 ℃ , ³ Ø 0 5 ℃ ,Ï 0 1 ℃ , Êü ¡³。 ¦µÍÅ。 ¢Ø£¤ß¥¦,§¨¨©、 _ , ª«¬ Í 20 MPa, ® ³ Ø - 10 ℃ ~ , , ¡¢ 50 ℃ ,®Ï×ÿ¯³、ÍÏ, ° £¤。 ³Í±²。 ¥¦ §¨©ª [3] [1] «¬®¯ 。 °±² {ÿ Δp ´µ¶ tind ,³ÊË×´Þ 1 。 ³´µ¶·¸ ( ¹º 、 »º 、 ¼º 、 ½¾ ¿À Á  ¿ à ) Ä Å Æ Ç w( NaCl) = 3 5% ÈÉ¥¹ºÁ½¾¿À Ê Ë , Ì ÍÎÏ [3] Ð Ñ Ò Ó ; Ô Õ Ö¹º ×, ÊËÞß , øÑ³Ø¶ùúÍûü ,CO2 É¿ ýû þ , û ü , Ò û þ 。 ÿ ø ³ Ø ¶ , ~ × Ä × ä [9 - 10] 。 í Íëü , ·Ä} ¥ ì ~ | Ñ , Ä×ä , øÑÍ [11 - 12] 。 È³ØÆø¨ Ï , Ç~Ø øÑØ ÿ´µ¶ÒÏ 0 5% NaCl ÈÉ ×¥¡¢ÊË, Æ[ \Ñ。 1 1 1 @ABC '1 DEFGHIJ@ABC Fig. 1 Systematic diagram of highpressure experimental K1 LMNOPQRSTMFGHUVWX@AYZ equipment for gas hydrate crystallization Table 1 ÊË × A G1 , 。 ,{ [7] íîï ð Ö ¦ ñ Ö ; òó [8] Ü ô õ ö ÷ ½ ¾ ¿ À ÊË , ®ÝÞß ,CO 2 Ïàáàâ CO 2 Ò CH 4 - CO 2 è é , è ¥ CO 2 ê Ò ë ì ÓÖ³ØÁ͹ºÙÁ½¾¿À [6] Ù ; Ú Û Ü Ö ½ ¾ ¿ À ãä ; åæç B G2 , C G3 Experimental conditions for systems ÊË ÊËö÷´µ µ¶ w( NaCl) / % Δp / MPa 1 -1 0. 50 1 -2 1 -3 0 5 1 00 1 50 1 -4 2 00 2 -1 0. 50 2 -2 2 -3 0 5 1 00 1 50 2 -4 2 00 3 -1 0. 50 3 -2 3 -3 3 -4 0 5 1 00 1 50 t0 / ℃ 12 16 14 2 00 ÊË]^³ ·12·安全科学与工程 ³Ë、 ÊË¥`@?·ßí«¸¹º þ¸è。 ¸ : G1 ´1 µ 45 ¶·,¸:«©± φ( CH4 ) = 85% 、 φ( CO2 ) = 5% 、 φ ( C3 H8 ) = 5% 、 φ( N2 ) = 2% 、φ ( O2 ) = 3% ;G2 φ ( CH4 ) = 70% 、 φ( CO2 ) = 5% 、 φ( C3 H8 ) = 10% 、 φ ( N2 ) = 12% 、 φ( O2 ) = 3% ;G3 φ( CH4 ) = 55% 、 φ ( CO2 ) = 5% 、 φ( C3 H8 ) = 15% 、 φ( N2 ) = 22% 、 φ ( O2 ) = 3% 。 NaCl , 。 1 2 (1) 。 60 mL 、 150 mL 、 w( NaCl) = 0 5% 、 、 、 。 , (2) 。 , 。 , , , , 。 , , 、 。 (3) 。 ¡¢£¤ , CCD ¦§¡§。 ,¨©ª«¬®¯ 。 2 2 1 C 2 C 3 - 1 Fig. 2 3 - 1 ° , ±²³´¡¢ 181 min , ¸¹º»¨¼½¾ ¿À , ¶· 2a Á ; 202 min , ¤Â¼½¥®À¦ , ¶· 2b Á;ÃÄÅ, 233 min , § ¨ ¼ ½ Æ Ç À ¦ , ¶ · 2 c Á ; È 275 min, É © , Ê˦ , ¦¥ , ¶· 2 d Á 。 3 - 1 °, ¦ p - T - tÌͶ· 3 Á。 η 3 £ 181 min , «ª, ÏЫ£Ñ ª¦Ò,Ó¦,¬Ô¡Õ® Ö×。 test system 3 - 1 。 µ¶· 2。 £ Typical photograph of hydrate formation in ¥, 3 Fig. 3 2 2 3 -1 - - Variations of pressure and temperature with time during hydration formation process for test 3 - 1 د, Ù¨Ú £ÛÜ« ©°±ÝÀ·, ¶· 4 Á。 Î «Þ: AC ¦ t ind Δp ²³ß; ³ 安全科学与工程·13· 46 Å Æ Ç È B ,t ind Δp 。 Δp≤1 5 MPa , , 。 C , G1 2 MPa É Ë 24 Ì Ê ,¦ 0 980、1. 000 ¯ 1. 000。 § ,ª¡«¬§¨©ª¢ § 5 §«:(1) ¬ ®¯°, °¤ 1 3 MPa , 。 NaCl 0 5% , 3 - 1 G1 ± ±¤ G2 G3 ; ¤ 1 31 MPa , G1 71 min, 3 - 1 110 min; 3 - 3 , 1 5 MPa , ± 0 5 MPa 181 min; 3 - 2 , 1 0 MPa , °¤ G2 , ¤ G3 ; °¤ 1 2 MPa , G3 ± 153 min, 28 min, 3 - 1 3 - 2 43 min; 3 - 4 , 2 0 MPa , 8 min, 3 -1 173 min, 3 - 2 63 min, 3 - 3 20 min。 ±¤ G2 , ¤ 1 2 MPa, ¤ G3 。 ²²³³ G2 ± :´µ¶·±´ ,µ ¸, ¶¹º; ®·¸» 85% º¼,·¸» 55% ± (2) ,®·¸» 70% ¹º¼°。 !"# !!" ¹ ¹º¡ !## '4' &%% '"# (%% 44 "5 &6 "% 76 "!87 "' )*+,-.)* )*+,-.)* $"% 9' &4 4 % : %/",012 '4 ; < (,012 (3",012 &,012 /()*+0&((&12&&3456!&32" /!)*+048&7!22395!&" /&)*+0!4&7'&'325!&" %3" rs@AYZSDEtYFGHu^UVWX(v Fig. 4 Induction time distributions during gas hydrate crystallization for different experimental system , , 。 。 B , 2 - 4 51 min, 2 - 3 49 min 3 min。 , , [13] 。 Moudratkovski I L [14] , , ,,¡¢ 。 £ , 5 。 ¤¥¦ Δp § ¨©ª¡«¬¢ G2 、G3 ,¥ ¯ ·14·安全科学与工程 tind 。 G1 、 ¢ 5 £, ®¤ '5 (3% (3" -:;< &3% rsNOPSDEtYFGHu^UVWXmn Fig. 5 Variations of induction time with driving force for different gas mixtures , 。 !"# !## $"% &%% '"# (%% "% % 2 3 wx(q Christiansen ¯ Sloan [15] , »£ , ¼¤½¾½¾¿ ¶。 À、 Á¶Â¨ Gibbs ÿ[12] eq exp eq exp ΔG = V L ( p - p ) + RTx i ln( f / f ) + V H ( p exp - p eq ) - S( T eq - T exp ) = ΔV( p exp - p eq ) + RTx i ln( f eq / f exp ) - S( T eq - T exp ) , :V L 、V H ———、¾½»,cm / mol; 3 3 ΔV———§¾½»,cm / mol; p eq 、p exp ———、Á,MPa; f eq 、f exp ———、,MPa; T eq 、T exp ———、À,℃ ; x i ———i ľ½Ä。 ¥¥¦, 6 ®«Ä 1 ï Ýðñ,Ñ:³ 47 ¸©ª«¬ 。 : [16] 。 (4) Gibbs à ® ¦Ã。 à : , 6 - ; ¤ , Gibbs 。 。 , ¦Æ , ,Gibbs , , , , , 6 。 , < ,,¡ ¡¢£。 ¤ ¥, ¥ ¦,§¨©ª«¬, 6 。 ¤® - ¯°。 Fig. 6 3 Mechanism of effects of driving force on hydrate crystallization for gas mixtures : [1] [2] [3] [5] ÐÕ, §¦¨, . Ö·¡×Ø[ M] . , , 2008. , ɶ, Ñ. ©ª«¬Û ©ÄÜ[ J] . ¦ÒÖ·, 2005, 16(2) : 255 - 260. Ý·, Þ, , Ñ. ªÙ« ÌÍß[ J] . Ï·Ô, 2013, 13(4) : 715 - 719. à á, , «. âÙã Í[ J] . ¦ÒÙÏ, 2013(38) : 38 - 41. Ì äåæ, Ð, , Ñ. CH4 - CO2 ç [8] è [9] [ J] . ÙÏ, 2013, 42(5) : 479 - 482. é, , Ð, Ñ. êëìíâÙã ÌÍ[ J] . ¬ ¡, 2012, 30(1) : 13 - 17. ¡. ¢ £ ® ¯ 1999, 15(2) : 24 - 25. « [ J] . î ì í ¤ ¯, [10] ° [11] MENTON P D, PARRISH W R, SLOAN E D. Effect of inhibi [12] · ,³ , ¥, ¦§. ¨©ª®«¬¡®±² ³ÌÍ[ J] . ìíÏ, 2000, 18(3) : 59 - 61. tors on hydrate formation [ J] . Ind Eng Chem Proc Des Dev, [13] ©ª«¬ ²·½。 (3) ³´ 、³ µ¶ , ³ º©ª«¬³。 ¿À, ®Á ² 85% ©ª«¬, Á ² 55% ©ª« ¬ , Á  ² 70% 。 MOUDRATKOVSKI I L, SANCHEZ A A, RATCLIFFE C I, et al. 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The exploration consists of investigating the effects of the gas component, NaCl concentration and driving force Δp on the induction time of gas hydrate using the independently designed visual high pressure experimental hydration apparatus; determining the influential intensity and significance levels of the three factors on the induction time by nucleation kinetics experiments; and analyzing the experimental data by range and variance methods. The study demonstrates that the decreased methane and increased propane leads to an initial increase and subsequent decrease in the induction times of the gas mixtures; an increase in NaCl concentration or the driving force Δp is accompanied by a gradual reduction in the av erage induction times of hydrates; gas hydrate has the shortest induction time in the case of G2 gas sam ple, 3. 5% NaCl concentration and 1. 5 MPa driving force Δp; and the driving force Δp exerts a more significant effect on the induction time than does the gas component, while NaCl concentration has a wea ker significance. Key words:gas hydrate; nucleation kinetics; induction time; influence factor; significance level 2345: 2016 - 02 - 29 6789: (51334005) ;(51274267;51404102) :; < = > ?: ( 1982 - ) , , ¡ ¢ £ ¤ ¥, ¦ § ¨, © ª, « ¬: ® ¯ ° ± ², Email: zhangbaoyong2002 @ 163. com。 ·16·安全科学与工程 &2 , 0 1 , , [1] 123 %$#,Ó:¾¿Ú÷øù}|:-]^ ¤¥ô¦´,§¨ 1 ©。 m , 。 2012 , 114 38 m , 76 ¾¿ÚäÙìí¡ÏÆÝû¢£â´ 、 、 3 m , 3 3 。 , ¡¢£¤¥ ¦,§¨©ª«¬®。 ¯,°±²³´©µ¶ ·¸¹º。 2005 ,»¼[2 - 3] µ½ ¾¿£¤ À´©, ÁÂÃÄÅ´©¹ [4 - 5] ºÆÇ,ÂÈÉ´©ÊËÌÍ、ÎÏÐ ÑÒÓÔÕ 。 Fig. 1 1 Process of gas hydrate formation ¾¿´©£¤Ö¿Ï×´ ( CH4 、N2 、O2 Ó) ØÙ¾¿ÚÆÛÜÌÝÊËÞß, à CH4 áâ·ã便åæ, çèéç Ö¿Ï´©µ¶ê。 Ï뾿Úä [6] Ùìíî﾿ÚðëÙñÍäòóôõö ,÷ øù¾¿ÚÙñúûüýþ, ÿ~÷ øù}|{[\ ]^, É_`@?½ ¾¿>ÊË, ~´©£¤>=<ÈÉü 。 ê, ÿ~Ï뾿Ú÷øù} |\ é ]^>。 ~״ֿϾ¿Ú]^ [7 - 9] ,Ï×´Þß}|¾¿ÚØÙ ûÊË, }|¾¿Ú÷øù; ~ NaCl [10 - 14] 뾿Ú]^é ,ÆÇ¶¾ë¾¿Ú äÙ Ý û , ² ³ û NaCl ´þ,  ´( AB) ,Ïëµ¶·¸,ÏÆÝû¹,´ Ïë´±Á¾´±ØÙº» ( b1 ) 。 Ïë ÛÜ+,¾¿Ú ´ º,º»¾ì¿ÀÁÂÃÄ,ÃÄÅÆÇ ( b2 ) ,º»ÃÄ;ÈÉÇÊË ( c) ,ÉǾ¿ÚÙñ+。 ¾¿Ú ( CD) ,Ïë·¸ÌÍ,Ýû¹,¡ ¾¿Ú äòæÎ。 ¾¿Ú÷øù½é²þâÏÐë Ѿ¿ÚÆÒù, ¾¿ÚØÙìíü ýþ。 ÓÔ-Ýû - ùÕÖÏÆ ·, è ÙÚ-]^:¾Û뾿 [15 - 18] ,äÙ¾¿Ú Ú÷øù,Û¹ºÁÄÅÂ-ÆÇÈÉ ¾¿Ú÷øù;~Ý -ÜþÝ、þ+´ÞßÍæ*âàÓá+,â ¾ìÝ-~æ [19 - 23] ú û²ÏëÏÆÍ¾¿ÚÆÞ, Ì æ* ²,ëÝû, ÏÆÍ¾¿ÚÆÞ 2 úû;;Ýû; ¼äòõö Ýû¤Ûײöùؤ÷øù。 » ûÊ˾¿Ú]^é ;, ¼Ùñìí ( BC) , Ýû½` , ø¾¿Úðë½, ²í ¾¿ÚäÙ, ª«¬®¯°ë´± ( a) , ²³Ï “ ; ” , ÀÞ͹޴½ 。 Ï뾿ÚðñØÙÍäò。 , ³ , è:Ê ¾¿úû-Ï Ë¾¿Ú÷øù}|]^/}|: ×´âÇ,ã)('¾ÉÔ³ÏëÉäåæµ :~¾¿ÚäÙɲ ùÕÇ .。 ¯, Ý⾿- \ NaCl Ï뾿ÚÙñúû -,,Ïë×´、NaCl ´þ/ú û Δp ~÷øù}|/Õ{[。 ç。  , G1 : φ ( CH4 ) = 85% , φ ( CO2 ) = 5% , φ( C3 H8 ) = 5% 、 φ ( N2 ) = 2% 、 φ ( O2 ) = 3% ; G2 : φ( CH4 ) = 70% 、φ ( CO2 ) = 5% 、 φ ( C3 H8 ) = 10% 、 φ( N2 ) = 12% 、φ ( O2 ) = 3% ; G3 : φ ( CH4 ) = 55% 、 φ( CO2 ) = 5% 、 φ ( C3 H8 ) = 15% 、 φ ( N2 ) = 22% 、 安全科学与工程·17· ¾ ¿ À Á  à φ( O2 ) = 3% 。 NaCl 99. 5% , 。 Å 26 Æ Ä !"# $%& '()*+ '= 。 1 。 1 >"? ,-& ./0 124 Table 1 Factors and levels for nucleation kinetics gas hydrates 1'"<; ( x) 1'234 ( A) w( NaCl) ( B) / % Δp( C) / MPa G1 ~ G3 0. 5 ~ 3. 5 0. 5 ~ 1. 5 1 G1 0. 5 0. 5 2 G2 2. 0 1. 0 3 G3 3. 5 1. 5 9:; Fig. 2 , 2 。 : , , 150 mL, 20 MPa; , ;, 、 、 ; , / 、 CCD 、 。 Table 2 2 2 5678& Highpressure experimental equipment for gas hydration kinetics 3 3 1 NaCl , ( 2) ,¡¢£。 、 NaCl 、¤ Δp ¡ ¥¦§¨© ¢£,«ª¬§,«¡® ª ¢£¤¥¦,¨£§¨©, Experimental scheme of induction time for gas hydration kinetics ¢£ t / min ª« A B C D( ¬) p / MPa 1 G1 θ/ ℃ 0. 5 0. 5 1 5. 90 12. 00 335 3. 5 1. 5 3 6. 50 7. 00 31 2 G1 4 G2 6 G2 2. 0 G1 3 7 G3 9 G3 2 1. 0 2. 0 1 0. 5 0. 5 2 0. 5 3. 5 ¯,®¯° ¤ ²¤, ·¸¹ ¥¦§¨,º 2。 3. 2. 1 »±¼³½´°¾µ¶· ·18·安全科学与工程 ¿¸»±¹º 5. 80 16. 00 13. 00 14. 00 13. 50 5. 70 14. 00 153 53 35 72 28 169 67 °¼。 °¾ x( A,B,C) ¥¦§¨¦µ«: À»µ¼ 3 K = ΣY ij ,i = 1,2,3, x i 16. 00 4. 00 1 ± L9 (3 ) 。 °² D ³ ¬³,®´°µ±。 ¶ °² 4 5. 35 5. 00 3 1. 0 11. 00 5. 70 2 1. 5 2. 0 5. 50 3 1. 5 3. 5 G3 8 1. 0 0. 5 G2 5 3 2 j =1 x i k xi = K / 3,i = 1,2,3, Á:K ——— x i ¢¦µ; x i (1) (2) k xi ——— x ÃÀ§,«¡À ÄŽÆ。 2 ³ ´µ¶,·: Kxi i ( ) [24] , 3。 3 Table 3 Range chart of three factors effect for gas hydrates min A B - t C 1 2 173. 00 3 53. 33 138. 67 88. 00 119. 00 192. 00 56. 67 91. 00 31. 33 , 3. 5% , , NaCl :3. 5% > 2. 0% > 0. 5% ;, Δp , ¡ ,¡; 1. 5 MPa > 1. 0 MPa > 0. 5 MPa。 , ¢ £: G2 、NaCl 3. 5% 、 Δp1. 5 MPa。 ¤ , ¥¦ 。 §¨ ©¡ª«, ¬ x , x 。 x 。 , , ,, 3。 125 ¸¹ ¢£¤ ®¥¯°,¦±²³, § ¨。 3. 2. 2 ¨©ª«ª« ´ — µ 。 Y: 9 1 Y = ΣY i = 104. 78, 9 i =1 — 3 Fig. 3 Histogram of average induction times of gas hydrate formation ·¸ ®。 «¯ ¹º ¯» fF » f E ,f F = f E = 2。 «¬¨¼ ¯¯», 3 , A、 B、 C 119. 67、82. 00、160. 67 min。 Δp Δp , 。 , — ¶ x «¬¨ 3 j =1 (3) Q x = Σ( k xj - Y) 2 = 18 024. 22,x = 1,2,3, (4) ¬¨, « ¬¨°±½ ¨± F x ,F x ¾¿¦ x , ¨± Fx ¡ , x ¡。 ¨± À²¯»(2,2) F Á, 0. 20 0. 25,à F0. 20 F0. 25 ÄÅ,Æ :C( Δp) > A( ) > B( NaCl ) 。 :, G1 G3 4 ¶。 A、B、C ¨± 3. 02、1. 46、 5. 26, C F0. 20 ÄÅ, A ÄÅ NaCl , ,¬ C 。 G2 , G2 > G3 > G1 ; , Table 4 4 F0. 25 , A、C( 、 Δp) °± B(NaCl ) Ç Analysis of influence factors for nucleation kinetics of gas hydrates ÄÅ F a ( x) ¬¨ ¯» ¬¨ ¨± F ( A) 119. 67 22 746. 89 2 11 373. 44 3. 02 w( NaCl) ( B) 82. 00 10 996. 22 2 5 498. 11 1. 46 F0. 20 (2. 2) = 4 Δp( C) 160. 67 39 574. 89 2 19 787. 44 5. 26 F0. 25 (2. 2) = 3 7 523. 56 2 3 761. 78 «( D) È 安全科学与工程·19· 126 Ô 3. 2. 3 Õ Ö × , Δp 。 , ,, 。 , , , 。 - Gibbs [6] : ΔG = V L ( p exp - p eq ) + RT Σx i 1n V H ( p exp - p eq ) , ( ff ) + Ø µ µ Ú 26 Û Ù ÉÊ Ë§¨, ±©¦ÌÆ © 12 4 À 5 6 , ¸´, ½¾² ¶¸Ⅱ, ʸ [27] ÍÎÌ¿À ( À HS ⅡÀ ) , ½©³´µ ·¸ 4 。 «¿¬¬ G3 ¨¥¤ , ¨¸ ¤,¹Ì¿ ¬º。 À »¼ª ´, 。 «¿¬ ½。 ® i,eq i,exp (5) :V L 、V H ———; p exp 、p eq ———; f i,exp 、f i,eq ——— ; x i ——— i( ) 。 Δp , Gibbs ,。 Δp , 。 , 4 Fig. 4 Ⅱ 5 6 12 Two different connections of 5 12 6 4 cavities of type II gas hydrates ¹,±ÍÎÌ¿£¤¡Ð¿À½。 Ñ ¡ §¨, © [25] [6] ¦ Chen - Guo ª´µ¶ , · , ¸, ¦¡¹º ¦, ¢ , £»,£¼,§£½¾ ¸§¿£。 ¦ ªⅡ, À , ¥ ½ÁƸ ¨¤¸ 5 6 12 [31 - 33] ,À ®©· Á¨¸ ª , 。 Nslund ´ ) ¸ ¹ X  - ¡Â£,Ä Na ¡Â,¾Ï + Ÿ³À , ³ 。 Ѧ³ ,À Æ, ³À ¸, 。 £¼,NaCl Æ,© ª¾Ï¡¹ÆÇ,±·ÂÈ。 4 (1) ¹É£¤ÊÓ «¬。 ¯½®° © ¦ > NaCl Ó«¿¡£¤ ¡´ Δp > 。 ¬ G2 、NaCl À ( Competing Structures) ¡Ⅱ 3. 5% 、 1. 5 MPa «¬ È 8 Æ §Æ£¤, ⅡÀ ¢Ç 12 4 (5 6 ) 32 Æ ¸ ¤。 ¬ ·20·安全科学与工程 » à NaCl ,NaCl Cl © 。 «¿¬ G1 ¨ Â,¨ ®¸®, ¨ Â, ÀÂÃÄ, £¼ G1 ¤Å。 [34] ( XAS) X  ( XRS) , ÒÑ 4 À ¥¦§§´ , ¼À¨ », ¡¹ ³ ( ´ ª « ¬ ®¯°±²³ [26 - 30] ,ªⅡ。 4 , NaCl © ª Ê § ¾ Ï ¡ ¢£¤, ¥。 ¦ (2) Δp © Õ2 Ö 。 Δp , , 。 (3) NaCl , [17] [18] Δp , 、 2012, 36(5) : 110 - 113. 。 。 : . [19] [20] 24: 3 - 5. [2] , , . . ¥¦§¨[ J] . ¢¡ , (4) : 593 - 599. [5] , ª«, . ° [25] , ,± , . NaCl [26] [27] . ²³¥¢¦ , , ¢, 2010: 41 - 68. , . ´² ¦§¨[ J] . µ, 2015, 44(1) : 127 - 132. [9] ration and Purification Technology, 2014, 123: 139 - 144. media [ J] . International Journal of Thermophysics, 2012, 33 , , ª«, . NaCl - SDS ¢ ¶ [ J] . ¢ ¤, 2015, 40 (10) : 2430 - 2436. [12] ª«, , [29] , . NaCl ·¸ KOMATSU H, OTA M, SMITH R L, et al. Review of CO 2 CH4 clathrate hydrate replacement reaction laboratory studies [30] Chemical Engineers, 2013, 44(4) : 517 - 537. , , , . ¹º» ¼½¦§[ J] . , 2014, 33(6) : 813 - 821. [15] , , ¾. ²¿ À¦§¨[ J] . Á¾Â¨, 2015, 3(2) : 131 - 138. [16] ¥¾ ¿ À ¿ À [ J ] . ¡ ¤, 2014, 32 Å, 2006: 165 - 174. ³¥[ M] . ÃÑ:ÃÄ ¢ ¥, ¦Ë§, ƪ¢. ¢Ò¡©[ M] . Ä Ç: ¢µ¯Å, 2008: 68 - 69. ¡ », ÈÉ , ÊË. ÌÍ« CO2 Î ¦§¨[ J] . µ¨, 2012, 31(6) : 1338 - 1346. CHRISTIANSEN R, SLOAN E D. Mechanisms and kinetics of hydrate formation [ J] . Annals of New York Academy of Sci HANSEN S B, BERG R W. 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National Centeral Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper seeks to delve more deeply into the kinetics effect of driving force on gas hy drate crystal nucleation process. The exploration is accomplished by performing hydrate crystal nucleation kinetics experiment on three gas samples using the selfmade experiment system for gas hydrate growth ki netics and using four driving forces; and analyzing the influence mechanism of driving force according to the law behind the change in the induction time of each system hydrate crystal nucleation. The results show that the process in which the driving force increases from 1 MPa to 4 MPa is accompanied by three respective reductions from 14, 10 and 10 min on 1 MPa to 4, 4 and 5 min on 4 MPa, in the induction time of three gas samples crystal nucleation, suggesting a total reduction of 50. 0% — 71. 4% . The in creased driving force contributes to speeding up the gas solution, improving the gas content in liquid phase, promoting crystal nucleation, and producing bigger driving force and therefore a more significant action effect. The research may provide a reference basis for the perfect application of gas hydrate tech nology. Key words:gas hydrate; driving force; crystal nucleation; induction time 2345: 2016 - 03 - 11 6789: (51334005) ;(51404102;51274267) :;<=>?: (1982 - ) ,,¡¢£,¤¥¦,§¨,©ª: ·22·安全科学与工程 «¬®¯°,Email:408746270@ qq. com。 "3 ! 0 ~}|,:-îí 241 üî\] ( CH4 、 C2 H6 、 CO2 、 H2 S ) [1] , 、 - 15 ~ 10 ℃ , 、 [2 - 3] 。 , ¡¢£ CH4 ¤ ¥¦,§¨©ª«¨¬®¯ CH4 、 [4 - 6] ,µ °±² ³´ 0 ℃ ¶ CH4 、O2 、N2 °±²· °) °ÅÆ, ÇÈ¡ CH4 §É¯ 。 ÊËÌÍ、 Î Ï、ÆÎаÑ,Ò ©、ÒÓÔ、ÕÖ ×Ø ,ÙºÚÛÜÝÚÞß, [9] ༧áâãäåæç 。 è, éêë ìí CH4 Üîïð ñò。 óôõ ö÷ CH4 - CO2 ø ܺÚ,¡ CO2 ùúû [10] [11] üýþ¶ÿ;~}| ñò SDS í [12] Ü{[\]; ^_ ñò NaCl í [13] üýþ¶ÿ\]; ~_ ïð `¯ üî½。 @?ñ ò¬®£Û>=<、 ;:¯/ Ê.,í-î¸ÜºÚÛ,®î \]æç+。 ¸Ý* áâã,Û`¯¸ñòí, ³´-î ½<: ½'(¼、 &%$à。 ¯ Ñ: G1 , φ ( CH4 ) = 60. 0% , φ ( N2 ) = 31. 6% , φ( O2 ) = 8. 4% ; G2 , φ ( CH4 ) = 70. 0% , φ ( N2 ) = 23. 7% , φ( O2 ) = 6. 3% ; G3 , φ ( CH4 ) = 80. 0% , φ( N2 ) = 15. 8% ,φ( O2 ) = 4. 2% 。 2 ℃ ¶°±² p Chen - Guo ,·¸ 4. 78、4. 23、3. 77 MPa, ¨#@ [15] ïð³´-î Δp ¸ 1、2、3、4 MPa Üî½。 §Û, {¸ 120 r / min。 2 2 1 GHKL I - 1 ¸,½ 5. 77 MPa, 2 ℃, { 120 r / min。 ãÝ 14 min ¶,ê.¡õ¡¢,¶ 5. 65 MPa, 4. 79 ℃。 2 ¸ I - 1 ܺÚÛ°、£¶ÿƤ¥。 üºÚÛî。 1 high pressure test ÝÜî½, [14] üýþ¶ÿ ¸), -î @ABCDEFGHIJ Experimental setup of mine gas hydration for [7 - 8] '1 Fig. 1 O2 、N2 ¸ 2. 56、11. 10、14. 30 MPa,¹º»¼½¾¿ ¯ CH4 ÀÁ°Ãİ ( 1 ¸(¬ñ¼ùÜî ½Ì。 ̬® »¼ 、 ù ã、£Ì¯ 。 §Ûù ã 1 L, ù { 120 r / min, 30 MPa, - 10 ~ 50 ℃ ; £Ì ¸、Ë ,¶£½ºÚ Ûê、è, ± 0. 01 ℃ , '2 Fig. 2 BCDMNOPFQ、RSTUVWX#Y Variations of pressure and temperature with time during gas hydrate growth process ü ± 0. 01 MPa。 £¦ ü§³¨©`, ïª {Ü; ã 30 min ¶, 㫬®¯ó° 安全科学与工程·23· 242 ½ ¾ ¿ À Á 1 , , 3a, 5. 59 MPa, Table 1 4. 61 ℃ ; 60 min , , , 3b, 5. 42 MPa, ,, , 3c, 5. 23 MPa, 3. 69 ℃ ; 210 min , ,, , 3d,、 , 2. 2 ℃ , 4. 99 MPa。 , gas hydrate formation Δp / MPa t / min 5. 78 1 14 6. 78 2 7 7. 78 3 5 Ⅰ -4 8. 78 4 4 Ⅱ -1 5. 23 1 10 6. 23 2 6 7. 23 3 4 Ⅱ -4 8. 23 4 4 Ⅲ -1 4. 77 1 10 5. 77 2 9 6. 77 3 6 7. 77 4 5 «¬±² ¤ θ0 / ℃ °ª p0 / MPa Ⅰ -1 Ⅰ -2 G1 Ⅰ -3 Ⅱ -2 2 G2 Ⅱ -3 Ⅲ -2 2 G3 Ⅲ -3 2 Ⅲ -4 a 30 min Experimental results of kinetics of , 4. 01 ℃ ; 90 min , à 26 Ä Â ®¯°±³´, µ¶²³£® ¯´,µ¬®¯´ b 60 min ´。 4 ¶¤¡¢¤·¸¹。 c 90 min 3 Fig. 3 2 2 d 218 min Typical photographs of gas hydrate growth process in test I - 1 Fig. 4 , [6] , 。 , 。 ¢ ¡¢££¤¥:¦§,¤¨¥ , ¡ [16 - 17] ; ¦§©ª« ¨¢ ¦©,¤¨¥¦§©ª« [17 - 18] 。¥ ¬®¯¨¢ ·24·安全科学与工程 1 。 I - 1 4 Induction time distributions during gas hydrate nucleation for different systems º 1 4 ¡¢¼ ¬»®,¶°ª ½¾¿À。 · ¸¹ 4 MPa ¥ 1 ,°ª G1 ¡ ¢¥ 14 º» 4 min, Áº» 10 min; °ª G2 ¥ 10 º» 4 min, Áº» 6 min; °ª G3 ¥ 10 º» 5 min,Áº» 5 min, ¬Ã ,º»¡¢,¼ Ä 。 ¼ , ¡¢º» 50. 0% ~ 71. 4% 。 Þ3 ß 2 3 ¿ÀÁ,:µ 、 、 。 , [ 19] , , , , , , , ; , Δ G [ 20] , ΔG > 0 , , ; Δ G = 0 , [ 2] , , ¡ ¢ £ ¤ ΔG , , § ¨ [ 6] ,¥¦ , ; ©, , « ¬ , £ [3 ] «¬, £ ±²。 3 ,§¨ [4] §, . ¨© ¡ [ J] . ¹º»¼½µµ¾, 2014, 24(1) : 38 - 42. 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( ) 安全科学与工程·25· 26 6 2016 11 Vol. 26 No. 6 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 1,2 , 1,2 , 1,2 , 1,2 , 1,2 , , , 150022; (1. 2. Nov. 2016 1,2 , 150022) " : , , 0、500 mg / L SDS 、NaCl 3% 、6% ! 9% ,¡¢ 。 £¤¥¦§¨©ª« 。 £¬®¯:°±²³´µ ¶·; ¸¹°±º»,4 ¼ ½ ¾¿À ¨©ª« Ê ÁÂÃÄÅÆÇ ÅÆ; È NaCl ÉÊ, ËÌͰ±º»。 NaCl - SDS Î ½ÏÐÑÒ¨©ª«, Ó 。 #$%: ÇÔÕ; ; Ö×; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2016. 06. 007 &'()*:TQ223; O643. 32 +,-*:2095- 7262(2016)06- 0621- 06 +./01:A Resistance characteristic of gas hydrate formation process Zhang Qiang1,2 , Guo Chaowei1,2 , Chen Fugang1,2 , Li Yuanji1,2 , Shi Haonan1,2 Wei Bitian1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China; 2. National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang U niversity of Science & Technology, Harbin 150022,China) Abstract:This paper is driven by the need for investigating the law governing the dynamics function and saturation distribution in the forming process of gas hydrate. The investigation involves using gas hy drate impedance testing experiment device to perform the kinetics experiments of mine gas hydrate under the condition of adding different concentrations of SDS(0, 500 mg / L) solution and NaCl(3% , 6% and 9% ) solution composite systems; and calculating gas hydrate growth rate and saturation using mathematical models. The experiment demonstrates that resistance change law can define the forming characteristic of hy drate; resistance change trend underlies the main concentration of gas hydrate in the 4 groups of experimen tal systems in the upper and middle layers of the experimental kettle; and an increase in NaCl concentration is followed by a decreasing trend in the growth rate and saturation of gas hydrate. NaClSDS mixed solution system enables an increased hydrate growth rate and an increased saturation of gas hydrate. Key words:coal and gas outburst; mine gas hydrate; resistance detecting technology; resistance 2345: 2016 - 10 - 16 6789: (509647011) ;2016 ¡¢£¤( heilongjiang - 0002 - 2016AQ) ; ¥¦§¦¨©ª«( AQ2016006) :;<=>?: ¬ ® ( 1986 - ) , ¯, ¥ ° ± ² ³, ´ µ, ¶ · 163. com。 ·26·安全科学与工程 , ¸ ¹: º » ¡ ¼ ½ ¾, Email: zq3946630 @ 622 0 : / . - , Ê Ê * 26 ) + °úûâµ±²,þ ¬ NaCl ׳¢ ²³ñò,´²³µ,¨©¶\ܲ³À ( “ ” ) , 、 ñò·è,?ëâ,?>·è。 1 2 ¸Ì͹, <̦¯^²³ ?>º»,¼½ 1 ¾¿。 [1] 。 2010 ~ 2015 , 44 , 327 [2] , 36. 78% [3] 34. 45% 。 ¡¢ [4] [5 - 8] £¤¥,¦§¨¢© 。 ª« ¬ 2003 ®¯°±²³´µ¶·¸¹ º»,¼½¯ ¾¿²³ÀÁ [9] Âà 。 ¿ÄÅÆÇ, ÈÉÊËÌÍÎÏÐÑÎÒ ÓÃÔ,ÁÕÖרÎÒÙ,ÚÛ²³ÀÜ [10 - 14] 。 ÈÉÌÍÎÏ,àØáâÐ ÝÞß ã¯àÈ - ØÈäßÀåæç, ®è¯²³Àé [15,16] 。 ì í î « [17] Ì Í Î Ï, Mg2 + 、 Ca2 + 、 êë Na + 、K + ïðñòóôõ²³ÀÈö÷ø¦ù± 2- 2- - úûüý, þ SO4 、CO3 、Cl ÿ~ñò}|Ï{ ø¦ù±; [|ÌÍ, Ö NaCl  1 Fig. 1 ²³À\Ü,ÚÛ²³À\ÜÝ]。 ÇÌÍ^µÊÐÔ、«ó² ³À\ÜÊ ,þ°±²³¶·¹ _,^²³Ê ²³ ²³À\Ü、 `@。 Ä,Ë À ,ó ³]ÌÍÜ ,°±?>º»,ÌÍ^ ²³ ?>µ, NaCl ó ^²³Àéêë, - SDS ³×Øù±。 NaCl Gas hydration process resistance testing device in coal À=¼º»Á²³µÃ、ÄÅÆ¦Ç、 àÈâÉ、 É?>ÊÉ «。 ^, Ë Ì Í Î µ Ã Ï ; Ð è 20 MPa。 ÄÅÇÆ¦ÑÒ 253. 15 ~ 372. 15 K。 É?>ÊÉÁ=ÞÓÔ=¼ ^²³À\ÜÅ、 ²³À\Ü ^ ?>µ«ÕÖ。 1 ×^ÌͯàÈ¿å 3% 、 6% 、9% NaCl ר NaCl(3% ) - SDS(500 mg / 1 1 1. 5 ℃ ÚÛÜ©²³ÀÊ=¼, ¾± ?>»Å¬×Ø^ñòµþ ?ëµ,þÜôõ,¿ ²×Ø^?ñ, ñòµ, Ä, =¼^Ð NaCl ר,?>ÒÜ L) ³×Ø, ¿ØÙ 5 MPa ØÙÅ ÔÝÎ 1,^àÈ: φ ( CH4 ) = 99. 99% ; ^² 100% 。 1 3 (1) ÞÎ 1 ß»àáâר; °±ãä²å á,éÜ¡á。 ^?¢é ,¿²³À\Ü ^é£ æçµÃ, è°±=¼¾±×ØæçµÃ 3 é;êÈú }ëìíÏ¿µÃ^,¨Èî ¤。 ¥²³À\Ü£ü¦§^ ²。 ¨©²Òªü, ¨^È ?>æïð;èê=¼¾¹×ØñѵÃ^,ò àÉ。 «Òªü¬, Þ²³À®?>¯ ,Ä,¥^²³Àúû\Ü, ?> (2) óôÄÅÆ¦ÇõÕÅ, ¨µÃÅ ö÷ØÙÅ,ÜøâÉàÉ,°±= 安全科学与工程·27· ²6 ³ µ,¶: ´ 2 ; 。 (3) 。 T1 2 t1 ,t2 ) , V H ( VH (3) S= , Vw :S——— ; 3 V H — ,cm ; V w — KLMN@AJUVW gas hydrate formation system parameters w NaCl / % ρ SDS / mg·L - 1 T/ ℃ p / MPa V / ml A 3 0 1. 5 5 1 100 B 6 0 1. 5 5 1 100 C 9 0 1. 5 5 1 100 D 3 500 1. 5 5 1 100 ,, 2。 3 3 1 QRSG@AXY(Z ¡¢, £¤¥: 、¦ (1) , [18] :V w ——— ,cm3 ; 796 g / cm 。 (2) [19] ,g / cm3 ; , I ,¦§¬µ¸ ¥¹º¦。 » 2 ¼½ 5 MPa、 NaCl 3% ¾¿§ ÀÁÂ。 ÃÄ, ¨Å ©Ⅰ、ⅡÆÇÈ。 0. 2 t1 、t2 , (1) ,g; 3 ] ] ρ w ——— ¡¢, µ¶±² ³²ª 。 ·£, ¤ [ m w ——— ρ H ——— : dV hyd 1 1 τ - = Vw + m w 10 - 6 / , dt 60 ρH ρW [ «¬ ¢® ,¯°±²³²,´ , 2 t1 ,t2 ¦§。 , §¨©ª ,1 100 cm3 ; (1) ~ (3) , 4 、 2 623 ·¢ Table 1 , : p2 V p1 ( - ) R Z 1 T1 Z 2 T2 , V H = 156. 03 1 - 3. 83p2 / ( Z2 T2 ) 3 :V H ——— ,cm ; p1 ———t1 ,MPa; p2 ———t2 ,MPa; T1 ———t1 T2 ———t2 V——— (3) ·28·安全科学与工程 ,K; ,K; ,cm3 ; (2) '2 Fig. 2 A [QR、\] - ^_`a Rt and pt curve of group A ÇÈⅠ(0 ~ 166 min) : ¸ÇÈ,、ª¥«ªº, §¥« §¬。 É® ¤¥« , ¥« ªº。 ¯ª Ê˰µ ¦§, ¤Æ±Ì ° §µª¥«ªº。 §¥Í° 624 ¬ ® ¯ ° ± ² ² ´ 26 µ ³ ,, , 。 , ,①、②、③ 。 ①, 、 , , , 。 : , , 。 ③ Ⅱ(166 ~ 1 167 min) : , , , 。 、 A B C D T2 。 IJ&KLMN@AQRSGXYbc]dVWefXY Table 2 Results of gas hydration experiment resistance test and kinetic parameters calculation Rq / Ω R2 / Ω 5 470 10 839 16 739 24 648 11 571 2 170 15 522 12 100 54 248 61 972 61 849 55 920 3 612 2 944 8 671 13 012 1 139 648 2 293 5 718 2 966 4 090 1 781 929 P q / MPa P2 / MPa 5. 08 4. 8 0. 625 × 10 - 6 272. 32 24. 8 5. 2 4. 8 0. 276 × 10 - 6 221. 05 20. 1 5. 15 4. 93 0. 181 × 10 - 6 142. 57 13. 6 5. 07 4. 62 1. 013 × 10 - 6 506. 05 46. 1 / m3 ·min - 1 / cm3 ,ª, ¸ / % , 。 ' 3 B [QR、\] - ^_`a Fig. 3 R - t and p - t curve of group B , , 。 Ⅱ ,, , 。 ②, , , ¡ 3 ¢£¤¥¦§¨ 5MPa、 NaCl ¡ 6% ©ª ¢ «¬®¯。 ,£°,¤± '4 Fig. 4 C [QR、\] - ^_`a Rt and pt curve of group C ¡¥£°, 。 ² ,§¨ ³´¦ 。 , ,§¨ µ ,¶©· ¡ 4 ¢£¤¥¦§¨ ,NaCl ¡ 3% ©ª¢ «¬®¯。 ¹º ³´, ¤ «Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 。 安全科学与工程·29· Å6 ´ ½,Ç:¨© Æ 625 ÈÄ Ⅰ(0 ~ 167 min) : ,,、 ¢£¤ ¯ °±²¥ª,¦³§ , 。 ,。 。 ¨©¬®, , ,ª «,¬® , , , ,。 。 ,。 , ,,。 ª¬® (83. 4 min) ²。 , Ⅱ(167 ~ 667 min) : ,, 、 ¡ ,¬, ® ,¯°±。 «,¬®。 , £¤。 ³ 。 Ⅰ , , 。 、 。 ¬®。 , ,ª ,¬,´µ ,。 ¥,µ ,。 Ⅲ(667 ~ 866 min) : ´ , ,, 。 , 。 。 3 2 ,、 , 、, 。 , ¶¶·¸,¹¶ , ·¢,º, ¸»(1) ~ (3) 3 ¹´µ ·¡¼§±º½¾, ¿ 6 À。 Á¦ NaCl ±º», ¢¦ NaCl , ·¡¼§¦ NaCl 。 NaCl ,¨©¶ ¼ » , 。 。 ¡ , , ¢、 µ ÂÃ, ÄÁ Å ,µÁƯà ,Ç , , £¤, , £¤。 , 5 ¥ 5 MPa、 NaCl ¦ 3% § SDS ¦ 500 mg / L ª。 , ¢¶ ¯ÉʾË, ,ÌÍ È ¨©¶ à 。 Na + § Cl - ¹ “ ¥¿ ” , ¨© [20] Ï “ ¥¿ ” 。 , ¦ NaCl ¯¢ NaCl ·¡¼§ºÑ 。 2 ~ 4 Ò:Á NaCl D 、 - , ,。 ¦ ,NaCl ²¥£¤。 R - t and p - t curve of group D «,¬® (334 min) 。 , 。 ½ °±²¥Á。 Å 2,¢¦ NaCl , ²¥, , Fig. 5 Å 5 °± , ÎÏ À “ Ð + - ¥” ¹¥,Na § Cl Á, Î ¨© Å , ·30·安全科学与工程 Å 3、 4, , ¦ ,;Ó²¥ÌÍ º,ÔÏÓ¦ÌÍ,¯°±。 à NaCl ¦, [21] Ä¢ ,¢ NaCl ¦º¦ 626 Ñ Ò ´ Ó NaCl 。 , NaCl , 。 ± [2] [4] #" "2, $% [5] () ('*+,-.-/0+1 "23 " '" ! , 5 6 789: () 6 Parameter comparison , , , , NaCl SDS , , 。 4 ,Ë. Ì ³Í¼Î É, , [ J] . [8] ¹º, 2005, 30(3) : 283 - 287. [ J] . ¹º, 2009, 34(3) : 361 - 365. ZHANG BAOYONG, WU QIANG. Thermodynamic promotion from low - concentration coal menethance based on hydrate[ J] . Energy and Fuels, 2010, 24(10) : 2530 - 2535. [9] Ð[ J] . ÑÒ´ È É, Õ, . — È É, . Ï Ó±¹Ô¹º, 2006,16(3) :135 - 138. [10] [J]. ÑÒ´Ó±¹Ô¹º, 2006, 16(1): 1 -3. [11] È É, . Ö [ J] . Ó±¹¹º, 2007, 29(8) : 759 - 758. [12] È É, ¹, , Ë. ¥ ¦ ¹[J]. Á¹º, 2006, 57(12): 56 - 57. , È É. ¥¦¿ . ר[ J] . Á¦±²¹¹º, 2008, 27(4) : 492 - 495. [15] , 。 。 (2) NaCl , NaCl , , ¡, ¢。 (3) £¤ ¥¦§, ®¯£¤°, ª«, ¬ ±²³。 [16] É. ¼Î È É, , ,Ë. [ J] . [17] ¹º, 2013, 38(7) : 1191 - 1195 ÙÕÚ, , , Ë. ͵ ÛÜ [18] , È É. Ö ¡ÝÞ [ J] . Á¹º, 2009, 60(6) : 1362 - 1366. ¥¦¿ ¹[ J] . ż¹¹º, 2007, 36(4) : 478 - 481. [19] , , È É. ÛÜ ß £ ¤ [ J] . 1065 - 1069. [20] , ¢ [ J] . [21] : , È [ J] . ÑÒ´Ó±¹Ô¹º, 2013, 23(2) : 107 - 111. , ¨© · È . [7] [14] Journal of China University of ¹[ J] . ż¹¹º, 2007, 36(4) : 478 - 481. (1) [1] WU QIANG, HE XUEQIU. 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Vol. 27 No. 1 , , , ( Span60) ¡¢。 £¤: Span60 ¥¦§¨©ª«¬,®¯, °±§¨ ¦²³ ´。 µ Span60 §» Span60 ¼°©ª«½¾。 ¿ ÂÃÄÅÆÇ§È¾ÉÊË。 ¶,·¸¹º ¥ÀÁ #$%:©; ; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2017. 01. 003 &'()*:TD712. 67 +,-*:2095- 7262(2017)01- 0013- 04 +./01:A Experimental study on effect of Span60 on temperature field in methane hydration process Chen Wensheng, Wu Qiang ( School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is an effort to investigate the distribution characteristics and heat transfer law underlying the temperature field in the gas hydrate formation and decomposition process, together with the reaction heat and temperature field distribution in two systems. The investigation building on the experi mental data and the equation for reaction heat calculation is focused on the calculation of the reaction heat in the two experimental systems; and the research into the effect of the addition of nonionic surfactant sorbitan monostearate( Span 60) on the methane hydration reaction system temperature field. The results demonstrate that the addition of Span 60 enables an increase both in the number of methane hydrates and in the quantity of corresponding reaction heat, thereby increasing the temperature of the hydration reac tion system and therefore the rate of temperature; and the analysis of the molecular structure of Span60 leads to the mechanism that Span60 could promote the methane hydration formation. The research could provide theoretical support for the application of gas hydrate solidification separation and storage and transportation technology. Key words:methane hydrate; surfactant; reaction heat; temperature field 2345: 2016 - 12 - 06 6789: (51334005) ; ( E2016058) :;<=>?: (1977 - ) ,,,,,:¡¢£¤,Email:cwshk@ 126. com。 ·32·安全科学与工程 14 0 # " ! 0 1 £ ( ) , , , 、、 [1] 。 、 、¡¢£¤¥,¦§¨,©ª§ 2005 «¬®¯°±²³´¦§ µ¶ [2,3] 。 º»¼½、¾¿À,Á ·¸¹ [4] Âà ÄÅÂà ,ƨ,ÇÈÉ ÊÅËÌͳÎ,ÏÐÑ,Ò ÅËÌÍÓÔÕÖ µÂÃ。 × ØÙ ÅËÌͤÚË,ƨ, µÂà ×Û ÜÝÞØÙ ß à。 4 27 5 3 ½×; (4) º»_¶ , º»_, ½Ì,_,É; (5) äåò× º»_¯º»½; _¯ µÂÃ; (8) ¤½, , º»ñ¥ Ö ¢¦§¨,Öº»。 µäåæ Ö µÂÃäåêë,ìíº »Åîï¸Ã,ðäåñÅ îï,òóôõ º»ÂÃ×Û Ú,È ö÷µøùúûüý Span60 þÿ µÂÃ×Û¤Ú 1 1 1 @ABC ×; (7) [ñ|, ¡¢ì£º» Table 1 ãØÔÖ ½Ô (6) ]ÓÔ^, ì\׺» ç,èé Ö 2 äåò×,$º»_; (3) [êë?>ñ|, º»_¯ áâ 2 äåñ Ⅰ ܤ Ⅱ F1 GHIJKL(M@ANOPQ Initial conditions of methane hydrate formation experiment systems θ/ ℃ p / MPa 1 5 w( Span60) / % 0 0. 5 V/ L 2. 121 ~}。 µäåñ|{ã[\]Ó Ô^、º»_、 `½@ñ|、 êë?>ñ [5] |¡ 。 =æç<;:/ /.- a Ü Ì,_½º»_, ×Ì,_+*)( Ü,'&º»_%( Ü¢, 5 ×Ì, _( Ë × 0. 1K) , . - Ü ( 5 - × 3 ) ,: :1、2、3、4、5; :6、7、 8、9、10; :11、12、13、14、15。 1 , ä ×、½ ÝÞØÙ。 Û 1 2 µÂÃ× '1 @ADE º»ÂÃ×Û Ü¤Ú, ñⅠ、Span60 ùúûüý ñⅡ, ÖÂú»ÅäåØÙ, ØÙ Fig. 1 ØÙ ¬ ùúûüý Span60 × È Å þ ÿ。 ä å 99. 99% Ö µÑ 。 äåòù 1。 × äåÂÃ: (1) ãÔ º»&º; (2) ç÷µøùúûüý Span60 , Ï b RSTUV Highpressure cell 2 2 1 @AWX ©ëäåèê몳ðäåñÖ µÂÃ×、½«É¬ ®, 2 。 2 “ × 1 ~ × 15” ¯ù 15 °×Ì, _×。 安全科学与工程·33· 1 15 ¡¢,£:Span60 ¤¥¦§¨© , ; 4a ,, 104 min 4. 41 ℃, 200 min 3. 76 ℃, 296 min 2. 80 ℃。 300 ~ 1 400 min, , , , 3 , 。 1 400 min , ,,。 a Ⅰ 3 Fig. 3 Heats of formation in different time range of two systems 2 2 Relationship of temperature and pressure with time Fig. 2 2 during hydrate formation Span60 [4] M( g) + n w H2 O →M·n w H2 O + , (1) :M( g) ——— ; n w ——— , , a [5] : p 2 V2 p1 V1 - ), Q = 23. 8 × ( Z 1 Rθ 1 Z 2 Rθ 2 :Q———; (2) 、; 。 (2) , 1 h , 3。 , 、 、 θ - t , 4 。 Ⅰ, 2a ,20 ~ 1 400 min 。 20 ~ 300 min , , , 3 ·34·安全科学与工程 p、V、θ——— ; 。 Z——— Ⅰ Fig. 4 4 b Ⅱ θ - t Variation curves of temperature with time of differ ent layer during hydrate formation Ⅱ, 2b ,3 ~ 840 min 。 3 ~ 420 min , , ; 3 ; 16 ê ë Ý à ,; 4b , 、 、 48、96、 192 min, 6. 1、5. 8 4. 8 ℃ 。 420 ~ 840 min, / , , , , 3 ,, 。 840 min , , 。 , ,,Ⅰ Ⅱ。 , Ⅰ Ⅰ。 ,、 、,ⅠⅡ 56、104、104 min; Ⅰ Ⅱ 1. 69、2. 04、2. 00 ℃ 。 , Ⅱ Span60, , ¡ ¢。 2 3 Span60 5 £ Span60 。 ¤¥ ¦,Span60 §¨©ª ¡«¬, Span60 §¨©ª 。 ,©ª , ® - ¯ ,¡,¢¦ 。 ££¤¥¦§, Zhong Rogers Ë Ë 27 ì ä ÇÈÉ,± ÈÆÀ,ÈÆ Ç £ 。 , Span60 ÈÉ, ¦® - [9] Ê 。 Ê ËÌÍÌÍ, ¡ , ¢ Ë©ª ÎÎ [7] , 。 ¢¦ÏÈɰ, , ©ª , Span60 Ⅰ,; ¡,Span60 ÈÉⅡ ÈÉⅡ 1 / 3。 、 、 ,ⅡⅠ;Ⅱ Ø ÈÉⅠ, 3 。 (1) Span60 ÌÍ©ª Ê ËÌ Í,ÎÎÀ ¡,¢©ª , , 。 (2) Span60 ¹©ª ¡ §¨。 ¤Ï ÈÉ ¡«¬,Span60 ¾©ª ¸ ¢。 (3) »¼ ¸ÐÑÐÑÒ Ó,ÒÓÔ。 Èɰ¢ÔÈÉÕÖ ÕÖ׺»¼ ÐÑ×ØØµ Ù,£ ÙÚ、 ÃÛÚÛ、 ÐѰ¢Ü µÙÝÜ。 [6] °±©ª [7] [8] ²³ ´ µ, ¨ © ª 、 ¶ · ° THF ¸ THF - SDS ¹ º « » ¼ ± ² ³ ´ µ。 Span60 £, ½¬, ¤«¾®¯¥¿°À ±, Á², ³。 ¤¥ Span60 ,´µ¶· ¢ Span60 ±©ª ´µ。 : [1] ¨ÞÝ. [2] [3] Fig. 5 5 [7] ¼½¾¿Â¦ ½ÁÃÄ, ŦÀ ½Á, ¤ ¢ÄÅÆ ¶ ·, ¨©ª, äåâ, . Þ³ [ J] . ×ßËä, 2005, 30(3) : 283 - 287. µº«»¼È É[ J] . ×ßËä, 2009(3) : 361 - 365. àËØØ[ M] . ë ì: Ëæíîï, 2007. ¡§ ¨Èɰ[ J] . ×ßËä, 2014, 39(5) : 886 - 890. Zhong Yu, Rogers R E. Surfactant effects on gashydrate formation [J]. Chemical Engineering Science, 2000, 55(9): 4174 - 4187. ¨©ª, ¶ ·, ôõö. THF ¹÷»¼ ËÌͱ ²³ [ J] . èºí Ë Ëä, 2009, 38 ( 2 ) : 203 - 208. [8] À½Á; û ÒÓãâã åÏç, ðñ, òáó, . THF ¹©ª Span60 molecular structure ½¾¿,¤º、 ¹ ·, á â, Ý á [5] [6 ] Span60 ÂÁ¸¹¸º»¼ . »¼ ¶ åæ, äç, èéê. ® Span60 2010, 38(1) : 1 - 3. [4] ß × º » ¼ à Ú Þ ³ [ J] . × ß à Ë Ø Ø, [9] ¶ ·, ¨©ª. THF - SDS ¹º«»¼ §¨° [ J] . èºíËËä, 2010, 39(4) : 484 - 489. øùú, ûüý, þÿ~, . Span20 ±©ª È É°[J]. }é¤ËËä, 2008, 42(9): 1165 - 1168. ( ) 安全科学与工程·35· µ ¶ µ· ¸ ¹ £ ¤ ´ ¡¢£¤¥¦§¨ ©ª«¬®¯°± ²³ / 0 ¡¢£ ¤ ¥¦§¨© §ª«¬® ¯ °± ¥² ³´ µ¶ · ¸¡¹º £¹» º¼½ ¾ ¿¸ÀÁÂúÄÅÆÇÈÉ 123 ¸ ¸¡ £ 45678 9:;8 9<=>? ¡ ¡ ¢ !"#$ %&'( )*+,-. ·36·安全科学与工程 ÈIÏÐ(á 0 (áIN ÍÎ ¿ · IN L È ü ßù ³ÏÐ OM(á³ÏÆN ùÈ ÉM ùàùË ÈÉàù Ë ¿ ³¡¢ £¤¥¼5M ÀE£0¦¤ ¥¼5M §¨©Äª ¡ ¢ £ ¤ ¥¦§¨©ª «¬®¯ ° ±²³´µ¶ ·¸¹º¸» £ ¤ ¼ ½ ¾ ° ¿ÀÁÂÃÄÅ Æ ½Ç °¿ÀÁÈÉÊË ÌÍÎÏÐÈÉÑҽǰ¼ ÓÔ¿ÕÖ ¿×Ø¿ ÙÚÏÛ DÁ ·Ü¼Ý ÈÉ ùà à M Þ ß ° ± ² ¡ ¢ à á ° º ÍÆ âã² ªâä ² å ² ¿ æ ¥ ¦ ç è é ê ë å ì í î ï ð ñ ò ß ± ó ô ÇLÈ ÉÈÊ ÈÅ ÂÃÄ õ×ö÷ø ùåúûüÎ Ñߪýþÿ¦~}±² | ÈÅÆ Ä ¿ IÈN ÍÎ {¸[\ ]^_¸`@? >Ë=< ªýþÿ;:/ß»¿.- Ý, ª+* ) = ý þ ÿ ( ' &%$¿.«¬ #"! «¬ Ûò ( °½¾01Æ2æò3 (4é 5 6 ë æ 7 8 9 A BC DE$°²FG ÏЫ ¬ H I J K L M Ë Æ N O È P æ Q  à R « ¬HIò Æ KLMË Ï Ð « ÿ ¬ ® Ï Ð ¯ Î £ Q«ÿ °»±²³´«ÿ¦üµ¶ £ Q«ÿ °»±²³´«ÿ¦üµ¶ · °»±²³¸I¦üµ¶ · ·¥¼ æÊË ³ S Ñ ° ½ ¾ È É 7 Q ( ¹º»¢¼½ ·ò, ÏÐ ï´ù Æ ¿ÀÁÈÉ ò¸¾ &% ýþ ÏÐ ¥ÏÐMH 0 P å A T Q U Ë ò Æ K L M Ë ³ S P å °½¾ÈÉA «¬HI ° ö ¦ Ä Å O ù D>ß Ú >ËɪDÿ >Ë ÉªDÿ ·D>ß Ä ê × Å Æ þDO 1 Ë Ñ ß «¬] þ & % » +S Ë « ¬ Ê ò ( DE Ï Ð S Æ 2 ù Ë ÝM O ýþÿ ÏÐ ( · ¿ÀɪM 安全科学与工程·37· ×ØÙ£Ú Û Ü Ý Þ ß Ñ à á âã áÑÏÐäÆÇ á åæ ç èéêÕëª ÃÄÅÏÐ ì í î ïª íð î Ö± ñòóÎÏ Ëôõö ÷ ø¾ ùú Ð Ë ò È ôõ Î Ï Ð ÉÃÅ ¡¢£ ¤¥¦§¨ ©ª«¬®¯° ± ²³´µ¶·³¡ °¸¹§º»¼ ¤½ °¸¾¿ èé ÈÉ ë ÀÁ§Â ÃÄÅÆÇ =< È Ê ÉÃÄÅ Ë §ÂÌÍ ; Ö ¨ û êÕëª ü ¨ à ý í þ ÿ »¼ ïª í î à ~ í } | ö î »¼ î ø¾ }| Ã~ {[ÈÉÃ\] Î: / ,+ ¡¢£ =< : .-¡¢£ ¡ÆÇ ^ ÃÄÅÆÇý Ê _` ^ ÑÃÝ@Å ^?ø¾ ÃÝ?> Ö û êÕëª ÎÏÐ ·38·安全科学与工程 ËÑÒÓÔÕ Ö ± üÃý^ í î 9:;< } | { « [ \ ] ^ _ ` @ ? ¼ > ? = ö < ;: /.-Àåå, +*) (' &% $#¤" Ò ! 0 É 1 2 34;:#5 `6å, ÕÖ ~ ÕÖ üýÖàÿË }78 9AB CDE `!É 12F G > Á H I J K ;: LMNJåOå, P Q R ( S T & 5 U . æ ç `6å, ¨ ! 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": , , 、 THF - SDS ( THF 0. 10 mol / L,SDS 0. 10 mol / L) 。 - ¡¢£, ¤¥¦§ 。 ¨©ª«¬®¯°§±²ª ª CH4 ,³´§ CH4 µ¶·¸, ¹ THF - SDS º»¼½¾¿½ÀÁÂ È ÉÊË Ã。 ÄÅÆÇ: THF - SDS 0. 081 0. 09 cm3 / min,CH4 µ¶ÉÊË 4. 34% 14. 57% , ·¸ÉÊË 0. 166 0. 949。 #$%: ; ; ; µ¶; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2016. 04. 006 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2016)04- 0378- 05 +./01:A Effect of drywater and THFSDS on separation of methanehydrate WU Qiang1,2 , ZHANG Jiahao1,2 , GAO Xia3 , LIU Chuanhai1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Centeral Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is an attempt to explore the method capable of effectively improving the rate and of gas hydration separation and separation concentration. The research using the visual gas separation experiments highlights an investigation into the effect of pure water system, dry water system and THF SDS complex system( THF 0. 10 mol / L, SDS 0. 10 mol / L) on gas hydrates’ generation and concentra tion; an experiment obtaining the various systems’ temperature pressure processtime curve; a calculation of the hydrate growth rate through the hydrate growth rate model, and measurement of the equilibrium phase and concentration of CH 4 ; a production of CH4 recovery and separation factor; and a preliminary a nalysis of dry water and THFSDS complex mechanism to promote the solution. The results show that when compared to pure water system, dry water system and THFSDS complex system could provide a 0. 081 and 0. 09 cm 3 / min increase in gas hydrate growth rate, a 4. 34% and 14. 57% increase in CH4 recoveries, a 0. 166 and 0. 949 increase in the separation factor. Key words:mine gas hydrate; drywater; growth rate; recovery rate; hydration separation 2345: 2016 - 06 - 30 6789: (51334005) ;(51174264;51274267) :;<=>?: ·40·安全科学与工程 (1959 - ) ,,¡,¢£,¤¥¦§¨, ©ª:«,Email:wq0160@ sina. com。 $4 } 0 ,:@ THF - SDS øþÿ 379 £¤,¥;@© ª^|{«¬® ( HB630 - SiO2 ) ,½¯° ,+¦Æ§¨ ( CH4 、N2 、 O2 ) [1] 。 、 、 、 [2] 。 ¡,¢£¤¥¦ [3 - 6] ,«¬£¤®¯°±£¤² §¨©ª [7] ³ ·¸、 ¹ [8] »¼½; ®¯ ¾¿¶ , ´µ¶ º , 、ÀÁÂÃÄ ;®¯Å [9] ¶ , ÆÇÈÉÊË、ÌÍÎϸ。 ©ªÐÑ, ÒÓÔ¥Õ ÖרÙÚÛ、 ÜÝÞß。 àá, âãä婯æçèé [10 - 13] 、 ÙÔ¥Ö×êëìí: äîï¶ [14 - 19] ¶ ±²å£³ £¤, > 99. 8% ; G: 80% CH4 、15. 8% N2 、4. 2% O2 ,*)(´µ £¤üÀ。 1 2 ¶¶·ýþÿ §¨。 @À͸¹º: »¼, ½¾ 2 g 38 g ¿ÀÁÂò;' ^|{ SiO2 Ä,Å ö¢ÆÇ D ¥¦ ÁÂ,ôÉ È 90 s,ÀÍ«¬®ö ù 5% @。 THF - SDS ûüÉʲ THF Ë) ù 0. 1 mol / L,SDS ù 0. 1 mol / L。 ¬©ªàÌ,Ì §¨ýͺΠ1 ÂÏ。 Table 1 、 ð¶ [20 - 22] Ö×ñòóôÉ ©ª THF - SDS ûüýøþÿ。 ~ ý§ ¨,©ªÔ¥Ö×øþÿ,ù £¤©ª Æó 。 Parameters of experimental systems for gas hydrate formation Ⅰ Ⅱ @ ρ0 / MPa θ0 / °C G 6. 5 2 Ⅲ THF - SDS ûüÉÊ }©ªèé,|{[\ SiO2 ]ò ^_`ý———@( drywater) ?>=<;:/. THF - SDS ûüý §¨ý ²°õ°öôÉ, Ô¥Õ÷ 。 à [23] á,ø¶Ô¥ÙÚ©ª®ù½ú, ,,^Þ-®。 ç §¨ý±, @ý、 1 óáÄ ý±ÐÑÒ§¨ý ãò ,¬.Û τ Ó Ô&É,´ôÕÖ&É×/ ØÙÚ: dVH 1 1 = [ V w + ( - ) n w ] × 10 - 6 / ( τ / 60) , (1) dt ρH ρW 3 1 1 1 Ú²:V H ———Ô,cm ; V W ———ôɲùÛ 3 Ô,cm ; §¨ [23]。 ë 150 mL òó、 À、 m W ———ôɲÜÝö ° 、 °、¥ñ ý±、 MS - B ö。 ², òó »¼ - 10 ~ 50 ℃ , 20 MPa; À »¼ - 15 ~ 90 ℃ , ± 0. 2 ℃ ; ,g; ; τ———òóýàáâ ..,min。 Çã% ^äå¥æÒ§¨ý ° ¾ ± 0. 01 MPa; ° ¾ ± 0. 01 ℃ ;MS - B ö SUS304 , ,»¼ 10 000 ~ 28 000 r / min。 ρ H ———ÞÛß ρ W ———ß ; ê ã ¾ ^²éê í a,?¥ çè^²éê ,Ù CH4 ëì η î® ý þ ÿ Ù Ú, Ù §¨ù,À, THF , ¡¾¢Æ £¤,¥; SDS Úù η= n HCH4 n Feed CH4 , (2) 安全科学与工程·41· 380 ¶ · ¸ ¹ :n CH4 ——— CH4 ; º » » ½ 26 ¾ ¼ Feed ¤¥ ¨© 1 II 。 ——— CH4 。 a= n HCH4 × n gas X n HX × n CH4 gas , (3) n HX ——— N2 、O2 ; —— N2 、O2 。 n gas X — 2 1 ,³´,µ ,¶,¬ , 94 min , 5. 11 MPa, , ¡£, 1. 45 MPa。 ¤¥ I, , 2 ℃ ( III, 6. 56 MPa , 10 °C, 5. 5 min ) , 6. 66 MPa, 7. 3 ℃ , , , 16 min , , , , 66. 6 min , , 6. 28 MPa, ¡¢£, 2 2 ¦§¨© 1 III 。 ·¸¹º»¼½¥ ¾ ¿ÀÁ½·, (1) ~ (3) ¡ ¥Ä、 ¡£ÅÆ ÇÈÄ,¤¥ÉÊ© 2 。 II ¢à III ËÄ、ÇÈÄ¡£ ÅÆÌ¦§ I, Í ¨¡£ ©¤Îª III。 , 0. 38 MPa。 ¤ ¥ © 1 I 。 ¦§¨ 2 ¦§ , 4. 7 ° C, 6. 07 MPa,² ,n CH4 ——— CH4 ; gas n H CH4 2 Fig. 1 1 Relationship curves of pressure and temperature with time of hydrate formation in I system II, 6. 55 MPa,ª 9. 5 ° C, « 4. 7 ℃ (3. 8 min) , ¬® 6. 55 MPa «¯ 6. 1 MPa, (26 min) , ¡¢°, ± 5. 4 MPa (99 min) , ,¡¢£, 1. 15 MPa。 ·42·安全科学与工程 、 Comparison of growth rate, recovery and separa tion factor of methane hydrate in different experi mental conditions 、 2 °C Fig. 2 Ï Ë Ä 0. 05 cm3 / min,« THF - SDS ¬®¡ Ð 0. 131 0. 14 cm3 / min, ¯¨ÑË Ä°§Ï̱ Ò, « 3 ²0. 081 cm / min, ¯ 2. 62 Ó,THF - SDS ¬® ² 0. 09 cm / min,¯ 2. 8 Ó,Ô¨¥ Ëij´©¤。 Õ®ÇÈÄ¡ 3 £ÅƵ¡Â¯Ö×,THF - SDS ¬®¥ §ÏØÙ©¤ ¦§«; Ï 3. 86% CH4 Ç È Ä ¡ £ Å Æ ¡ Ð 1. 368,« CH4 ÇÈÄ¡£ÅơР8. 2% 1. 534,THF - SDS ¬® CH4 ÇÈÄ Ó4 Ô Â Ã,Ç: THF - SDS ¶· 18. 43% 2. 317。 , CH4 4. 34% , 0. 166, ; THF - SDS CH4 14. 57% , 。 0. 949, ,, , CH4 。 THF - SDS , , CH4 。 , 、 , 3 。 , , 4 , 、 。 ,, 。 381 [18] ® ; °¦§ THF ,THF ®± , [24] , ¥²³¦´ ,, , § ,£¨ ¢£©,ª« µ¬ ®,ª¶·¸ 。 , ,THF - SDS , , CH4 。 3 (1) ª¹¶· º¯ 、 THF - SDS ¶· ³° ±§,»¼,²½ 0. 081 0. 09 cm3 / min,³ 2. 62 ´ 2. 80 ´。 (2) µ THF - SDS ¶ CH4 ¾¿· ÀÁ»¼, THF - SDS CH4 ¤¥ 4. 34% 14. 57% , 0. 166 0. 949。 (3) THF - SDS ¶·¾¿。 , CH4 Fig. 3 3 ª¨ Formation mechanism of drywater ; THF - SDS , CH4 [1] Fig. 4 4 [2] [3] , ¡¢£ , 。 THF - SDS [4] [24] ,¡¬ SDS ¢£® ,¯ Ã, ¸, . ¶·°¦§ÀÁ[ J] .  Ã, , ¸, Ç. £¨¾¿¶· ÄŹ§§Æ, 2006, 35(5) : 658 - 661. 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National Centreal Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper seeks to improve the hydration separation effect of high concentration CH4 gas. The research works towards using gas rapid hydration spray experimental device for the hydration separa tion test of high concentration CH4 gas under the influence of atomizing flux; combined with gassolid chromatography, exploring the effects of nozzle flux on the CH4 recovery, separation factors and partition coefficient. The results demonstrate that gas sample G1 , which sees a nozzle flow change from 10 mL / min to 20 mL / min tends to have a change in corresponding CH4 recovery rate from 17. 65% to 25. 27% , in separation factor from 1. 46to 1. 83, and in partition coefficient from 1. 12 to 1. 19; and gas sample G2 which experiences a nozzle flow change from 10 mL / min to 20 mL / min tends to exhibit a change in the corresponding CH4 recovery rate from 14. 68% to 24. 51% , in separation factor from 1. 51 to 1. 95, and in partition coefficient from 1. 09 to 1. 13. An increase in nozzle flux yields an increase in CH4 recovery, separation factors, and partition coefficient of two gas samples. Key words:gas hydrate; spray; flux; hydration separation 2345: 2017 - 04 - 17 6789: (51334005) ;(51174264) :;<=>?: (1959 - ) ,,¡¢£,¤¥,¦§¨©ª,«¬:®,Email:wq0160@ sina. com。 安全科学与工程·45· 326 " ! 0 1 Ô Ô 3 27 4 2 50 °C;¡ÙØ\³ 0. 016 mm, Ù´Ê 0 0 ~ 20 mL / minç/.-, àï 40 ~ 80 μm Ù , ,、 , 。 ,。 ¡ ¢£¤¥¦§¨©ª« 1 / 3,¬® ¯°±²³´µ[1] 。 ¶·, ¸¹  ¼½¾。 ¿ÀÁ 、 ¶ÃÄÅÆÇÈ、É¥Ê ÍÎÏнÑ。 º» [2 - 3] ËÌ Ë; ò¦_秤¨¨µ¶· SE - H20 / 20, ç 0 ~ 20 mL / min, & òó 20 MPa,¸ ¹ 0. 5, º» 0 ~ 25 ° C; £¤ Ú¥£º» - 20 ~ 60 ° C, ¤¸ ± 0. 2 ° C; ò ó §¸ ± 0. 01 MPa; §¸ ± 0. 01 °C; ¨¢ ༽Ó、 òó; ©ª«¬õö¾§ÀÜ`、 `¿÷ *。 àá GC4000A _ÀÁ¨Ó ÃÄ_。 àáéêÅÆ 1 ÇÈ。 Ò, ¡ÓÔÕÖרÙÂÚÛÀÜ [4] ÝÞ®ßàáâã, äåæ ¨Ùçè àáéê×ëìÀÜíîàá, ï ðñòóôõö÷øÀÜùúûüýþ [5] ÿ¶~。 }|{ [ØÙØ\ ]^_ ÀÜ`éê, @?>òóô=<;Ê :/.-íîàá, ,Ô+ÂØ +`ÀÜ, á®ØÙ -ÀÜÊ。 [6] ÀÜû, , ×Àðñþÿ ¶ , ØÙÂ` Fig. 1 1 Spraying equipment of rapid gas hydration ØÙðñ ÀÜíóÔ+*。 Mohammad [7] âã òó/.-¨ÛÙ± [8] +×ÀÜ`þÿ。 Lucia Brinchi @> âã@ 25 L ðñ=<;Ê: 、ØÙ 、òó、À、Ø\ò /.-ÀÜûú。 Õ CH4 âã×, ÷ Ààáéê, @Àíîç þÿ-Ààá, ç× CH4 À àáÀ'ÚÉÊÀ;: G1 , φ ( CH4 ) = 70. 0% , φ ( N2 ) = 23. 7% , φ( O2 ) = 6. 3% ; G2 , φ ( CH4 ) = 80. 0% , φ( N2 ) = 15. 8% ,φ( O2 ) = 4. 2% , %$#Ë ÌÍÎÚ。 1 2 ¨££°ÂÝÞ G1 、G2 @ 10、20 mL / min Ø\çþÿ-ÏÀà á。 àáõÐÅ= 1 ÇÈ。 Ë, ,þÿ ,)_½âãÆàáÝÞôÀÜ `。 Table 1 1 Parameters of experimental systems for gas hy drate formation 1 àá àá õ Ñ· 1 1 Ⅰ ¨àá('ùúÀØÙàá éê,ýíòõö、 òÀðñ、 òó 、 、 ¡ÙØ\、 ¨¢ õö、£¤Ú¥、 ò¦_秤¨、 ©ª«¬ õö ° 。 àᮯéê òÀðñ, 8 L, ± ² ò 20 MPa, - 10 ~ ·46·安全科学与工程 Ⅱ Ⅰ -1 I -2 Ⅱ -1 Ⅱ -2 G1 G2 q V / mL·min - 1 10 20 10 20 _ÀÁ¨§ θ/ ℃ p0 / MPa 2 6. 23 2 5. 95 òÓÀðñË _ÒÓ_ÀÜ_ Â4 Ã Ä Å,Æ:À¤«¬® , O2 , ,O2 N2 , CH4 - N2 。 , 327 ¢£ ; ³ §¨©ª¹¬®¯ 40 min ,´ 5. 93 MPa, °§¨ [9] , CH4 η、 β [10] n HCH4 , = η n FCH4 α= n HCH4 × n gX n HX × n gCH4 β= H :n CH4 ——— α n HCH4 n gCH4 : (1) , , (2) (3) µ±²³´°²©ÓÉ»¹ÃÔÕ¯ ,§¨·ÖÀ¯ »µ¶; ³ 160 min ,´ 5. 36 MPa, §¨·ÁÂï ĸµ¶, ¼¹³ Å´ ƯÇ; ÈÉ Ê˳, 160 ~ 480 min ´ ¯ Ì , 480 ~ 620 min´¯Ì,620 ~ 760 min ´ ͤ, 760 min ÎÏ,´¥ ¤, §Ð Ñ, ´ 2 ℃ 、 4. 66 MPa。 G2 ¼× G1 ½Ø§¾, ¦ 2b CH4 ; n FCH4 ——— CH4 ; 。 n gCH4 ——— CH4 ; n gX ——— N2 、O2 ; n ——— H X N2 、O2 。 2 1 2 2 。 , , , a G1 , ¡¢£。 , 2a 。 «¬® 10 mL / min, G1 6. 23 MPa,¤¥¯,ª° ¤¡¥,¢¦§¨£©ª 2 °C。 I ; ±²¦、§¨©ª«¬®¯ ³ 40 min , ´ 5. 98 MPa, ° §¨µ±²³´°²©µ¶§·¸¹º° »,§¨µ¶ª¼½¾¶¯ ¿À; ³ 160 min , ´ 5. 59 MPa,§¨·ÁÂï ĸ Fig. 2 µ¶,¼¹³Å´ ƯÇ;ÈÉ Ê˳,160 ~ 520 min ´¯Ì ¿ ,520 ~ 760 min ´ Í ¤, 760 minÎÏ,´¥ ¤, §Ð Ñ,´ 2 ℃ 、 5. 07 MPa。 «¬® 20 mL / min, G1 6. 23 MPa,Òº¯, ª°±²¦、 2 - Curves of pressure with time of hydrate ÅÙÐ ÐÑ - 3 。 CH4 ÈÀ¤«¬®Á¤ÍÚ§ ¾,ÛÁ¼ ÐÑ CH4 È«¬®ÜÁÝ, Ä¸Þ CH4 ÈÀ¤«¬ßàÜÁÜ。 安全科学与工程·47· 328 ¾ ¿ À Á à à Š27 Æ Ä 1. 46 1. 83, 1. 25 ; 1. 12 1. 19, 1. 06 。 II ,  10 20 mL / min, 1. 51 1. 95, 1. 29 ; 1. 12 1. 19, 1. 06 。 , , 3 Fig. 3 - , 。 , CH4 、 , 。 Related parameters of gas phase with hydration phase in end of gas hydration reaction 、 , (1) 4。 I , 10 20 mL / min, CH4 2 2 17. 65% 25. 27% , 1. 43 。 II , 10 20 mL / min, 5 Fig. 5 CH4 14. 68% 24. 51% , 1. 67 。 ,CH4 , , G2 Effect of nozzle flow on separation factor and distribution coefficient 。 2 3 ¡ ¢,£¤¥ ¡¢, ¦£¤§¨ ©,¦¥ £ª«¬, ®¦ ¥¨£±©ª,£±©«,¦ª £², ¦£«³ ´µ¶,·±©£°¯ ¢¬¢¸®¢¯°, 4 Fig. 4 CH4 Effect of nozzle flow on CH4 recovery (2) (3) 5。 CH4 , [11] CH4 ; , ,。 I , 10 20 mL / min, ·48·安全科学与工程 ¦§。 ¯, °¦ ¢ ¸©±。 ¹, ²³¨©¨±© ,´¦¥£ª µ ( ) « ¬,°¦« ¢¬°ª 。 ¶,· ,¸ ¹º 20 mL / min ¦»¼½ 10 mL / min。 3 ® (1) I, 20 mL / min º¨» 10 mL / min 1. 35 , 4 À ,: I, 20 mL / min 10 mL / min 1. 49 。 329 ¡¢ [5] ®¯°, ®, ±. CH4 [6] , , 、 。 [7] (2) ,G1 、G2 : [1] ( ) , 。 [8] ¶[J]. ·, 2008, 24(5): 385 -389. Mohammad K, Farideh F, Moslem F. Developing a mathematical model for hydrate formation in a spray batch reactor[ J] . Advances Lucia B, Beatrice C, Federico R, et al. Experimental investiga tions on scaledup methane hydrate production with surfactant pro and Engineering, 2014, 120: 187 - 193. . [9] [ EB / OL] . [2014 - 01 - 28] (2013 - 12 - 10) . http: , , , . [ J] . , 2013, 27(4) : 561 - 566. , , . THF - SDS [3] [4] £¤¥, , , . ¦§ , , . ª´µ motion: energy considerations [ J] . Journal of Petroleum Science / / www. gov. cn / gzdt / 2014 - 01 - 28 / content_2577701. htm. [2] ²³, 2006, 25(2) : 286 - 289. in Materials Physics and Chemistry, 2012, 2: 244 - 247. (3) , [ J] . ¡¢[ J] . ,2015, 40(4) :895 - 901. ¨©ª , . ¸²³¹º[ J] . », 2005, 33(1) : 1 - 5. Linga P, Kumar R, Englezos P. The clathrate hydrate process for post and precombustion capture of carbon dioxide [ J] . 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National Centreal Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is devoted to improving the effect of recovery CH4 from methane gas using hy drate way. The research centers around gas hydration separation experiments on two gas samples ( G1 : φ( CH4 ) = 60% , G2 :φ( CH4 ) = 70% ) , by applying the visualized bubbling gas hydration separation ex periment device and using three kinds of bubbling rates(10、15、20 mL / min) , and provides some target parameters such as hydration separation rate and recovery rate. The bubbling rate increase from 10 mL / min to 20 mL / min is accompanied by a respective increase from 17. 8 and 26. 2 cm3 / min to 29. 1 and 34. 6 cm3 / min in the separation rates of G1 and G2 ; and hydration separation is followed by a respec tive increase from 4. 01% and 3. 51% to 5. 21% and 4. 01% , in the recoveries of CH4 and a respective increase from 1. 63 and 1. 33 to 2. 24 and 1. 91 in the separation factor. The bubbling rate has a demon strated ability to accelerate the process of gas hydration separation, strengthen the hydrate method able to recover the CH4 in the gas, and improve the purifying degree of CH4 in the recovered gas. Key words:gas hydrate; bubbling rate; separation rate; recovery rate; separation factor 2345: 2017 - 03 - 15 6789: (51334005) ;(51674108;51404102) :; < = > ?: ( 1982 - ) , , ¡, ¢ £ ¤, ¥ ¦, § ¨: outlook. com。 ·50·安全科学与工程 © ª « ¬ ® ¯, Email: zhangbaoyong2017 @ !4 0 331 123,°:íî^_è¡¢¤,+ , 0. 237 mm íî¡¢, Èý¿Í, 0 䮾¿£'¤¥¦ò¾§ó' ¤,íî¡¢î¨ó§äð³,© , [1 - 4] 。 CH4 `Èɪ«íî。 , , 。 CH4 , 。 ¡¢£¤¥ ¦§¨©,ª«¬®¯ CH4 、N2 、 O2 ° ± ¡ ¢ £ ² ³ ´ µ ¶ · ¸ ¹ [5] (0 ℃ ² CH4 、N2 、O2 ±¡¢£³´µº» ³ÈÉ CH4 ¤。 ¡¢£¤¥ÊËÌÍÎÏ、 ¶·ÐѰ [6 - 12] , Ó¤¿Í¡¢£ÂÔÕÖ、 ¤× ÄÒ Ø¸°ÙÒÚÛÁÜÊÝÞßà。 áâ, ã äåæçèé CH4 ®¡¢£¤¥êë ³ì。 Morgan ° àíî¥ïÞðñò óô CO2 ¡¢£Â¶·, õ½öÐ÷¶· [13] ø,íùú¡¢£Â²ûüº»¶·。 Shagapov ° [14] ¾¿íîÈýþÿ¡¢£Â¿Í CH4 î~¡}|{[, \öÈý¡]¡¢ [15 - 16] £ÂÔ^_ì`。 @?>° èé=<;¢ - SDS ®`óôíî¡¢£Èý, :Éíî [17] ¦×¡¢£Â²。 >° ~íîóôë=< - THF ¡¢£ÂÈý, õ ½=<¡¢£ÂÔ^_íî^_ 。 ,íîèé CH4 ®;¢¡ à, Ó³ìò» /.½,ì¤×Ø/-。 ¢ ß 1 1 1 Fig. 1 1 2 Experimental setup of gas hydration for visualiza tion and bubbling style Èý®`¬ 1 û®。 Èýࡽ(Á¯° ¡;± G1 、G2 ²(&%$¾³®´µ, ¯ ¶ · G1 : φ ( CH4 ) = 60% , φ ( N2 ) = 31. 6% , φ ( O2 ) = 8. 4% 。 G2 : φ ( CH4 ) = 70. 0% , φ ( N2 ) = 23. 7% ,φ( O2 ) = 6. 3% 。 ± G1 、G2 ~ 2 ℃ ¶·ø [18 - 19] , ³´µº»¸à Chen - Guo «#{[ ¼¸¹ 4. 78、4. 23 MPa, ~â¬"êíî ^_,+Èý。 Table 1 1 Parameters of experimental systems for gas hy drate formation ó ± Èý®` p / MPa G1 ,íî®`íî^_è¡¢ G2 θ0 / ℃ p0 / MPa Ⅰ -2 2 v / mL·min - 1 10 4. 78 2 6. 78 15 Ⅰ -3 20 Ⅱ -1 10 Ⅱ -2 4. 23 Ⅱ -3 1 ½(¦Þíî¡¢¤ Èý¶· Ⅰ -1 ¤)ר,+, ½¡¢£¤¥ ÊÝÞßàÈý。 1 欦Þíî¡¢¤Èý ,íî^_½,+, ¤^_、 _°½ * ¼½ 2. 56、14. 30、11. 10 MPa) , ¾¿ÀÁ¡ ¢£º»¶·Ã CH4 ÄůÆÇ¡¢£ 2 6. 23 15 20 Èý。 ¦Þíî ß、 º `、®`、 áÇ`、 Ç`、 2 1 ³¯。 ½:¦Þíî ß, × 7 L, º 16 MPa, I - 1 ½º,Èý»¼º» 6. 78 MPa, »¼Ð÷ 2 ℃ 。 2 ½®` I - 1 ¡¢¤¿Í。 ®` 安全科学与工程·51· 332 ° ± ² ³ 0 ~ 8 min,、 , , 8 min, ( ) , 6. 76 MPa, 2. 11 ℃ , 、 ; 20 min, , ; 40 min, , ; 100 min, , 6. 69 MPa, 2. 12 ℃ ; 588 min, 、 , , 2. 02 ℃ 。 , 5. 71 MPa, 3 I - 1 、 。 ´ ¢ 2 2 ¦ ¦ ¶ 27 · µ GHbcd(Nbcefg Sloan [20] , I , V1 p 1 p2 - dV H R Z 1 θ1 Z 1 θ2 τ × 10 - 6 / , = 155. 812 × dτ 60 p2 1 - 4. 010 1 × Z 2 θ2 [ ] (1) 3 :V H ——— ,cm ; R——— V1 ——— 3 ,cm ; ; p1 、 p2 ——— ¡ ¢ ,MPa; θ1 、θ2 ———¡¢ Z1 、Z2 ——— ,℃ ; £¤¥; τ———¡¢,min。 (1) ¦ a 0 min b 8 min 、 , ¦§ ,¨¡ ,© 4 ª。 4 «, q 10 mL / min ¬ 20 mL / min , G1 1. 78 cm / min ®¯ 29. 1 cm / min; 3 3 G2 26. 2 ¯ 34. 6 cm / min, 3 c 20 min G1 、G2 ¯¢°±® d 40 min ¯²³, ´ ¯ ¢ µ ¶ 。 e 100 min f 588 min OP I - 1 JKLM(NVWXYZ[ Fig. 2 '2 Typical photographs of gas hydration separation process in test I - 1 ' 3 OP I - 1 JKLM(NVW\] - ^_`a Fig. 3 Curves of pressure and temperature of gas hydra tion separation process of test I - 1 ·52·安全科学与工程 Fig. 4 2 3 '4 GHbcdJKLM(Nbcefg Influence of gas separation rate behind bubbling rate GHbcd(Nhiefg £¤ Linga ¥ [21] ¬ ¦ ———§¨ η ©¤¥ α ·ª¸¹, CH4 §¨·ª«¬º CH4 §¨®,©(2) ª; ¤¥®»¼¯ Æ4 Ç 333 ±ÈÉ,Â:®¯ CH4 , CH4 , ,¡¢£ 、¤¥,¦ ¢§, (3) 。 ; η= α= H H H n HCH4 n F CH4 , (2) n HCH4 × ( n gN2 + n gO2 ) n gCH4 × ( n HN2 + n HO2 ) :n CH4 、n N2 、n O2 ——— O2 ,mol; , (3) CH4 、N2 、 n FCH4 ——— CH4 ,mol; n gCH4 、n gN2 、n gO2 ——— CH4 、N2 、O2 ,mol。 (2) 、(3) CH4 、 , CH4 、 , 5 。 : ©ª£¤,®¡¢ ¯° ¥±²,³,´¦§Ⅰ 12 2 12 ¨µ¶, ·¸ 5 6 ©¹·¸ 5 ª §, N2 、O2 º»¹· ¸,CH4 ¡¼»·¸, ½ N2 、O2 ¾ »¹·¸, CH4 » ¹ · ¸ « ¬ N2 、O2 , ,¬ CH4 »· 4 ¸¾¿, CH4 À Á, CH4 。 10 mL / min 20 mL / min, G1 CH4 4. 01% 5. 21% , 1. 63 2. 24; G2 CH4 3. 51% 4. 01% , 1. 33 1. 91, G1 、G2 CH4 , CH4 , CH4 , 。 ¨, CH4 、 ,° (2) , CH4 , CH4 。 : [1] Æ Ç, È [2] Singh A K, Kumar J. 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": , , TBAB SDS 。 , ¡ 、 ¢£ 、 ¤¥¦§¨。 2 ℃ © ª、«¬®¯°±,²³´ 0. 056 mol / min 0. 668 mol, ±µ¶· 。 ¸ ¹º,«¬®¯° »¼ ª¬½ 5 ℃ ³´±¾。 TBAB - SDS »¼¿ÀÁ,Âà TBAB Ä ©Å½ÆÇÈÉÊË,½Ì¥ÍÎÏÐÑ SDS 。 ÀÁ ; »¼; ; #$%: ª; ®¯° doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2019. 03. 001 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2019)03- 0255- 06 +./01:A Effect of initial temperature on gas hydration separation kinetics in TBABSDS system Zhang Baoyong1,2 , Zhang Qing1,2 , Zhang Qiang1,2 , Liu Chuanhai1,2 , Wu Qiong1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Professional Center Lab of Safety Basic Research for Hydrocarbon Gas Pipeline Transportation Network, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is focused on investigating the effect of temperature on gas hydrate rapid growth. The investigation entails using visual gas hydration separation and strengthening experimental de vice for an experimental study on gas hydrate separation kinetics for high concentration gas mixture under synergistic action of TBAB and SDS at different initial temperatures. The results show that the gas hydrate formation consists of the three stages, rapid, slow and stable one; the hydration rate and the average gas consumption at 2 ℃ is up to the peak value of 0. 056 mol / min and 0. 668 mol respectively, which is most favorable to the faster hydrate formation; along with the increase of temperature comes the lowest value in the average gas consumption and hydration growth rate at 5 ℃ ; and the synergism of TBABSDS could promote the growth of gas hydrate while a large latent heat of phase change during the formation of TBAB gas hydrate tends to inhibit the promoting effect of SDS on the formation of gas hydrate. Key words:gas hydrate; growth kinetics; initial temperature; hydration rate; gas consumption 2345: 2019 - 03 - 20 6789: ¡( ZD2017012) :; < = > ?: ¢ £ ¤ ( 1982 - ) , ¥, ¦ § ¨ ©, ª « ¬, ® ¯, ° ±: outlook. com。 ² ³ ´ µ ¶ ·, Email: zhangbaoyong2017 @ 安全科学与工程·55· 256 0 1 2 3 4 , , , [1] 。 , , ,、 [2] ¡、 ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ª 。 2005 «,¬® [3] ¯°±²³´µ ¶·。 µ¸¹, º»¼½¾,1 ¿ [4] , ÆÇ ³ ²ÀÁ à 180 ¿ÄÅ È、 - 15 ~ - 10 ℃ ÉʾËÁÌÍ Ã, ÎÏ, ² [5 - 8] À Ð ¦§ 、 ÐÉÊÑÒ® ÓÔ。 ÕֲרÙÚÎÛרÜÒ² ÀÝ 。 Þ«ß, à áâãäåæçè é ê ¢ ë × Ø ç è ì í Ù î ï。 ð ñ ò [9] ® îïó SDS ÄŲÀôõöáÕÖ, ÷øù,Çúû¹ SDS ÁäåÄŲÀôü [10 - 11] ýþÿ~}|{Ò[Ü\]。 ^_`® Ç@?>Ñ\ÒÈöÉʾ, THF - SDS =åר,îïøù,@? >Ñ\ÒãæÉÊ@ó CH4 ¶·, [12] ó²[ÜÒ²ÀÝ 。 <¢;® TBAB - SDS ãæ\ CO2 ( á á 5 1 1. 1 6 29 7 :/$îÁ²×Ø :/, 1 ¡¢。 :/£#¤¥²¦%§ ¨½¦%§,¨© 2 ª«¬¦%§、2 ª® ù¯°±²Ò 4 ª@³´±²Â+³Íµ¶ô。 § · Ó ´, ¸ È 20 MPa, ¹ º 100 mm,\ 800 mm。 » -¼½§È®ù ¬,¸È 20 MPa。 ¦%§¾Ñ²¿ÀÁÂ, à ü ¾ Ñ ² ¿ ß Ä ¦ % § Ñ \, Ä Ñ Å Æ - 25 ~ 95 ℃ 。 §¹Ñ\©¹¥ Pt100 Ç È É Ñ \ ÊËÍ, Ë ÅÆ - 30 ~ 50 ℃ , Ë Ì\ ± 0. 01 ℃ 。 Èö©Ì\ÈöÊËÍ, Ë Å Æ 0 ~ 25 MPa, Ë Ì\ ± 0. 01 MPa。 §¹Ñ \、Èö©Í:~ÎÏà ,Ð ÄÑÒÃüÓù+ÔÕ¤¥Ö×:~ØÑ§ ¹¼¦%¼½。 :/Ùæ TBAB \ 0. 2 mol / L,SDS Ú \ 500 mg / L, âÛ×Ùæ,Ü$",! ÝÞ¯Ùæ§ßàá。 :/:/0$ âØã²。 :/©",!äù §ßàá , -,x(CH4 ) = 90% ,x(N2 ) = 8% ,x(O2 ) = 2% 。 å²×Ø,:/øù, @|{ [13] óþÿ~},óר\。 D. L. Zhong ® îïøù,Ç 277. 15 K、3. 9 MPa、TBAB ¿× 0. 29% Éʾ,CH4 ¿× 30% .ר - CH4 ¿× 70% 。 ó \ = ( 29. 95% CH4 + 60. 0% N2 + 10. 05% O2 ) Ç , ¿ [14] 1. 38% TBAB + H2 O ²í ,ÇíÑ\¾\Ç TB AB + H2 O Ò² ²íÈöù² 。 ¹§Ù?>Ñ\Òãæãæ ÉÊ ×ØÕÖîï, ͨ Fig. 1 ô÷。 ]²×Øåý,ר÷,âÇ TBAB - SDS ãæ +@?>Ñ\ 1. 2 ¾,=²À]Üôõöáì îï,×?>Ñ\²ÀôÜÒ ÕÖ,ï ×ãæäå²À ]Üôµ,Â*²³×Ø) µ¸Òçè,²×Ø µ¸。 ·56·安全科学与工程 Ð('&% 1 Experimental system of gas hydration separation :/¾åæÑ\çèËÍ CH4 ,× 90% CH4 + N2 + O2 Ç=§ TBAB Ò SDS ¾²Àôõöá, üý¾: (1) 。 Ãüçèéê, ¥ 500 mL ë¨ TBAB 32. 327 g、 SDS 0. 250 g。 New ¦ Ã3 Ä Ç TBAB - SDS È ÅÆ,«: Classic MS , , MS200 , 30 min。 , 。 (2) , 。 , , 。 (3) 8 MPa。 (4) 1、2、3、4、5 ℃ , Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。 1 ℃ , ¡¢£ ¤¥¦。 § , ª,« È , Δt———Ë À § 10 min。 3 257 ÉÊ À Ï, 3. 1 EFGHPQRNOBST Ð, ´µ ©Ñ,Ò、Ó ©ÔÕ 2 Î。 I Ö׳Àض, Õ 3、4 ÷¸ I Ó © Ù ©。 Ú¢ ¨ 5 h © ¬。 (5) ® 27 ℃ ¯°, § ± (6 h ) ²©, ³´ 。 µ¶· 。 2 ¸¹º,, »,¼ ½ 。 '2 Fig. 2 UVWLXYZ[\]^_`abc Variation of temperature and pressure with time under different systems ¾¿ À¬À、 ,¡¢£, ÁÂà , ÄÅ ¤Æ [15] ©Ç 。 Ä Å Æ È ( 1 ) ÉÊ: Δn t = V g ( RZp T ) - ( RZp T ) , 0 0 t 0 0 t È:Δn t ———t ÀÄÅ,mol; V g ——— ¥,L; t t (1) p0 、p t ———¦ À§Ë À,Pa; T0 、T t ———¦ À§Ë À,K; Z0 、Z t ———¦ [17] ¬®¯,ÍÄ Å°±²Î¦°±, Ë ÀÄ۱³¦°±, Æ£ (2) ²Î: ( ddΔtn ) = Δn Δt- Δn , t + Δt t Fig. 3 À§ËÀ [16] ¨©,Æ Pitzer £ÉÊÌ ; R———ª, 8. 314 5 J / (mol·K)。 ¾¿ D. L. Zhong « '3 t [18] (2) WL I EFGHPHdNO\]^_`abc Variation of pressure with time during hydrate formation in system I ¹Õ 2 ~ 4 º¥, 27 ℃ 、8. 18 MPa » ¼, 1 ℃ , ³, ½ ÛÜ¢, Õ 3 a ¾。 àá ³, âã¿ å,æ ç, èÕ 3 b ¾。 ÓݳÞ, ßÓ³。 0 ~ 30 min ¸“ ä” , À» CH4 “ ä ” Á 安全科学与工程·57· 258 ¹ º » ¼ 31 min , , , 5. 6 ℃ , 7. 40 MPa。 c , 3 75 min, , , 2. 7 ℃ , 7. 30 MPa。 135 min,, , , , , 2. 5 ℃ , d 。 215 7. 20 MPa, 3 min , 1 ℃ , , , , , 1 ℃ , 7. 18 MPa, e 。 405 min, 3 , , 200 min , , 7. 15 MPa,, f 。 0. 31 MPa, 3 ½ ¾ ¾ ¡ “ ” , “ ” ¢£¤ 。 , ¥, ¦ §,¦§¨¦, ¦§ ¦ §, ©§ ,ª , ¦«, ¡ 。 (2) ( de ) 。 , ,¢,£ ,¡ 。 (3) £¤ ( ef ) 。 , ¤¬ ¥¦§¨©,ª, 。 ®¯ 1。 1 °« θ/ ℃ under different temperatures 1 2 3 Ⅲ 4 Ⅳ 5 Ⅴ 3. 2 3. 2. 1 Fig. 4 Process of hydrate growth in system I 2 ~ 4 , , : (1) ( bd ) 。 , , ·58·安全科学与工程 Experimental results of gas hydrate formation Ⅱ I Table 1 Ⅰ 4 À 29 Á ¿ ° / ± Δp / MPa Δn / mol ²³ 1 0. 56 0. 79 0. 31 2 0. 56 0. 79 0. 32 3 0. 51 0. 79 0. 31 1 0. 67 0. 79 0. 32 2 0. 93 0. 79 0. 34 3 0. 64 0. 79 0. 33 1 0. 59 0. 79 0. 30 2 0. 53 0. 79 0. 30 3 0. 60 0. 79 0. 31 1 0. 46 0. 79 0. 28 2 0. 57 0. 79 0. 29 3 0. 53 0. 79 0. 29 1 0. 50 0. 79 0. 26 2 0. 46 0. 79 0. 26 3 0. 47 0. 79 0. 21 ¬®´µ(2) ¯°±°« « υ, ² 5 ³。 ´ 5 , , ¶·¦« µ¶©¢。 ® 3、 5 ,±«µ 27 ℃ , ¸,¦,¦«。 ,,¦«·¸¦§¨© ¤ÅÆ,Ç: TBAB - SDS ¡»² Ã3 Ä 。 5 , 2 ℃ , , 0. 056 mol / min, , 2 ℃ , ,5 ℃ , ,, 1 ~ 5 ℃ 。 3. 2. 2 259 , µ£ (1) ¡¢¶·£ ¤ , ¥¢£、¤ ¸,¦ 6 §。 ¶·£¹ º¤, 6 , », , 2 ℃ ¤ª ( ¦ 1) 。 ¼ ½,¨¾»ª, »,¤ Fig. 5 '5 。 UVWLXGHPQRst Gas hydration growth rate in different systems , , 。 ,, , , , ; , [19] 。 , , CH4 、N2 、O2 , 。 3 , 30 ~ 135 min,, , , , 。 TBAB SDS 。 ¡¢£, ¡ 、 、 。 , SDS - ¤, , ,¥ 。 SDS ¦§, ¨,。 ,SDS ¦¤, CH4 ; SDS Gibbs ©§, CH4 ª , CH4 ; TBAB «¬ , ®¯ ° ± ¡, «² CH4 ², CH4 ³´。 '6 Fig. 6 UVWLXYZ[uvwWxyz^_`abc Variation of temperature and gas consumption with time under different systems 7 ©£ 。 ¿Àª¶· « µ£ (1) ¡ £ Ⅰ ~ Ⅴ ¤ ¬ 0. 562、0. 668、0. 589、0. 571、0. 504 mol。 ® 1 ℃ 5 ℃ ¢£ Á ¸ , 2 ℃ , 0. 668 mol,,», ,Â,5 ℃ , 0. 504 mol。 Fig. 7 '7 UVhiYZXwWxy{z Gas consumption in total under different systems 安全科学与工程·59· 260 à á â à 6、7 ,, 0. 79 MPa( 1) , , TBAB, , [20] 。 4 ,, [6] , º. ´Ï ÐÄ Cheng Y, Wang L, Liu H, et al. 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Vol. 28 No. 5 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2,3 , 1,2 150022; 2. 150022; 3. , 150022) ": , , , 。 : ¡¢£, ¤¥,¦§¨©¤ª; ,¦§ «¬®¯°、±²³´,¨©µ,¶·¸¹,¹º»¼§½¾, ¦§«¿À 1 MPa ,ÆÇÈÉÊ¥,Ȩ̈ÍÊÎ。 ÏÐ ÒÓ½ÔÕÖ×。 ÁÂÃÄ;µÅ, Ñ #$%:ØÙÚ; ; ; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2018. 05. 001 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2018)05- 0483- 05 +./01:A Effect of dissociation initial pressure on dissociation characteristics of gas hydrate Wu Qiang1,2 , Jin Kai1,2 , Zhang Baoyong1,2 , Gao Xia2,3 , Liu Chuanhai1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Centreal Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is an attempt to improve the stability of gas hydrate during storage and trans portation by investigating the law behind the effect of pressure on the dissociation ratio and dissociation rate under three initial dissociation pressures using a selfbuilt gas hydrate dissociation experiment device. The results show that, within the range of experimental scale, a larger initial dissociation pressure means a smaller dissociation ratio and instantaneous dissociation rate; the dissociation process involves an initial quick rise and a decrease in the instantaneous dissociation rate; the peak value is followed by a local fluc tuation in the instantaneous dissociation rate due to dissociation absorption and lack timely heat supply and the later stage of dissociation involves a greater average dissociation rate of stage and a longer dura tion in the pres dissociation ence of the dissociation initial pressure of 1 MPa. This study could provide a theoretical reference for the storage and transportation technology of gas hydrate. Key words:CBM; gas hydrate; storage and transportation; dissociation ratio; dissociation rate 2345: 2018 - 05 - 09 6789: (51334005) ;(51674108) :;<=>?: ¡(1959 - ) ,¢,£¤¥¦§¨,©ª,«¬®¯°,±²:³,Email:wq0160@sina. com。 安全科学与工程·61· 484 " ! 0 1 0 , “ ” , , 、 。 × < < \À = 28 3 2 Áü´Õ Ö@,+,  ÃÄÅ ÁÐ`´Õ Ö@, +。 ÆÇÈÉ Ê Å , , [1 - 2] , , ¡¢£¤¥¦§。 ¨©,ª 、« ¬®¯°±、²³¡¢£¤¥¦§,´µ [3] ¶·¸¹º»¼½¾¿À , ÁÂÃÄÅ、 /ä,ð üË,]^Õ Ö @;:,>)(@Ð`´Ù@ @ ,+。 1 1. 1 ÆÇÈÉÊËÌÍ。 , ÅÉË̼: ÎÏ、 ÐÑ、 ÒÓÊÔ£ ¾´é)(@Ð`, ;:.Ì'¨ Í ¶ÎÏÕ Ö@ªÏÐ, ÑÒ 1 ÓÔ。 ú 。 Ù, ÎÏÚÛÜÝ、 Þ ÁÕÖרìÁÕ、 ³ÐÁÕ、 ¡ÁÕ、 Ù ØÁÕ、©Ú¿ÁÕÅ。 Ù,¡ÛÛ [ 4 - 11 ] Õ ÖÅÉר ;ÐÑß´Åàáâ、 ãÐäÃåæ; ÒÓÉ ÊÆ、çèéêë,ìíî ¨ï。 ðñ [12 - 15] ¹ò CH4 £Ðóôõ¶ö÷øÕ Ö, ùú 316 L éÜÝáÞìÊ,Û ß¤àÐ 30 MPa,¼ Ö»¼Åûü、 ÇÈä、 ÅÉóô£、 ÅÉËÌýþÿ~、Æ}|{。 ¨©,[\Õ Õ ÖÅÉר]^ÅÄ_ÉÊ, [ 14,16 ] 。 ¼ß ^ ÅÉ,°Õ Ö £ü - Ð`óôõ、é@,] ÑÅÄ£ÇÈÅÉÚÏ]。 ¨©, ? >Õ Ö@, Õ _Å 。 , \Õ Ö@ Éר= Ó ?>, ¼ <。 ðñ [15,17 - 20] Ì]^Õ Ö@;:, ü、` @ò `<ü>Õ Ö ¨, ¹ò³ [15] Õ Öü@ ,ù 0 ℃ [ 17 ] , õÕ ÖÄ /.°± ðñ[18] ª[\Ï<`< î Ö@£ `<, @ ú.°±ò。 ðñ [19 - 20] `< -Õ üÕ Ö@, ¹ò@` ,+,£`<`¡ ¢Õ Ö@ £¤¨ 。 ©, ðñ [21] ¦Ð_«ß´Õ Ö]^@;:, § ]^¨©ª,¹ò«¬® @Ì,úÌ õ ¯°¶ªÕ Ö@±, ù ¥ ²@±³, «´Ù@,+´µ²¶。 ðñ[22 - 23] ·?>¨Õ Ö @ @¸¹、Õ Öº¶´@,+。 »*¼½,¾´Õ Ö@,?>¿ ·62·安全科学与工程 Fig. 1 1 Gas hydrate dissociation equipment áâ 1 L,ã ü¯° - 10 ~ 50 ℃ ;רìä± - 10 ~ 60 ℃ ,Øåü ± 0. 1 ℃ ;æÐçØÐå ü ± 0. 1 MPa。 ;: Õ è PacificT Ⅱé êëìíîÀÕïìÊÀð Õ, ñìò SDS â±ü 500 mg / L óÎ 200 mL, Ù SDS Öô & õ Ï Ú ö ÷ ¼ ¤ ø ù ª ú; Ë G ( CH4 ) 80% , ( N2 ) 16% , ( O2 ) 4% ,Ö% $#û/ ¼¤øùñì; Õ Ö ü、Ð` 2 ℃ 、7 MPa, @ü 2 ℃ , )(@Ð` p o 0、1、2 MPa。 1. 2 ;:üÊýþ:(1) ã Àð ÕÿÛ ,§~Ú;:Ã, }ñì| SDS óÎ{[¡ Û;(2) Û , (¦, \üûÈ 2 ℃ ]ÿ¡Û 2 ~ 3 ^,_¡ÛÝ ;(3 ) `¡Û@[ 7 MPa Ë, ( £5 ¤ ,;(4) , ;(5) , , ;(6) , , ;(7) , 。 , 2 。 2 ,, A、 B C。 , ;, ;, , ¡ ¢ £¤¥¦。 §¨© 0 1 MPa ª«。 , 0 MPa ¬®, 0. 9 MPa,1 MPa ¯ °, ± 0. 8 MPa, ¯²³°´; , 1 MPa ¬° 0 MPa , ¯² 0 MPa °´, 0 MPa µ 1 MPa ¶。 Fig. 2 2 485 ½ v ÃÄ ¦,§:¨© ¥ , (n ) - ( ng ) t △n g g t +△t 。 = △t dt t ( v = ) (3) ¾ v Å ¾ ,ƺ³© Å 5 min, - v = [ ( n g ) t +5 - ( n g ) t ] / 5 , - (4) :p———,MPa; V——— ¯Ç,L; θ———,℃ ; Z———È,»¼É¡Ê; R——— Ë, 8. 314; (n ) , ( n g ) t — t + △t 、 t g t +△t ,mol。 2 2. 1 (1) 、(2) »¼, Ì¢ 3 。 3 Variation of pressure curves under gas hydrate dissociation 1. 3 · ¸¹,º³»¼ 、½ ¾ 。 , △n g △n g = ( ZRpVθ ) t = t +△t x t ¿ ², xt = (n ) g n - ( ZRpVθ ) t=t 。 (1) À»Á t × 100% 。 (2) Fig. 3 Variation of dissociation ratio with time for gas hydrate under different pressure 安全科学与工程·63· 486 § ¨ © ª 3 ,, 。 ,, 0 MPa , 19. 5 min , 2 MPa 1 MPa , 19. 5 min , , 67. 7% 。 19. 5 min 100% , 。 60 min, , 0 MPa , 99. 2% , 95 min, , 96. 8% 95. 3% 。 2. 2 (1) 、(3) ¬ ¬ ¯ 28 ° ® 10 - 3 mol / min, 2 MPa , 22. 9 × 10 mol / min, 2 MPa, 0 1 MPa -3 74% 41% 。 1 MPa, 2 MPa。 0 MPa, , , , ,, ,, ,, , ¡ 。 4 。 4 , , 0 , « , ,。 2 , ,, (1) 、(4) 5 min , 5 。 5 Fig. 5 Stage of average dissociation rate of gas hy drate dissociation process 5 ,, 。 0 ~ 5 min 5 ~ 10 min ¢, , ;10 ~ 15 min, 1 MPa 0 MPa , 1 MPa Fig. 4 4 3 。 ,。 Instantaneous dissociation rate of gas hydrate dissociation process , 。 -3 0 MPa , 39. 9 × 10 mol / min, 1 MPa , 32. 5 × ·64·安全科学与工程 (1) £¤, , ¥, 1 MPa ¦, , 5 min ,。 (2) , ,¥, Â5 à ¬ ®, :ÄÅ 。 (3) 、 , , , [3] , 2015, 36(12) : 2637 - 2640. , . , [5] [6] . 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( ) 安全科学与工程·65· 27 4 Vol. 27 No. 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2017 7 July 2017 CO2 CH4 N2 TBAB 1,2 , 1,2 , 1,2 1,2 , (1. , 150022; 2. 1,2 , 150022) , ": CO2 - CH4 - N2 - TBAB 4 , Raman , ! 。 : G1、G2 CO2 ;G1 - 0. 4 mol / LT BAB G2 - 0. 8 mol / LTBAB ¡¢£¤¥ CO2 - TBAB ; ¦§¨ TBAB CO2 - CH4 - N2 ©ª«¬。 #$%:; ; ®¯°±²³; ´µ²¶ doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2017. 04. 003 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2017)04- 0334- 06 +./01:A Test analysis on CO2 CH4 N2 TBAB hydration system by Raman spectroscopy Liu Chuanhai1,2 , Wu Qiang1,2 , Zhang Baoyong1,2 , Zhang Qiang1,2 , Wu Qiong1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is an effort to explore the crystal structure of CO2 CH4 N2 TBAB hydrate sepa ration system. The exploration is focused on the Raman test of the hydration separation process of the gas in the four systems using Raman spectroscopy, an insight into the hydrate Raman spectra, and an analysis of the composition of hydrates in different systems. The results shows that the gas sample G1 and G2 are synthesized into the CO 2 hydrate in the pure water system; under the experimental conditions, G10. 4 mol / LTBAB and G20. 8 mol / L TBAB solution are synthesized into CO2 TBAB hydrate. The study describes the mechanism of TBAB effect on the hydration of CO2 CH4 - N2 . Key words:coal mine gas hydrate; Raman spectra; tetrabutylammonium bromide; carbon dioxide 2345: 2017 - 05 - 12 6789: (51334005) ;(51674108;51274267;51404102) ; ¡¢£¤¥¦§¨©(2015 ) ;ª«¬®¯( DD20160216) :;<=>?: °±²(1988 - ) ,³,´µ¤,¶·¸,¹º:»¼½¾¿ÀÁ,Email:liuchuanhai0429@ 126. com。 ·66·安全科学与工程 +Ú*,¶:CO2 - CH4 - N2 - TBAB ©®þ\];:_ -4 , 0 335 H2 - TBAB ©µ\]³¯_,ûü©µ、 ÇÌß¶¡¼Äµø©µà´、 ¶´ ´ Ë·ø。 Ìæî¨§¨\]¨©^ªìí¸ TBAB ÷Ø [1] , , (CO2 ) 。 , CO2 ¡¢ 。 £¤ [2 - 4] ( CO2 - CH4 - N2 ) ©µ«¹ûü@º ?»¼。 ½ë¾>¿§¨\]¨©^ª, ÿ~=û³¯Ý»îÀ, ÿ© ,¥¦§¨©ª«¬® CO2 ¯° <É Raman ¨©_ÄäÅ TBAB - © ± CO2 ¡²³´。 ©µ ( CH4 ,N2 ,O2 、 CO2 ¶) ·© ¸¹º»¼½¾¿ÀÁ [5] Â、ÃÄÅÆÇÀȵ 。 §¨Ç À©µÀÁÉÊ,ËÌÍ® 、ÎÏÐ Ñ、 ¯ Ò Ó Ô。 ©µÕÁÖ× - Ø - ªÙÚÛÚÜÉÊ。 ¥Ý©µÕÁÞß Æ、áâã äåÝÍ®·à CO2 æç。 èéêÄëìíî¨ïðñòóô µ¸ TBAB ÷Ø©µ³¯ÁÂø, µÕÁÆÇ, Ȥ TBAB - ©µÁ ,É¿Ê˹òÌȤ TBAB CO2 - CH4 - N2 ©® 1 1 1 ºà [6] õ¤,ö TBAB ©÷øµÜ , ¦ùÄëú。 TBAB º½¾¿ ËÀÁ©µ, ± TBAB ©µ 12 2 12 3 (5 6 、5 6 ) , ö· TBA + ®Ù 12 [7 - 10] 。 è Ù ©µ (5 ) [11 - 14] , éÄë TBAB ©µìí¦Æûüý Oyama ¶ TBAB ©µ È : A ( C16 H36 N + Br - 26H2 O ) º B [15] Í。 ©®ÿ~ ÎÏÐÝ»ËÑ îÀÒÁ,îÀÓ¨ÔÕÖÑר§¨ ÙøÝÚ»øÐ, îÀÌÍÛ® 3 mL、 Ü» 20 MPa。 ÿ~ݨ§¨\]¨©Þ¬ JY ßà Õá Lab RAM HR - 800 ˼¿âã\]¨ ©Þ,±©µ;:äå¦;:æç、ì²è ¿éþê, âãÍëËìí` ãéó,\]³¯;:ôå,õ 1 Ýö。 ÿ~î¨ ÷øù¸ CO2 、 CH4 º N2 , ± 80% CO2 - 6% CH4 - 14% N2 , AB ©µ /}.ý ¸½¾¿Ë TB , TBAB ¹Ý, ©µà H2 м。 Kamata ¶ ûü, CH4 , CH4 / C3 H8 - TBAB ©µ 2 μm îåïß,äÌ 532 nm §¨ð 50 ñò (C16 H36 N + Br - 38H2 O) ,©³ 26 º 38。 Strobel ¶ [16] ûü³,H2 1 μm、 ¤¹ 11% CH4 - 14% N2 ;ú ÷ G1 ÷ G2 75% CO2 - ® 99% ,øûü Ìþßà。 [17] þÌ CH4 ©µ 。 ±ÿ~½¾è TBAB } ¹ TBAB © µ Õ Á Æ, ö [18] ¶ ûü, TBAB - CO2 ©µ}。 | ÇÀ©µ ýÊî¨{ÄûüÌ[ ,±È、Áç、»Ù、ÛÄ· ¼Ä¸ø、Á·ôĶ¢Ì£¤ [19] ¢ûü。 ¥ ¦ ¶ ì í CO2 - H2 - TBAB - Fig. 1 ^ª«¸©µ ( CO2 ,H2 ,TBAB - H2 O) Á¬,_µ CO2 ® 1 2 H2 O Ö×þ CO2 ®ÿ~, ¨\]¨© 40% ¯ 10% ~ 18% , ±\]¯°`ݱ² [20] Õ 6 cm 。 Shunsuke Hashimoto ¶ ìí -1 1 Apparatus for hydrate in - situ measurements using Raman spectroscopy (1) `îÀèð¢ÿ~}©, î¨ å|«¬{[îÀ 2 ~ 3 \,]ÿ~ÀèîØ 安全科学与工程·67· 336 ª « ¬ ® ¯ ° ° ² 27 ³ ± 2 ℃ , TBAB , , , , 20 min 1 。 , , 4 2 ~ 5 。 a 25 min 1 Initial experimental conditions n( TBAB) / Ⅱ 6% CH4 + 14% N2 ) Ⅲ G2(75% CO2 + t/ ℃ p / MPa 4. 84 0 1. 5 0. 8 11% CH4 + 14% N2 ) Ⅳ 0. 4 G1(80% CO2 + Ⅰ V / mL mol / L Table 1 2 4. 92 0 , 。 532 nm 60 s, , b 45 min (2) , , 5 , ¡¢, £ ¤¢¥。 2 2 1 CO2 CH4 N2 - G1 ¦§ 2a ~ d 。 °,½ 1 272 ³ 1 378 cm - 1 CO2 ¸¹º»¼ Å¡ÆÇ (51 262) ¿À; ¶ I ÈÉ N2 ³ CH4 Ê ¢£,2 900 ~ 3 600 cm ¨ ¾¥¿À CO2 Á¸。 ¶ ,CO2 ¸ÂÿÀ, ÄÄ Â ,¨©,ª¢«¬ ®¯°±, ² ´µ,¶±· c 65 min -1 ®,ÎѦÒÓ。 ÔÕÉ 85 min , ¢£Ä¥ CO2 ¸Ö,CH4 ¦ N2 ¸ ¢£。 ¸°×ØÂÙ§¨ ·68·安全科学与工程 Fig. 2 Τ, ª¢ CO2 °®ÏÐÎ ©,®¯Ë°。 2 ˰±·。 2a ~ d ©,ÌÍ G1 d 85 min Raman spectra of gas in hydrate phase formed by gas sample G1 G2 ¦§ 3a ~ d , ,¨©,ª¢«¬ -1 ®¯°±,² 1 272 ³1 378 cm ´µ,¶ CO2 ¸¹º»¼°,½ ¾¥¿À CO2 ¸。 ,CO2 ¸ ±· ,:CO2 - CH4 - N2 - TBAB 4 ,Ⅰ (51262) ; N2 CH4 ,2 900 ~ 。 。 85 min , CO2 ,CH4 N2 。 , 。 2 2 CO2 CH4 N2 - TBAB - 4a ~ d G1 - 0. 4 mol / LTBAB 。 3 600 cm - 1 337 a 25 min a 10 min b 45 min b 30 min c 65 min c 50 min d 85 min 3 G2 Fig. 3 Raman spectra of gas in hydrate phase formed by gas sample G2 3a ~ d ,, CO2 , 4 Fig. 4 d 70 min G1 -0. 4 mol / LTBAB Raman spectra of hydrates formed by gas sample G1 and TBAB 安全科学与工程·69· TBAB 700 ~ 1 500 cm - 1 2 800 ~ 3 000 cm - 1 ; CO2 , 1 274 1 377 cm - 1 ; N2 , CH4 TBAB , ; CH4 a 5 min b 25 min -1 c 45 min 5a ~ d , , TBAB -1 -1 700 ~ 1 500 cm 2 800 ~ 3 000 cm ,;CO2 , 1 278 1 383 cm - 1 , ; N2 ; CH4 TBAB , CH4 ; G2 - 0. 8mol / LTBAB CO2 - TBAB 。 , Raman CH4 、N2 , , CH4 N2 , CH4 N2 。 CO2 ·70·安全科学与工程 ¡ 27 ¢ -1 -1 1 278 cm 1 383 cm ; , N2 CH4 TBAB , CH4 ;2 900 ~ 3 600 cm ,¡ CO2 ¢ CH4 、 N2 £。 2 900 ~ 3 600 cm - 1 。 4a ~ d , , TBAB -1 -1 700 ~ 1 500 cm 2 800 ~ 3 000 cm ,;CO2 , 1 274 -1 1 377 cm , ; N2 ; CH4 TBAB , CH4 ;G1 - 0. 4 mol / LTBAB CO2 - TBAB 。 5a ~ d G2 - 0. 8 mol / LTBAB , TBAB -1 -1 700 ~ 1 500 cm 2 800 ~ 3 000 cm ; CO2 , 。 338 5 d 65 min G2 - 0. 8 mol / LTBAB Fig. 5 Raman spectra of hydrates formed by gas sample G2 and TBAB 3 TBAB ¤ G1 G2 CO2 ÍÒÓ,©:CO2 - CH4 - N2 - TBAB Ð4 Ñ -1 , 1 272 1 378 cm ;G1 - 0. 4 mol / LTBAB CO2 1 274 1 377 cm - 1 ,G2 - 0. 8mol / LTBAB CO2 1 278 1383 cm ,G2 - 0. 8 mol / LTBAB CO2 [4] ¥, , ¦ [5] §, 4 ~6 , CO2 G2 - 0. 8mol / LTB AB 51 262 51 263 , CO2 51263 [6] [7] [8] [9] [10] , , TBAB , [12] 4 ¢, £¤ , ¥¦§ ¦¨©¦ª。 (2) , « G1、G2 CO2 ;G1 - 0. 4 mol / LTBAB G2 - 0. 8 mol / LTBAB ¬®¯ CO2 - TBAB 。 (3) °± CO2 ¥ TB AB «² TBAB CH4 、N2 ©; CO2 - CH4 - N2 [13] . µ¶·¸ ·, 2011(1) : 84 - 89. ¹º [16] , [17] [3] , Æ , £. 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( ) 安全科学与工程·71· !" ¡¢£¤¥¦ §¨ ©ª «¬®¯°¤§ ± ±²³´µ¶ ·¸¹ º» ¼½¾¿»ÀÁ»ÂÃÄÅÆ ¨ ÇÈÉÊËÌ ÍÎÏÐѲ ËÒ¨ ¼½¾¿ÓÀÁÓÃÄÓÔ²ÕÖ×ØÙ¤ÚÛÜ´ ÝÞÚÛ¤¨ ß #$% ¨ ©ª ±±²ÝÞ &'()* +,-* +./01 2345 6789 ¡¢£¤ £¤ :;<=>? ¥¦§ ¨©ª«¬®¯°±²³´ ·72·安全科学与工程 µ¶·¸ &%$#¦ ·" ! ¸¹«ºº»¡¼½¾ £¤ãäå «¤© È¿ À Á£¤ ÃÄ ÅãäåÃÄ+ÆÇ È«{+Æ îÉÙ½+Æ Ê*Ë£¤ ÃÄ ¡¢£¤¥¦§ ¨© ª ÅÌÆ`£¤ ÃÄÅÍ ä Å ÅÎÏÐß «¬ ® ¯°±²³´ªµ¶ ·¸¹º »¼°±½¾¿ Î;ѨÞÒ¼ ÓÔ ÍÏ «Ë¼ Ç È¯ß ÀÁ ¯Âà ¢ÄÅÆ Ç ÈÅÉÊË ÌÍÎϤÐѯ ìÕÖì ÈÒÓÔÕ Ö×ØÙ¾ÏÚ ÀÁÛÜ °±¢ÝÞß® ÝÞ àá«ÁâÀÁãäå æçè °±¢éêãä³ë®¿ ÀÁÏÚì íîïðìß Ï¤êñ °±¢ÝÞðìòó ôõ ö á ÷ á ø á ì ù ú û °±üß¡ýþ¢ ÿ~ }â|{[\]^_`ß®@ ¢ÝÞ ðìö `ÝÞìß[®Ø ? > Ö°±ü ß=<ÀÁ °±²³ ¯ ë°½£¤ ãäå³ë «?> ß ¿ ´µã´´×ØÙ ¢ ´× Ú)´µ`«¾ Û ;« ¯=< ܨ(ÝÞ ²´µ´× È¿ ¾' ì À Ù [ ðì â ø Ùë«ð â Ö «ðì : ³ « ÃÝìÝ ¦ ¡¢Ùë£:¤¥ ¦ §¨©?>¾¦ªÃ/ ?>¨¦¯ß «¬® ´° ¯ß ± ¦§©²³ ?>ë´µ«¶ì ·.-, ?>¾ ¾ « 安全科学与工程·73· Ç¢ÈÉ Å Æ ¡¢ ¡ ªÊ § £ ¤¡¥¦ ¨ § «£¬¤¥¬® ¢© ª ¯° ± ² ³ ¨±´ ª ¦§µ ¢©¥ ¶· ¸²¹º §¨±© ¢©»¼ª«§½ ¾ª ¿À Á¬® £Â Ãĝů¯ Çȯ ª°± ÉÊ ªË¥ÌͲΠ¼ÏÐÑ Òª³´ µ¢Ó ± ¶ Ô Õ ¥ ªË¥ Ö ªË¥ תØÅ§·Ù ÚÛÜ¸Ý ªË¥ Ë¥£Å¹ÍÅ§Í Å¹ÍÞ£¥ß ͺ¯ÍÅÆ¯»¹Ë¥à¼ªáâ ½ÃÄ ¾¯¿ Àã§ Á ó ÅÆ¯ÇȯäÂáâ ·74·安全科学与工程 ¡ ¶£Â ªË¥ Ë¥£ ÄÔÌÍ · ¸ ¹ º ª ¡ ¢£ £¤¥¥¦§¨¦§ ¨ ¥¦ © ©ª«ª ª¬®¯° «¬ ® ¯ ± ¡ ¤¢ ½ ¾ ¼ ª » ²³ °± ´ ²µ¶·¸ ¹ º»·³¼½ ¯ ± ¾¿·³ ÀÁ´µ ÀÁ¶Â 安全科学与工程·75· ¾ ÀÁ ¿ £ Ã¥¦ M1 3# 45M1A-B# * )=9 )# = ;( ,B)' ' , ( :&"94)&7-!( )' , > %, )( # :4 * ")= K1 ¡ 3# 45K1L"7(* # ( * = ,):!& ' ( , :4' 7, :D, = "B,"94)& ¢£ 7-!( )' , > %, )( # :4 * ")=9 "(!# 9 9 , ( , :'& ' )4, & ¡ ¤¥¦ § ¨ © ª ¨ ¡ « ¢ £ ¤¬®£ 20 G1 ¯°± · ¸ ² ³ ´ µ ¶ ¬ ® ·76·安全科学与工程 §¹º » ¤ ¼½ °± ² ³ ® ¬ « ¯ ¡ ¦§¨£© ª ¡¢ £¤¥ 安全科学与工程·77· 26 2 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2016 3 1,2 , 1,2 , Mar. 2016 3 , Vol. 26 No. 2 1,2 (1. , 150022; 2. , 150022; 3. , 150022) ! 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The investigation draws on a series of conventional triaxial com pression experiments on the gas and hydrate bearing coal obtained from - 600 m outburst coal seam in Taoshan coal mine of Heilongjiang Longmay Mining Holdings Refco Group Ltd using the selfdeveloped integrated apparatus for gashydrate formation and triaxial compression. The results show that an increase in confining pressure results in a tendency of converting from softening type to sclerotic type in the stress strain curves of two kinds of coal samples, and the formation of hydrate not only strengthens this trend, but also enhances the cohesion of the coal samples, but without any effect on the internal friction angles; the constant gas pressure provides a linear increase in the compressive strength, the peak strength and de formation modulus of the outburst coal samples due to an increase in confining pressures; and an increase in confining pressures tends to change the failure surface of coal samples from radial direction to an axial one, contributing to a gradually larger rupture angle. Key words:gas hydrate; gas hydratebearing coal; mechanical behavior; triaxial compression test 2345: 2016 - 02 - 01 6789: ¡¢£(51334005) ;¢£(51274267;51404102) :;<=>?: ¤ ·78·安全科学与工程 ¥(1959 - ) ,¦,§¨©ª«¬,®¯,°±²³´, µ¶:·,Email:wq0160@ sina. com。 118 0 < ; : / " 26 ! # 、 , 、 , [1 - 2] 。 [3 - 5] ¡¢ £¤¥,¦§¨©ª« ¬®,¯ ±², ³´µ¶· [6] ¸¹º»¼。 Hyodo ¨ ½¾·¿ÀÁ '1 DEFGHIJKLMNOPQRSBC ° Fig. 1 ª«Ã¸ÄÅÆÇ¬®, ¯°Èɽ ¾§ÊËÌÍÊÎÏ、 ÐÑÒÊÓÔ ÕÖ, ¿×ØÙÚ·,ÛÙÓÔÑ¡ÜÖ [7] Þß§Ê。 àá⨠ãä 徿çåè龪«ÅƬ®, ÈÉêëé §Ý ¾ì íîïðñ , Õòóôõö [8] êëøù。 úû⨠ü¾ ª«ý±ÅÆÅÆþѬ®, ¬®ÿ~ÅÆ ÷ Ç}|{¾[\§Ê、]^§ÊÑ¿_`。 [9] @¨ ü?> Þߪ«ÅÆ ¬®,×Â`ø§Êì 。 [10] ¨ ¯°Ñ}|{ü¾ [11] ëêë±²。 ਠ?>Ñ}|{ü?>ÔßÝ Ý Þߪ«ÅÆÇ¬®, ~³ÃÝ Þß 。 ¯°¡ ì Ì , ÑüÝ êë, Þß ©=í 1 1 1 @ABC triaxial compression on gas hydratebearing coal @ATU ã嶪«¬®, è=;){ 600 m ¡, ¡¢ ÈÙ£¤, ¥§Ê,¦ ¼ [12] ϧ 。 Ò Ê å 60% ¨ ©,ª«¬ 178 ~ 250 μm ®¯°´ `±² ,°¿¶ 97 kN,å³100 N / s´ µ¶,·¸´¹º 30 min,¿¶ ·å¿ 50 × 100 mm »¼é¾;¾½å¿¹ ü¶ª«¾, ÔÊ、¿ÀÜ(üõÀ×Áª «  à é, ¬ ® · à ÿ Ä @ è 0. 480 N / m,ÃÅÆÇè 140°, ¬®ªÃ 0. 14 ~ 240. 00 MPa, ¸ È À 0. 007 0 ~ 1 000. 000 0 μm。 ¡ É é ¾ ¹ È Ê V p 0. 145 3 mL / g;¬®?ËÌÍή¯Ï= «å,* 99. 99% ÐÀÁ, '&%Ñ~* ÒÓÔÓ。 ¾¾½»¼ 。 Table 1 Ⅰ ¶ÅƬ®, <;: /.-,¬®+=í Å ÆÇ ¬®ª«, é 1。 Ó - Ô, ¿ ( ÔÏÍ ) , ¸´; *, ³*¹; ¡ûöÑ 30 MPa, Æ 50 MPa,Æ Ê 0. 1 mm,ÍÊ ¬®ª«> åù 0. 5 ℃ 。 1 2 ÕÖ ¶Ý Integrated apparatus for gas hydrate formation and ÔÅÆÇé ,ÛÙü`¬®¯°,?>Ñ{Ý Ýì Ⅱ V1 ¾×Ö 1 -1 1 -2 1 -3 2 -1 2 -2 2 -3 ÿ 1。 @AJWWXYZ Parameters of test coal sample / mm 50 m/ g 101. 0 237. 2 4 99. 7 237. 2 4 50 100. 0 50 100. 0 50 50 50 p g / MPa p c / MPa h / mm 100. 6 99. 8 237. 7 237. 4 237. 6 237. 5 4 4 4 4 5 6 7 5 6 7 1 3 @A[\ ¬®×äØÙ×, ÚÝ ÅÆ Ǭ®ÝÅÆÇ¬®。 æ [13] Û ·Ñ´Åب$(5、6 7 MPa) 。 ¶ é¾Ý}|{Ý }|{×ܪ 安全科学与工程·79· Õ2 Ö × §,Ø: 。 (1) , 0. 5 MPa , 0. 1 MPa , 。 (2) , 、 , 4. 5、 4. 0 MPa, 4. 0 MPa, 48 h, 0. 5 ℃ , , , 15% , ; 。 , ² ³ , ¡ ¸, ¹ º » ´µ¤¦¶ · ¿À¾¿ , À ³ ´ ¶ £ ¤ , Á Á µ  · ¸ ÃÄ Å Æ , ¶ ² ³ Ç , Â Ã Ä È 。 « ¬ : ¤ ż«¬ , É Ê Æ Ë ¡ Ǭ , ¹ º Ì Í 。 ½ « ¬ ,ÆÈÉÏ Î® Ï ¦§¾¿ , ¾ ¿ ¿ ¼ 。 Ê Ë « ¬ : ½ « ¬ ¿¾¿ , Ï § (4) , , ¦§ÌÐ , ÆË²ºÍ 。 «±, ÑÒÎ 。 119 ® ¯ « ¬: ° ¡ ¤ ¦ « ¬, ² º ± § 。 (3) ®» ¼ ¼ ½ ¾ 。 ½ « ¬ § 、 12 h, 。 ®¢ÓÔ,ÅÏ,ÃÕ¼ 2 2 1 - 4 MPa, 5、6、7 MPa ¡, - 2 。 - ¢£¤¥¤¦§ ,¤¥ 15% ¤§ ;¥¨ E50 © 。 2 ª, «¬ (5、6 MPa) ®¯, ° «± (7 MPa) , ¡®¢ £¤,²,¤§ ²¥。 , µ ¹§ ,±Ö¹Ï ÑÐÏ § , ³´¦§, ³´¶¨·¸©ª 。 ÉÍ×,ÑÀ ³´¥¦§Ø§,ÒÅÆÏ °°Ó±¹§ 。 Ç«¬¤§ ÙÚÛÜ。 µÊ˧ 2 2 - Ý °Þ, ®¯« ¬²²³, · ß 5% âµÌã¦, ²¼ÌÐ © °¼àá¼; 5、6 MPa ; 7 MPa , 6% âµÌã ¦,ªäÑÓ± ¾¿¿, Ó § 。 5、6 MPa - ± 7 MPa ,¡ ¢®, »®¯å¢ÓÔ。 ° 2、3 ¿À,²º, - ¢æ°¢Ì, ° ÑÃçÔÄ£。 2 Fig. 2 Stressstrain curves of hydratebearing coal ·80·安全科学与工程 - ¬ , ª « ¬ 。 , Fig. 3 3 - Stressstrain curves of gasbearing coal 120 2 3 ¶ · ¹ 2 3 ,, , , ; , 。 ¸ 4 , ,, , , 。 。 º ¼ 26 ½ » :σ1 ——— ,MPa; σ3 ——— ,MPa。 , , ¡ p c , ¢£ 、¤¥ ¦。 5 §¨©ª«¬® E50 ¡ ¦。 ¡ , E50 , ¯°。 E50 ¡ ±, ,²。 E50 ¡ , ¡ 7 MPa 5、6 MPa , , , 。 £¡ 。 a Fig. 5 b Fig. 4 4 Mohr circle and strength envelope of two samples Relaticnship of deformation mudulus with confining pressure of two samples ³ (1) σ———,MPa; φ———,( °) ; ,MPa。 (1) : 2c·cos φ 1 + sin φ + σ1 = σ , 1 - sin φ 1 - sin φ 3 : c——— 6 ¡ q f 。 ¡ ´, µ。 Mohr - Coulomb 。 τ = c + σtan φ, :τ———,MPa; 5 (2) Fig. 6 6 Damage deviatoric stress curves of two specimens under different confining pressure 安全科学与工程·81· à2 á 2 4 » 121 ,É:Õ« 7 , ,,, 。 5 MPa , ,; (6、 7 MPa) , , , , 。 , , ¡、¢£¡¤¥ 。 (3) , ¦。 § ,§ [1] , , , 。 [2] [3] : . ¨ [ M] . . ©ª«¬®¯ : °±, 2005. ², ³ ´. µ¶ ¨ [ J] . ·¨ 。 « © ª ¸¹°³º, 2007, 24(3) : 253 - 259. » , ¼ , ½ . ¾ ¿ À [4] » . ¨Á ÂÃÄÅ[ J] . Æ® [5] » , , 。 [6] [ J] . º, 2005, 30(3) : 283 - 287. ¯, 2014, 42(6) : 81 - 85. . [ J] . º, 2014, 39(8) : 1492 - 1496. HYODO M, NAKATA Y, YOSHIMOTO N, et al. Bonding strength by methane hydrate formed among sand particles[C] / / Powders and Grains 2009, Proceedings of the 6 International Conference on Micro mechanies of Granular Media. Golden: American Institute of Physics, a 2009: 79 - 82. [7] ¼ÇÈ, ³, , É. Ê˾« ÃÄ[ J] . µ¶º: ÌÍÆ, 2012, 36(4) : 97 - 101. [8] ÎÏÈ, , Ð, É. ÑÒ «¡ÓÁ[ J] . ·¨ 456 - 461. [9] 7 Fig. 7 3 b [10] Ô, , ¼´, É. ÍÕÊË ÂÃÄ[ J] . , 2010, 31(10) : 3069 - 3074. , [11] confining pressure [12] ÙÂ[ J] . Úº, 2010, 33 (11 ) : ¼, , ¡¢, £ , - , (1) 。 (2) ·82·安全科学与工程 , [13] Û, 2011, 38(5) : 637 - 640. ¤, ¥Ü¦, É. ÂÃÄ[ J] . 3694 - 3702. ¢, É. ÊË Ó[ J] . Á , ÔÈ. Öר 129 - 133. Figures of coal samples under different ¸¹°³º, 2014, 31(3) : Ô©, ª, ¥§¨Ý °³º, 2015, 34( S2) : , É. [ J] . Þ ß ½ Æ ® º, 2015, 25 (2) : 137 - 142. ( ) !" ¡¢£¤ ¥¦§¨© ª« ¬®¯° ±²³´µ¶·¸¹º´»¼ ½°¾¿ÀÁ««Â ¿ÃÁÄÅÆÇº´ÈÉÊË #$% « ÌÍÎ &'()* +,-* +./01 2345 6789 :;<=>? ¡ ¢£¤¥¦§¨ 安全科学与工程·83· #"!íî (ÊÇÈ % $ ¡ ¢£¤ ¥¦§¨© : ÊË/ ¬®¯°± ·¸¹Á ª« ²³¦´¥µ¶ É ·¸¹º»·¼ ½¾¿À ·¸¹ÁÂà ÄÅÆ·¸¹Ç ÈÉÊËÁÂÌ ÍÎÏÐÑ ÒÓÔ¨ ÚÛÜÕÖ×ÝÞ ÕÖ×ØÙ ßàáâß ãäåÁÂæçèéê¨ëì íîïðñòÀÛÜÕÛÜáâßó ôõÁÂæç ö÷ôõ ÇÈ øÄÇÈÁÂù¦ Àîúå×û ù Á Â Õ ü ò í î ý Ó þ Ð ô õ ý Ó ÇÈÕÖþÐæçÊËþÿ ~}ýÓ þÐ ÇÈ|{ ÇÈÁÂü ÊË[ÔÒÓ\]ÄíîýÓ ÇÈ : ü/ É ÕÖþÐÏç´^_` ôõÁ @?|{ÕÖ>=ß +ôõÁÂÇÈ*@Õ/ÇÈ ôõ Õ/ Õ ü Á©ß^:É\ Ì ÇÈ <;Éáâ:|{Õ/.-áâÕ/, /Á  Á  Á  ) Ø Á  : ·¸¹ æ' )Ø ò (Ê Ç È À É ¾ á â ß Ê Ë Á ôõ ÁÂÇÈ ÇÈ * ôõÁ ÇÈ : ïæ'^ Õ/ÕÖö÷\æ :Õ üæ' ' î ÇÈ/öÇÁ , [ ò ÇÈÀåÐÑ )ØÊËÁÂöÇ× ] ÇÈ ^À )ØÊËÁ ÂöÇ ·¸¹Õ\ · ¼ ò öÇ|& ) ·84·安全科学与工程 ·¼/ ] ÇÈÊËÁ ةÕÖ/ [ êÌ^ ô ÇÈ Á ( Â Ã Ä Æ Æ È É Ç ) Å ( ) ( ) @ABCDEFGHI ¬¡¢ ¦ NOPQ ®¯ °± ¡¢ §² ª« ¡£¢ ¢¡¢ ¡£¢ JKLM ¡¢ £ ¡¢ ¡ } } ³²´£¤ · ®¥ ¡£¢µ ¶® ¡£¢µ ®¥¦§ ¨©¸¢¦§ ¶® · ¨©¸¢¦§ ¹ª§ ¤ « ¥ ¢ R STNOUVWX/Y ¦ § ¡ ¢ º» ¬® ¼ ¤ § ¡ ¢ ¨ © ª« ¯ ¼¢½¾¿À °¤¿± 安全科学与工程·85· »¼½£ @A$ ¾ $ º B.C ""D B! .E $%D BF .G $%D MF /2 4)%5 ,/2=( , & & 8( ,;( , !# * ' , !7)5 8,)9!)* ' 8)57)5 8,* "<;)( > # & "9":?)&@-!( )' ,: "( <)' # "9 BH! !D?! !FD Ac+ @A$ $F @A$ K K e K Ac+ K ¬ D K Ac+ ¬ D K Ac+ !G$I$" $I"M @A$! 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( , & 85 '* "9' ( )& ' ¬ ] %I JE" F¡¤ ]%I FC% $ ¢ ®¯£ §¨¡¬ %IFF % $% $% $% ¡ ! ! ¢£ @A$ ¤ C## ¥¦ @A$ ¤¥§¨ ©ª « £ @A$ ¦ @A$ ¡ $ ·86·安全科学与工程 $ ¤¥°¦§ ª«« ¨©± @A$ ²¬®³´µ¨©¶¥ ·¯ °± @A$ ±¤¥¢¸ ! ¹ £ ¡¢£¤¥Å Æ © ª ® ¬®¥ ´ ¨¬©ª« ¯° ±²³ ´µ ¶ §¨¯ µ®¶· ¢· ¸¹¸º» ¼«½¾¿§¨ °ÀÁ¹ ¬ Â¯Ã Ä »¯¥´ ź §¨ ¼ ± ¼Æ ¶ ·½ ¾¤ ¥ º ´ Ç ½È ¼ ¡¢£¤¥¦ ± §¨ §¨©ª«¬ Æ Æ Â © ª ® Ã Ä ¿ÀÁ ¤ ¡ ®§¨¯° ©ª«®±¢ « £¤ ¥¦ §²³ 安全科学与工程·87· 26 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2016 7 Vol. 26 No. 4 July 2016 1,2 , 150022; , 150022) (1. 2. ! ":, - , , - 。 :, - ,¡¢£¤¥¦§¥¦;¨©ª«¬®£¯°, ±² ³´ µª¶·。 ¸¹º»¼ ½¾¿ÀÁÁ¢, ÂÃ Ä £ÅÆÇÈ。 #$%:; ; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2016. 04. 007 &'()*:TD713 +,-*:2095- 7262(2016)04- 0383- 04 +./01:A Triaxial compression test on strength properties of gas hydratebearing coal with low concentration using KANG Yu1,2 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. National Centeral Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper introduces the triaxial compression tests on the gas hydratebearing coal with low concentration of 40% , using selfdeveloped integrated apparatus for gas hydrate formation and triaxi al compression. This study is focused mainly on the stressstrain curves under different confining pres sures. The results show that with the different confining pressure, the gas hydrate bearing coal with low saturation presents the stressstrain curves defined as strainsoftening characteristics, with peak strength increasing linearly due to an increase in the confining pressure; the strength criterion of Coulomb criterion allows the calculation of the lower cohesive force and internal friction angle in the gas hydrate with low saturation than in the high saturation condition, suggesting a great influence of saturation on the strength of gas hydrate outburst coal. Key words:gas hydrate bearing coal; confining pressure; low saturation; triaxial compression 2345: 2016 - 06 - 19 6789: (51334005) ;(51104062;51174264) :;<=: (1982 - ) ,,¡¢£,¤¥,¦§¨,©ª: ·88·安全科学与工程 «¬®¯,Email:1982kangyu@ 163. com。 384 0 $ ñ # " ! ¡ ¡ 1 26 2 0 é@ª«ÃÄ - ¡¢、 æç 裤/、*¥¤/、¦§¨©ä>¤ /ª`。 , 、 , ,。 , ,, 、 ¡ ¢, £¤ [1 - 5] ¥。 ¦ § ¨©ª«¬ ,®¯° ±¤¥。 ²³´µ、 ¶· ¸¹, º »、¼½ ¾¿。 À,Áª«ÃÄÅ 1 Fig. 1 。 ÑÒÓÔÕ, ÖרÙÚª «ËÛÜÝ¢¡ ¢ÞßÁÂàß, ¨© 1 3 ᬠâ Ï , ã ä å Á Ú ª « Ã Ä - æçè¡ ²éÒêÞßëì, ® ¬°@ í̻ڪ«Ëæçè »Þ ßÁÂ,îï̻ڪ«Ë » , Ü CH4 4. 0 MPa, § » »ÆÄÇÈ,½©ª«¬ ÉÊ, ¢ºª«ËÌ»、ÍÎÏ Ð§¾¿ ÆÄÇÈ。 hydratebearing coal «äª«Ë欮¯, ½© Sloan ±²³, ª«Ë` ¬´@: §» t 0. 55 ℃ , p2. 77 MPa。 Þß 0. 5 ℃ ,û´@ CH4 ª«Ë`¬µ¶ ·,Ò`ª«Ë。 1 1 1 ª«ËÌ» φ `ª«Ë¸é@ ܸ¹º,»ªÞß 40% ª«ËÌ»´ @。 ¼ª³½Ø¾½ª³,,¿À Þßð©ñòóôõö÷øùú # 12 á¬,ûá ¸。 üý þÿ~}Þß|{[\] , ^¬_`Ï é@。 ?¸¹>©=<;¡¡:/ê. -,^¬,+ÅÔ¥ 180 ~ 250 μm , 220 g, ³ ª , ` ¥ 50 mm、»100 mm, ¸ 0. 5 mm。 » ¸ª³ ª«Ë`Å Ì» 40% 。 *¸Ì«`ª«Ë。 >©=) PoreMaster33 Ï Ïé Ü| é,â 0. 480 N / m, 140°, Ð 0. 14 ~ 231. 00 MPa, ½Ü¥ Ð D 0. 007 0 ~ 1 000. 000 0 μm,Å Ü μp 0. 189 2 mL / g。 «`ª«Ë© ( ' & * ÷ ø , » 99. 99% ,Þß©ªå。 1 2 Experimental apparatus for triaxial test for gas ª«ÃÄæçè ¬éêÄ? , 1 。 û? ÞßåÁ 1 m3 ª«ËÁÂà 0. 8 m3 Ī,|« é©ä,Ų³`̻ڪ«Ë ÁÆÇª³ m。 ÈÉØ©Ê 1。 1 Table 1 Experimental parameters for coal sample from ÈÉ σ3 / MPa / mm h / mm 1 -1 4. 0 50 101 1 -2 5. 0 50 101 1 -3 6. 0 50 100 1 4 Qixing coal mine m/ g SH / % 15. 62 40 Þ߸¹>©ËÇæçÞß%, ÌÃРţç。 °îï̻ڪ«Ë » ,>© 4. 0 MPa,ÐÔÍ 4. 0、5. 0、6. 0 MPa æÎ´@。 ÏÐѪ«Ë 安全科学与工程·89· ±4 ² ´: ³ ©Á。 (3) ¨©: É®ª 。 : (1) , 0. 5 MPa, 0. 3 MPa , 。 (2) 4. 0 MPa, 4. 0 MPa, 24 h,。 (3) , ; , 4 MPa, , 20% 。 (4) 2 5、6 MPa 。 ,¡¢, Ê ¼½¥ ÌÍ、Ì¿À。 - (40% ) (4. 0、5. 0 6. 0 MPa) - , 2 。 2 , (4) ª«¬¨©: ¨©®Î«Ï ,¯¬®¨ÐÄ。 , Ñ 10% 。 2 2 ,¯¦ Ò [9 - 10] ¬»£°, 3、 ¨ , 4、5 6 MPa ¨ Ô 3. 989、6. 816 9. 970 MPa, ¬»£ E50 Ô 422、 440 576 MPa。 , ¡¢; , —¤¥ ¦ §¨©、¨©、¨©ª« ¬¨©。 3 Fig. 3 Ó°,¦Ñ £ , ¦¡¢Ë ¨ 4 。 ¢ 40% 2 1 385 µ¶ Variation of peak strength with confining pressure of gas hydratebearing coal with low saturation 2 - Fig. 2 Stressstrain curves of gas hydratebearing coal with low saturation (1) §¨©: ¨©® °, ± ²³ ¨©。 ¡´µ¢ 0 ~ 1. 25% ¶·。 ¸¹º, ® ¯ 、¬»£ º;¼½¤¥ ¼¬¨©, ¦¾¿À [6 - 8] ¤Á 。 (2) ¨©: - ¼§Â, ¨©ÃĬ²³ 。 ¨©¸¹ ¨º, ®ºÅÆ, ÇÈ ·90·安全科学与工程 4 Fig. 4 Variation of deformation modulus with confining pressure of gas hydratebearing coal with low sat uration à 3、4 Õ,¸¹¨º¡, ¨ º, Ö 4 5 MPa ×,¬»£ºË ¤,ºÈ 386 ¹ º ¤ » µ 4. 27% 。 6 MPa ,, 4 MPa , 36. 49% 。 2 3 40% 5 。 ¨ (2) É 26 Ê © ¦§ £©, ª«¬® ¯°。 ¨ , (3)40% , 1. 03 MPa,39. 08°。 , © ¡。 : [1] [2] [3] Fig. 5 Variation of deformation modulus with confining pressure of gas hydratebearing coal c - σ τ f = c + σtan φ 。 [11 - 12] , 1. 03 MPa,39. 08°。 , 3 [5] [7] [8] . ª· ¨, 2005: 106 - 109. º»¼, ¢ 。 [10] - 。 , 、、¡¢。 £¤¥,¦§¨。 «¬®[ D] . ¸¹: ¯ª° , ½¾¿. ÀÁÂÃÄ ¥£±² [ J] . ÅÆÇÈ ¶¨©, 2006, 31 (2 ) : . Ê˳̳[ J] . ´µ ¢ , É ¢ , ½¾¿, , ¶. ¨¨©, 2004, 23(3) : 426 - 429. ª · ·Á¸µ[ J] . ¹º¤»µ¨¼¨©, 2010, 20(1) : º, ½, ±, ¶. ¾¿ ¬®[ J] . Ä , ÀÍÁ¨à ¦µ, 2012, 40(4) : 52 - 57. , , ¶. £ ±²[ J] . À´¨©, 2012, 34(7) : 1234 - 1240. GAO X, GAO C, ZHANG B Y, et al. Experimental investigation on mechanical behavior of methane hydrate bearing coal under tri neering, 2015, 25(1) : 95 - 112. [9] , (1) ¥£´µ¦§ axial compression [ J] . Electronic Journal of Geotechnical Engi [11] ¢ ¶¨©, 2005, 30(3) : 283 - 287. 23 - 27. [6] 。 , , ± £ ², ¤ ³ . 191 - 195. [4] 40% ¢ 5 [ J] . ½ , , ±, ¶. ²µ[ J] . ÆÅ , ¨Å± , . ÄÏÐÑ Ã ¬®[ J] . ÀĨ´¨©, 2006, 25(8) : 1625 - 1631. ¢ , , , ¶. ÇÈ ¨ Å ± ² [ J ]. (8) : 1492 - 1496. [12] Î , 2011, 27(6) : 24 - 28. ½¾¿, , ¶ ¨ ©, 2014, 39 , ¶. ± ² [ J] . ¹ º ¤ » µ ¨ ¨ ©, 2015, 25 (2) : 137 - 142. ( ) 安全科学与工程·91· 29 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2019 07 - , Vol. 29 No. 4 July 2019 150022) ( , - , ": , - , 、 , ! ,¡¢£¤¥¦§¨ - 。 ©ª«¬, ® - ¯ ° ±², ³²。 ´µ¯¶·¸¹º ² 。 »¼½¾¼½¿À¦§ÁÂ。 ¯ ° #$%:; ; ; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2019. 04. 002 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2019)04- 0392- 06 +./01:A Stressstrain characteristics and constitutive models behind methane hydratebearing coal Gao Xia, Pei Quan ( School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper presents a new study aimed at identifying the stressstrain characteristics and developing the constitutive model behind methane hydratebearing coal under high and low confining pres sures. The study involves investigating the deviatoric stressstrain curves of methane hydratebearing coal under different confining pressures and saturations based on triaxial compression tests; discussing the quantitative relationships between failure strength and confining pressure, as well as elastic modulus and hydrate saturation; and establishing the composite exponential model of methane hydratebearing coal by comparing the theoretical curves of the model with the measured stressstrain curves. The results show that the deviatoric stressstrain curves of the gas hydratebearing coal are of the strain softening types un der lower confining pressures and of the strain hardening types under higher confining pressures. It fol lows that the composite index model could provide a better description of the relationship between the fail ure strength of methane hydratebearing coal and the change of confining pressures and saturations. The research results could serve as a theoretical basis for further study of the constitutive model of methane hy dratebearing coal. Key words:gas hydrate; coal; triaxial test; confining pressure; composite exponential model 2345: 2019 - 05 - 07 6789: :;<=>?: ·92·安全科学与工程 (51674108) (1984 - ) ,,,,,¡: ¢£¤,Email:klgaoxia1984@ 163. com。 64 7 0 ä ö,:µ - µ¸à\¦§¡ 。 , [1] 。 [1 - 4] 393 æ¼ 99. 99% 。 ùú¼2 。 ùú³ùú¡, 1 。 , - äßÔ,`3 ß 40 MPa, 3ß 20 MPa。 ó óÞ¼ - 20 ~ 60 ℃ ,óæÜ¥ 0. 5 ℃ 。 , ¡¢£¤。 ¥ ¦§¨©£¤, ª«¬® ¯°±²³´µ¶· ¸¹º»,¼½¾¿À Á¨©Ã»ÄÅÆ。 ÇÈ,ɦ§¨ ©ÊËÌÍÎÏ,ÐÑ£¤ÒÓÔ² ÕÖ¦§¨©ÊË。 ² '1 Fig. 1 [5 - 6] £¤ÊË,×ØÙ ÚÛ © ²ÜÝÞßß¶·à。 áâ [7] £¤ äµ¶·åæ、ç [8] ¨èÞßé߸êë。 ìíî ï ã ðñòÞßóæåôõ。 [9] äö ÷øæ¸ æàôõùú。 ²ÕÖ¦§¨© [10 - 11] ÊË,F. Yu ¥ûüýþ - ÿ¦§¨©, ½ ¾ ~}|{[ÕÖ²ÜÝóæÞß· [12] à\ûü¨©。 K. Miyazaki ]^_` ùúð@,½¾ ÕÖ?>禧 [13] ¨©。 S. Uchida =ÕÖ¶¼<ð ;,½¾ ~:}|/.Õֿ鏹 [14 - 15] à\¦§¨©。 Y. Song -,ýþ - ÿ+* - )('&½¾ %$ [16] ÕÖ¦§¨©。 # -, ë,½¾ ~:}|{[ÕÖ²ÜÝÞ ß÷øæ·¦§¨©。 [9] ú -,æà_`ù ,£¤ÜÝ÷øæÞß· 渹à\, ^½¾ÜÝÞß ÷øæ·Å¿¨©。 1 1. 1 @ABCD -,"!'=³? [17] 50 mm、 ä 100 mm ÷ø ¶ ©,Ëܿܥ 0. 5 mm。 ù ú0*1 ÉÃ, EFGHIJKLMNOPQRST Testing apparatus for mechanical property on gas hydratebearing coal 1. 2 UV ùúÊ ¼ é _`ß。 «·: (1) 。 =|<©, _`ߡߢ4,£¤=¥¦,§¨© ª«¬®=¯°±¨², °³´µ¶·=£¤ ߢ«®·²。 (2) ¸¹Ôº。 |_`ß¡、 ª¤°,»¼½äÞ߬¾À (0. 5 MPa) , ¿À Áª¤ÔÂà 0. 3 MPa , ĹŠ¤ÍÔß,/ 3 ~ 4 Æ。 (3) ÇÈ。 ÉʽäÞ߬ 4. 5 MPa,ß ¬ 4. 0 MPa °ËÌ 24 h,ÍÂÇÈ,Ô。 (4) 。 ÎÏóóæ¼ 0. 5 ℃,ª / µ, ù ú ¥ 5 Ô ò Ð Ë Ì ¯ Ñ Ò ß ¼ 4. 0 MPa,ÌÊ 6 h,ÓßÜÔ·Õ,&Ö¼ 。 (5) ×ùú。 °ÉÊËÌ ß 4. 0 MPa,¬ 24 h °òª_`ß ùú。 Ø=ÞßÕ¬ 4. 0 MPa, ËÌߡ٠ßܸ,ÄÍÞßßÚÛÜ,Ô¯Ý Â=ÞßάùúÞßÀ°òß×`ß, ¬µ¸àá 15% âãäùú。 2 2. 1 WM - WX#Y 2 ¼²åÞß σ3 ·æµ 安全科学与工程·93· 394 ¬ ® ¯ ° - ( σ1 - σ3 ) ~ ε l S h 。 ± ² ² ´ 29 µ ³ , , ( σ1 - σ3 ) m ;, 15% , 。 3 S h ( σ1 - σ3 ) m σ3 ,,S h 25% ,( σ1 - σ3 ) m σ3 ( σ1 - σ3 ) m = 2. 030 σ3 + 2. 040, R2 = 0. 994 9;S h 50% ,( σ1 - σ3 ) m = 2. 395 σ3 + 1. 622,R = 0. 999 9; S h 80% 2 2. 705 σ3 + 2. 066,R = 0. 994 6。 2 '3 Fig. 3 , ( σ1 - σ3 ) m = `abcB\]_#Y Variations of yield strength with confining pressure 3 , S h , ( σ1 - σ3 ) m σ3 ,。 , 、 ,¡ [18] ¢£ , ¤ ¡ 。 ¢£¤¥¦, '2 Fig. 2 Z[\]^EFGHIJKL_WM - WX#Y Stressstrain curves for hydratebearing coal with different confining pressure 2 , 、 、 、 ( 1、2 MPa) ( 3 MPa) 。 , ( σ1 - σ3 ) m E S h 。 (1、2 MPa) , , 。 (3 MPa) , 。 2. 2 `abcB\]_#Y , 2 - ·94·安全科学与工程 ( σ1 - σ3 ) m §¥ ¨。 2. 3 dOefBHIJghc_#Y 4 © E S h , , σ3 1 MPa ,E S h E = 95. 340S h + 138. 916, R2 = 0. 931 6;σ3 2 MPa ,E = 121. 561S h + 152. 590,R = 0. 480 3; σ3 3 MPa 2 E = 163. 608S h + 171. 499,R2 = 0. 973 1。 , 4 ¦,§, E S h 。 ¢ £¤ª¨,© 1 MPa 3 MPa , E S h §¨ ;© 2 MPa , E S h ª。 ««¬,®¯¥¦ ·4 ¸ ¹,: - º»¼½ 。 , , σ3 , ( ) , 。 ( ¤¥ 395 ) 、£( ¤¥ ) ¦£ 。 §(3) ~ (5) A、 B、C。 3 MPa( μ = 1 / 2) , A、B、C ,¨¤¥ 15% ε m ¤¥ ( σ1 - σ3 ) m 。 ¡, ¢ D。 (1) ¢, ε £, E0′= BDe Dε 。 ©ª E0′= BD。 2. 1 ¤¥¦ , §¨©« ª。 «¬®, ¬® E ¯¯°±©ª[18] ,¨ 4 Fig. 4 D = E / B。 ²³, A、B、C、D ´°± ²µ³ ´µ,¬®¶¶· 1 ¸。 Variations of elastic modulus with hydrate saturations 3 3. 1 Table 1 - (1、2 MPa) , [20] , - : σ1 - σ3 = μf( ε) + (1 - μ) g( ε) , , f( ε) = ( Aε - B) e - Cε + B, g( ε) = B(1 - e - Dε ) , 1 2 3 (1) : μ———, - μ 1, - μ 1 / 2; 3. 2 σ3 / MPa , (3 MPa) 。 , [19] - A、B、C、D———。 σ3 / MPa 1 1、2 MPa( μ = 1) , - Cε + B, (2) σ1 - σ3 = f( ε) = ( Aε - B) e ε , ¡, ( σ1 - σ3 ) l = B, E tm = [ A(1 - Cε) + BC] e - Cεm = 0, 2 (3) (2) ¢, E t = [ A(1 - Cε) + BC] e - Cε 。 £ ( σ1 - σ3 ) m = ( Aε m - B) e - Cεm + B, D: 3 (4) (5) ,( σ1 - σ3 ) m 、ε m 、E tm ———££ 3. 3 1 Parameter values of mechanics and models for hydratebearing coal Sh / % E / MPa (σ1 - σ3 ) m / MPa εm / % 25 165. 858 4. 010 5. 515 5 50 180. 889 4. 001 4. 377 4 80 217. 777 4. 690 3. 908 2 25 170. 504 6. 220 5. 104 2 50 236. 243 6. 427 4. 320 5 80 239. 442 7. 640 4. 622 5 25 215. 709 8. 070 15. 000 0 50 247. 238 9. 008 15. 000 0 80 305. 142 10. 100 15. 000 0 A B C D 0. 646 4 4. 000 0. 592 8 — 1. 403 7 3. 842 0. 609 1 — 2. 055 8 4. 230 0. 540 5 — 1. 782 4 6. 075 0. 558 7 — 2. 069 4 6. 344 0. 796 9 — 2. 599 4 7. 260 0. 546 6 — 0. 576 4 8. 070 1. 000 0 0. 267 3 0. 642 9 9. 008 1. 000 0 0. 274 7 0. 721 4 10. 100 1. 000 0 0. 302 1 ´ 安全科学与工程·95· 396 ³ ´ µ ¶ , - , 5 。 · ª ¸ ¸ º 29 » ¹ , 2 MPa - 2 MPa , : 0 ~ 3% - ¡ ,¢, 3% 。 6 £。 6 Fig. 6 2 MPa Comparison between revised composite expo nential model and test results under confining pressure 2 MPa 6 ,£ ¤¥ 2 MPa 。 4 - (1、2 MPa) , (1) (3 MPa) 。 ¦§, 5 Fig. 5 ¨©ª, ;¦§, Comparison between composite exponential «¬ª, 1、3 MPa , model and test results 5 , (1、2 MPa) (3 MPa) , 。 , 2 MPa 3. 4 。 , 2 MPa 。 ·96·安全科学与工程 ®。 (2) , ¯°§ 。 。 (3 ) (2 MPa) ,±, ² 2 MPa 0 ~ 3% - ¡ 。 £ ¤¥ 2 MPa 。 º4 » ,: - various porosity[ J] . 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": , - - , 、、 ¡¢£¤, ¥¦§ ¨©ª¢ «¡ «¬® ,¯°±¨²³´µ ¦¡¢¶·¸¹。 º»¼½: ¾ ¿ , ¦§ÀÁÂÃÄÅ¢ÆÇÈÉÊËÌ¢¶·ÍÎ,ÏÐѦ§ £¤ÒÓÔÕ。 ÀÁ ¢ÆÇ,¦§É“ V” Ö×¶·,ÏǦ§¶·¬ØÙ。 µ,ÇÚ, ¦§ÛÜÝÞ¶; Ú, ¦§ÀÁ¢ÆÇÉß Gauss à̶·ÍÎ,áÔÕâ、 ã«Æäâ、 åÆäâã«âæçâè。 é êë ìíî³´µï 𦧫¬ñò。 ; ; ; - - ; #$%: doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2016. 06. 004 &'()*:TD712; TD315 +,-*:2095- 7262(2016)06- 0606- 06 +./01:A Study on seepage law underlying lowpermeability gasbearing coal under coupling of solidthermalgas Liu Gang1 , Xiao Fukun1 , Yu Han2 , Hou Zhiyuan2 , Zhao Rongxin2 , Pang Jianbao2 (1. Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Laboratory, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper is focused on the prevention and control of coal and gas outburst disasters. The research consists of a systematic analysis of the effect of different temperature field, main stress field, gas pressure and unloading speed on the seepage characteristics of gasbearing coal using solidthermalgas coupling true three axis device; a consequent development of the relationship between permeability and its qualitative and quantitative relationship; and a deeper analysis of the variation law behind the permea bility of gasbearing coal under various unloading paths. The results indicate that the gas permeability of gasbearing coal exhibits change tendency of negative index, as is conditioned by a decrease in tempera ture and horizontal stress before and after unloading which has a gradually decreasing effect on permeabil ity; along with an increasing gas pressure comes a “ V” font change in permeability, suggesting a small a mount of the variation in loading and unloading permeability; when subjected to different pressure relief velocity, the permeability remains unchanged if it is loaded; and when loaded, the permeability of gas bearing coal shows a change trend of Gauss function, along with an increase in pressure relief velocity, representing the four different zones: the reduction zone, the stable growth area, the deceleration growth zone and the stable region. The comprehensive analysis provides a quantitative formula behind unloading coal sample permeability under complex stress path. Key words:gas; seepage; unloading velocity; coupling of solidthermalgas; true three axis 2345: 2016 - 10 - 08 6789: (51574115; 51374097; 51604100) :;<=>?: ·98·安全科学与工程 ¡(1986 - ) ,¢,£¤¥¦§,¨©,ª«,¬®¯°:±²³,Email:18944630110@ 163. com。 76 8 0 9 6,©:^ - + - *`@°(× ,ÉÉ/ØþÉ·¡¢ ,*¸þ͸ *£·¤¸¥ [1] , 、、 , [2] 607 §¢¡ß45 。 ¦,Ì# þ§Ì¨·Ì ,© # ®ª2·« ®¯ 1a ©°,¯®±·)±óÉ´Âî¯ 1b ©°。 ¬。 ^*`@-) ,¡¢ [3] £。 ,¨ 0. 1 ~ 1. 0 mD ©ª 1 ͸ *´µ; 6 *£; 2 ¸/; 3 ¿¸¥; 4 ¸²³þ; 5 ÷ *´µ; 7 §Ì¨; 8 ߨþ; 9 # þ; 10 ]; 11 ; 12 ÉÉ/Ì a ËÈ,ÙÊË¿。 ÚÛ,ÜÝÇÞ ¡ßàáâÔ。 ²,ïðñòó«Áäôõêëìö÷ øÜÇùúû,üýÜþÿ~。 }| [4 - 8] óʺ{[\¸、 ¸、 ]¸·^_`@ôõ ,× ñ· ¡ß?Ù÷øÜú>。 ·ÁÀ¬®/?Ù¡¢?Ùþ· ]ô õ Ì / ó ¡ ¢ ? Ù » ¼。 } | [16 - 19] Øìö¬ -)þ ã,Áäåæçèéêëìí,î }|[9 - 12] ó× ¡¢ ]=¸、 < ª;Á\¸、Ì、 ¸、 :ÉÉ/¬®©÷ øÜ.Ù.Ø。 }| [13 - 15] ú>Ü¿À ¸¹º»¼,½¾¿À·ÁÀÂÃ。 ÄÅ,Æ ÇÈ¿,ÉÊËÈ, ÌÊËÈÍ ( Î « 30 ~ 50 ℃ / km) ,¤¡¢ ÊËϧ, ÐÑ ´ÒÓÔÕÖ, ר· ¸Ê ¤¡¢ ¥¦§ 。 «¬®, ¯°±²³´µ¶· b Fig. 1 ¶É· 1 Solid and gas coupling test apparatus 2 2 1 -)¸ü2¹º»º¼ 11 ¤, # ®,¡ßú>Ü-,。 ú > « ]· ]ôõ÷ø, « ¤ ¬®,¤½¾=ÉÂÃ, ñÙ、Ì、 É、 ¸·¯°±÷ ÇÁ¬ 700 m, Â、 çÃ, ÄÅÆ¿¯ »¼¯°±²³¡¢?ÙÔÚ ,ÚÛ,òú>ÜʺÁäôõ^ - + - *` @]§¢ 1 ¡ß?Ù。 ½ Ø, ¡¢ ,¬<¾ §, ¿À。 ¤ ,À-)Çü±Æ。 È3É·±¡¢ «Ê ËÌÍ, ÎÏЩ [4] -) ÑÒò/45Ð, (±ÓÔÉú> ¡ß?Ùø。 ±Æ °¬®: Õ Öüý¸(×Ã×Ã, ÆØØü 0. 18 ~ 0. 25 mm×,¿ÙØÚÛ@ ÜÝ ¾50 mm × 50 mm × 130 mm Þ, « TAW - 2000KN ß# -)('&%$ÇÞ¸# à_1]6Ù-)þ ¨ 100 MPa ¸ Ô"-)!·01 @ú ^ - + - *`@]-) 。 áÀ 30 min,âÝ« 120 ℃ ã¨ãä24 h,å ó«ÊºÉ、Ì、 ¸ ¡ß?Ù÷ø。 -) Þ 2 2 :¿Àþ、 ÉÉ/Øþ、 *¸ þ、Ì# þ、ߨþ # þ。 ¿Àþ=¿À· «äæ,¨-)Ñ(。 «çè=Ê©ÉÂÃ, ¬®,´»¼, ÉÔé·, êë±ìÄ ½¾ÁäÂÃ,ÆíÇÈ¿,Ì ¸Ê 安全科学与工程·99· 608 Û Ü Ý Þ ß à à K= ,, 、 、 、 。 : (1) , , 。 , 。 , (2 ) 1 h, , 1 h, , 、 ¡,¢£¤。 ¤。 (3) ¥ , ¡, ¢¤ 1 h。 £¤¢¤¦, â 26 ã á 2qμLp0 , A( p21 - p22 ) (1) 2 ÄÀ:K———,m ; A———ÇÈÉ,m2 ; L———Ê,m; q———¬,m3 / s; μ——— Å ´ Ë Ì, μ = 1. 087 × 10 MPa·s; - 11 p0 ———¾Å,Pa; p1 ———Í,MPa; 3 2 p2 ———Í,MPa。 YZ[\ISTU]^_ 、Ϊ¸±², ¥§。 (4) ¨¦, §©ª«¨¬® ÆÇÈ。 ÌĦ ÏÉ,ú , ÊÀ, 。 2 3 DEQR ÐÉÑÒ̯Ó,Ä(2) ÔÕ: K = ae - bt , ¯°ª«±²³´µ ¶,©ª · « ¬ ®, ¤ σ x = 2. 0 MPa, ÄÀ:t———,℃ ; a、b———ÏÉÖÌ。 σ y = 1. 5 MPa,σ z = 1. 0 MPa, p = 0. 3 MPa, t = 30 ℃ , v = 0. 006 MPa / s,¯°¦ ¨: QR 1 σ y 、 σ z 、p v ª¸,t ± 30 ℃ 10 ℃ ¯²¹º 70 ℃ , ³¸, »´µ, ¤ 0. 9 h ,¤ v σ x , ¸¶¼´¬®。 t、 σ y 、 σ z 、 p v ª ¸, σ x ± QR 2 2. 0 MPa 3. 0 MPa ¯²¹º 14. 0 MPa, · ½¸ σ x ,»´µ,σ x ¤ 0. 9 h ,¤ v σ x ,ª«´¬®。 × 2 ¯ª«³ £Ë ¸¶Ø。 Ù× 2 ÂÚ,ÛÙ 30 ℃ Ü 70 ℃ ¾,ÌÍÝÞÎÏ。 ß Ù,´àЫ¥á«â,ÍãÑ ¬äÒåæ,ÓçÔèé、Õé¿ ¬ê,¬ëìºÖí,× Øëîï,ÎÏ。 £ðØñò Ú,ÙϾ,£ËÙó, Ìô ÜÚ,£ËÇÈ。 t、 σ y 、 σ z v ª¸,p ± 0. 3 MPa QR 3 0. 3 MPa ¯²¹º 1. 5 MPa, ³¸ t、 σ y 、 σ z p ª¸, σ x ¤½¹ QR 4 ¾,¸ v σ x ,v 0. 003 MPa / s ¯² ,ª«´¬®。 3 1 STUVWOX ¿À¦, Á»Â¼©« ,½¾¿ÀÁ¤¶Â¢, ÃÄÀÁ¤¶, úÀ K ÅÆÄ(1) : ·100·安全科学与工程 ¹,º 0. 018 MPa / s。 ³¸º»´µ »´µ, σ x ¤ 0. 9h , ¤ v σ x , ª«´¬®。 3 (2) Fig. 2 3 3 '2 `abcd&YZ[STU]^_ Effect of temperature on permeability during process of loading and unloading efg[\ISTU]^_ 、Ϊ¸±²,Æ ÇÈ。 ÌĦ Í6 Î Ï,Ð:Ñ - Ò - ÓÔ ,、,, , (3) : K = ce - dσ x , (3) :σ x ———,MPa; c、d———。 609 Õ£¤ “ V” £¤。 0. 3 ~ 0. 9 MPa ,, 。 0. 9 ~ 1. 5 MPa , , 。 ² 3 ,, ³² ,´ µ¶·¸, 、 ,µ¹º 。 ,² , µ¹©, » 。 3 , 。 、,。 ,、 , 。 ,、 , 。 , 3 , , 。 ,。 ,, 、¡,¢ 。 、 £¤。 ,。 ¼½, ¾¿,À “ V” 。 , ¶ ·¸,À »Á©, ½³·¸Âò。 ¼ ½,ÂÓ V” ,Ä Å·¸。 , µ² , µ¹。 4 Æ Æ®Ç。 ÈɨÊÀ µ ,ª«Ë¬。 4 ,º , , ¨Ê , 。 µ, 0. 9 MPa , , ,。 Fig. 3 3 4 3 process of loading and unloading ¥、 Fig. 4 ¡¦§,¨© ª«。 ¬® , ,,¯° (4) : K = e + fp + gp2 , (4) :p———,MPa; e、f、g———。 4 Effect of principal stress on permeability during , 。 4 , ±, 3 5 4 Effect of gas pressure on permeability during process of loading and unloading ¥、¡¦§,¨© ª«。 ¬® ,̺ (5): K = K0 + ,K0 ,A,ω v c A ω 槡π / 2 e -2 ( v - v c) 2 ω2 , (5) 。 5 。 5 ,¬® 安全科学与工程·101· 610 å æ ç è 2 , 534. 4 nm , ,。 é ® ± ± ê 26 ë ä , ¹ÄŬ², ,¶£·¸ ( ) , , , , ,、 , 。 5 , Gauss ,,。 ȸ, ¶£·º» ¸ÉÊ,¶£·¸É。 , 、、 。 , Á¾¤ ¬¸ ÆÇ¬。 À¶£·¸, 3 6 0. 006 0 ~ 0. 008 1 MPa / s , , 。 0. 008 1 MPa / s 555. 0 nm 。 , ¡¢£¤ , 2 ¥,¦§¨©ª,§ «, ¬。 ®,¡¯°±² ,§ ª, 。 ³ , ´ 。 0. 008 1 ~ 0. 012 4 MPa / s , , ,µ¶£·¸,¶£· À, ¶£·¸, º»、 ËÌ、͸ÎÏ¡, ÐÑÒ°。 Ó ¿Ç, ¢Ì ¥ Ô¿£Õ(6) : K = α( ae - bt ) + β( ce - dσ x ) + χ ( e + fp + gp2 ) + δ( K0 + A e -2 ω槡π / 2 Õ:α、β、γ、δ———ª。 4 ( v - v c) 2 ω2 ), (6) ¦§²,¯° «, ¹º [20] »¶£·¡ 。 0. 012 4 ~ 0. 015 2 , Öº»Í¤ ¥ÆÌ¦§, , 。 ,§¼ ² 。 0. 015 2 MPa / s , ר。 (2) , Öº»º» MPa / s , ½,µ¾ §¿。 (1) “ V” , ¿¨。 (3) ¥, Öº» ½, Gauss 。 , 。 (4) ٢̥ 、 、 Ô ¿£Õ。 。 Fig. 5 5 : Effect of unloading speed on permeability : [1] . À º » Ú [ M ] . : Û À Ü ® ± , 1992. ,ÀÁ ( ) ¸¶ [2] £·,, ¶£·º»² 。 Á¬¾Ã¬ ,º»¬² ¹。 À ,¾¯¿, Á¬ 。 ¬¬¯¿¬ ·102·安全科学与工程 DIAZ A M B, GONZALEZ N C. Conrol and prevention of gas out bursts in coal mines, RiosaOlloniego coalfield, Spain[ J] . Inter national Journal of Coal Geology, 2007, 69(4) : 253 - 266. [3] ©ª. º»Ë±[ M] . : ݶÜ, 2011. [4] «¬®, ¡¢, £¤¥, Â. ÞÖº» ±º»¡ßרàá[ J] . â±ã¶± ä, 2011, 30(1) : 68 - 77. Ð6 Ñ ° ±,:À - - ¬ [5] . [ D] . [6] . : [7] [8] . [ J ]. 2393, 2398. [9] [10] [11] [12] [13] [14] , , . [J]. , 2012, 31(2): 303 -310. [ D] . : , 2011. ¥, , , . ¦§ ±, . ¦§ ² ³ ´ [ J] . , 2014, 33 [18] , ° [J]. , 2015, 34(S2): 4216 -4225. ±, ¢¤¸¥ , . §· [ J] . 35(10) : 1954 - 1964. , ° ±, [20] «¯¤¸ ¥ [ J] . ¦, ¬ ²¶ , 2016, ¦, . §¨¨©ª¢ , 2016, 35( S2) : 3458 - 3472. ¢£¤ [J]. , 2006, 25(S1): 2963 -2968. , , ° ±, . ¡¢ 90#µ²¶£¤ , ¡, , . , ° [17] [19] [ J] . , , 2011, ¥, , . ¬®¦§¯ (9) : 1791 - 1797. [J]. , 2011, 36(12): 2039 -2042. . , , 2010, 31 ( 8 ) : 2389 - , , . 2014, 33(10) : 2138 - 2146. [16] , . 30(9) : 1848 - 1854. [15] , 2006. , [J]. , 2002, 17(4): 28 - 32. [ D] . : , ª«[ J] . , 2012. : 611 ®, ¯. °¹©± ª«[ J] . º»¥¼ , 2016, 26(1) : 21 - 24. [J]. , 2012, 37(9): 1493 - 1498. ¥, , ( , . ¨¤© ) 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 600 ) [ D] . :¼ : [1] [2] [3] [7] °². ³´ [ D] . : [5] [6] , 2013: 1 - 12. ¶¿·¼¸ [8] ¹º». ¼½¦Àµ [ D] . ¿À: ¢¼ Á ¼ [4] µ½¾ , 2006. ½¾Á Â. µ¼À¿·¼¸[ D] . : µ¼½¿·¼¸[ D] . : [10] , 2006: 1 - 60. ¼ , 2012: 1 - 51. , Ä Å, ÄÆÇ. ¿·¼¸Ã“ ” È É £. ÊËÌ Î. µ¿·³È¼¸ [ J] . ¼¸, 2014, 33(04) : 118 - 121. Ï Ð, Ñ »¥¼ [9 ] . à ÍÂ, Ç, ° , 2013: 39 - 52. Ò. “ ” ÄµÉ [ J] . º , 2016, 26(4) : 358 - 361, 377. Ó ÔÕ, Ö . FLAC / FLAC3D Ê × [ M] . Ï ¼¸, 2015, 43 (10 ) : : ÒËØ, 2013. Ð, Ñ Ò, ³Ç», . ÌÙÍÚĵ ÎÆÏ½¾¼¸[ J] . 51 - 55. ĵ[ J] . 2010,15(6) :46 - 48. “ ” ÅÆÂĵ¿·¼¸ ( ) 安全科学与工程·103· 27 5 Vol. 27 No. 5 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2017 9 - , - , , ( , ": - , , ! Sep. 2017 221116) - , 。 120 min 。 ¡¢£¤¥¦。 §¨: ©ª 1. 27% ;«¬®¯° ± ©ª 1. 34% , ² ³©£¤¥ 2. 33% , ÁÂî。 ´µ¶·¸。 ¹º»± ¼½¾¿À #$%:; ; ; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2017. 05. 004 &'()*: TD712 +,-*:2095- 7262(2017)05- 0462- 06 +./01:A Desorption law behind drilling coalgasmoisture coupling Luo Xinrong, Yang Huan, Li Mengkun, Ding Zhen ( School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China) Abstract:This paper introduces desorption law behind drilling coalgasmoisture coupling. The de termination of drillings desorption gas volume, using pressure air slagging method is a simple and rapid method reducing the amount of gas loss. The coupling trend of the coalgasmoisture complies with the logarithmic equation within 120 minutes. The study involves error analysis and uncertainty evaluation of single coal sample and plurality. The results demonstrate that the relative error of gas content of coal sam ple is only 1. 27% ; the relative error of gas content of coal sample based on statistical data is only 1. 34% ;and the relative expanded uncertainty of the measuring error of the total gas desorption amount is 2. 33% , adequate for the requirements of engineering practice. The research could provide a theoretical basis for the reliability of coal gas content determination. Key words:drillings; gas content; moisture; desorption law; errors 2345: 2017 - 04 - 10 6789: ( U1361102) :;<=>?: ( 1957 - ) , , , , , : ¡ edu. cn。 ·104·安全科学与工程 ¢ £ ¤ ¥ ¦ §, Email: aq204 @ cumt. %$#,¨:), - '4 & 0 - ¥Ö× µ, \ å æ ç â Ú è é ê ë â, AQ / T 1065— 2008《 ), ¥ÎÏÐÑý³ 》 [15] \ ,, , 、 、 - , åæçâ,´¯µÐ¶·¸¹µ,ùÄ® [16 - 17] 。 »«¬é ú©º´¬ - 。 ¼½,¾Õ¿ÀÙ), - Ö×。 , - 1 1 1 ¡, ¢ £¤ / ¥¦§。 Joubert ¨ [1] ©ª«¬®, ¯° ±²³´µ,¶·¸¹º »¼ [2] ½ ¾¿À。 ÁÂà «¬ÄÅ ÆÇÈÉ [3] ʲ³´» 2% 。 ËÌͨ «¬ ¥ÎÏÐÑ,IJ³´»2. 35% 。 ÒÊÓÔÕ¶ - ¥Ö×ØÙ ©ªÚÛÜ«¬,ÝÅ Þßàªáâ,ãäå æçâ、 èéêëâ、 ìíâ、 îïðâ、 Îñâ ¨。 R. M. Barrer éòóôõö¶÷ ØÐÑ,øùÚ¥úµû [4] üýþÿ~。 [5] ÒÊ}|{ V 2s [18 - 19] ,Á§ÂÃ@³Ø¥± ý³ÄÅÆØ。 쩪 @ý³\*É)Á§Âó, ±²)ÅÇ ²ÐÑ È²@,É)ÂÅ,ÊËÌÍÎ°Ï @Ð,ÑÒ@ÐÇÓÊÔÕ@Ð。 @ÖÓ@Ð×ØÙ¥Ú»Û@Ù。 µ,ÜÝ@µû、 ¦、 Û@Þß µû,à¶@áâ©。 1 2 *ÉÚã(ô¥ ÐÑ\ÂÛ ØÙ³, ¥ÐÑËäú@Ð岿ç 1。 è\éóüÖê»:ë 0. 1 g,¹ìò ©ª«¬ÎÅ ò 1 000 cm 。 ðý³Ð¥ òóíô、±õýÅî¦。 [6 - 7] t≤ 0 ≤槡 ੪«¬ - ¥ [\]^_î`@Ú?>= ;:Ö×µ®, /µû;:Ç <@«¬ ÈÉ,àªáâ。 P. G. Sev enster ¨ 463 ¥ π [8] µûÊåæçâ。 D 槡 6 000 g,íîò 0. 5 g;ÐÖê:ï¹ì 3 ññ »åæçâ、 ìíâ、 Îñâ t .ò 0 µ, [9] ¥ò。 ¨ ¶ ¥ñ®, åæçâ ° 20% , ¶ñâÅ , 7. 94% 。 ð¨ Å 7 @ع [10] ¶¥©ª, §É ®¶ñáâ Q t = Aln t + B ¦@ ¥。 `- 11 、 32 ±@»«¬¶,ع ü [11] §É ¥©ª, ®¶ñ¥Ö×。 [12] ¨ «¬üÚ Ú ¥Ú¥Ö×, ®åæç âÚèéêëâ¡¢¥µû£¤ [13] ¡¥¼í¦。  «¬ ¨- 15 © @ - - ¥Ö×, »åæ ç⪫µû¬/ÇÈÉ® , ª«µû¬¤ÇÈɹ。 ¯Ò®ØÒ+ϰ GB / T 23250—2009《 *ɱ²ÐÑý³ 》 [14] Fig. 1 1 3 1 Measurement device of coal sample desorption gas flow by weighing method \ÂÛ³ÐÑ¥ ÐÑ©ªËäæç 2。 。 ö @¥ ¯@ÐÅìò 1 g / min µ, ÷Þ@ Ðø,Å@ 200 g ØÙ( íù 0. 1 g ) ,Ëö úûüÊ。 Éûü;ö ú½, ø½ö ú ø,àýþø。 Éö úûü½Å\ ÿ=~}ú|å²。 ÜÝéóü {ñàä 0。 [\ö ú (3 ~ 5 min) Ú]^, 安全科学与工程·105· 464 ° ± ² ³ ´ 5 min, Table 2 0 ( g / min) 。 , Q3 , X3 = Q3 / 200。 Fig. 2 1 4 2 , - [20] Minimum pore size of water entering coal sample ¦¬ θ = 120° θ = 150° 0. 10 MPa 1 435. 97 2 487. 11 0. 74 MPa ¦ 192. 69 333. 74 6. 25 MPa ¦ 22. 81 39. 51 8. 00 MPa ¦ 17. 82 30. 87 ®¯ ° r = - 2 γcos θ / p, :Q———t ² (1) Q t ———t ² :r———,nm; £ ´ p———,Pa。 q0 ——— - - r / nm ≤10 > 10 ~ 100 > 100 ~ 1 000 > 10 ~ 10 3 > 10 5 q——— ·¤,cm / min; t——— ,t = t0 + t1 ,min; 3 ·¤¸,cm / min; 3 ¹º 1432(1) ¥»¼ - 900 m 11 2 。 ¨© Excel ª¨«, 3 Table 3 , Desorption gas data (1) 2。 0. 10 MPa 1 436 nm ¢£ 。 8. 00 MPa ,¡ ¤, ¥ ¦, ·106·安全科学与工程 ¬ 2. 605 £ 0. 392 µ¶ 0. 347 ¿ 0. 698 4. 040 ® 6. 590 § 17. 82 nm, ¨ ©ª, ¾ 3。 «。 # ¬ 3, ¦¡ § 1 548 g,½ § 5 ,cm3 ; t1 ———,min。 Pore classification and characteristics of ´ ,cm3 ; t0 ———µ¶,min; coalgaswater ,cm3 ; ´ Q0 ———£µ¶ ,( °) ; (2) ³ γ———,N / m; θ——— ¡¢ ( Q = q0 ln(1 + t) , Q t = Q - Q0 , q0 dQ = q= , dt 1 + t - , ± 2 h ¢ ): , 、 1。 Washburn Table 1 1 r / nm 2 crushed desorption , · 27 ¸ ¶ Measurement experiment system of coal samples µ 、。 2 µ ¦:£ ®¯µ¶ 。 cm3 / g ´µ¶,·:¡¸ - - ¹º ²4 ³ 3 2 4、5 # Regression curves of desorption gas of 2 # drilling in , 。 . 4、5 Dingji mine - 900 m 11 coal seam 5, Table 4 &' 6。 1432(1) 11 Regression analysis results of Dingji 1432 (1) 11 transport along headon coal sample under different periods desorption data 10 min 7 , , 4 2,&'3 3 ! , #10、 00、、 、1 4 /, &' 3 1 。 $%-, &' - 900 m 11 2 Fig. 3 3 R &' 2 (,R )* 1,+) 30、60 min $%, ( X0 ) , 5。 , 465 , 4; 60 min 30 min $%8 $% $% $% Q t = q0 ln( t + 1) q0 = 0. 170 7 0. 999 4 q0 = 0. 176 1 0. 999 6 q0 = 0. 181 7 0. 999 2 t Qt = k 槡 k = 0. 092 3 0. 996 6 k = 0. 076 7 0. 994 9 k = 0. 069 0 0. 992 3 Qt = Q t = V0 ( Qt = ABt 1 + Bt Qt = V0 (1 + e - bt ) b V1 = 0. 123 4 V1 1 - kt t 1 - Kt k t = 0. 911 1 (1 + t) 1 - n - 1 ) 1 -n V0 = 0. 162 8 A = 0. 675 2 V0 = 0. 032 7 0. 967 0 n = 0. 898 9 A = 0. 732 1 0. 948 3 B = 0. 038 3 V0 = 0. 020 9 0. 840 4 b = 0. 076 2 Table 5 V0 = 0. 128 1 0. 857 5 B = 0. 070 6 0. 968 2 k t = 0. 849 7 0. 888 5 n = 0. 990 1 5 V1 = 0. 105 4 0. 892 2 0. 919 0 b = 0. 042 5 V1 = 0. 106 7 0. 970 3 k t = 0. 853 1 V0 = 0. 027 2 0. 939 1 n = 0. 502 6 A = 0. 771 7 0. 944 4 B = 0. 029 1 V0 = 0. 016 8 0. 918 6 b = 0. 031 5 Logarithmic regression analysis of coal samples 10 min 60 min 30 min X0 / cm3 ·g - 1 X0 / cm3 ·g - 1 X0 / cm3 ·g - 1 1432(1) 9:3 11 1 ¡ 0. 257 1 0. 998 7 0. 278 4 0. 999 9 0. 293 6 0. 999 4 ; 1414(1) ¢<=£ 3 # ¡ 0. 126 6 0. 998 9 0. 148 5 0. 996 5 0. 167 0 0. 993 9 1432(1) ¤£ 0. 316 1 0. 999 4 0. 330 3 0. 999 6 0. 346 6 0. 999 2 # 3 2 11 2 # ¡ [21] ¥¦§¨ - 900 m 11 2 ¡ # 0. 039 cm / g, 3 ¦>¦1 , > ¦ 0. 97% 。 ;?、 ©ª,«¬ 6 7。 7 ; V 2,°° Q z ®¯ ±;v 2,°±; Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ# 2,、 2,、 2,。 安全科学与工程·107· 466 6 Table 6 ¡ ¢ £ £ ¥ 27 ¦ ¤ 1432(1) 1432(1) coal seam gas content measurement data t0 / min X / cm3 ·g - 1 X0 / cm3 ·g - 1 / % 11 1 # 6 0. 297 0. 320 0. 610 2. 821 1. 562 11 2 # 5 0. 444 0. 315 0. 988 2. 699 1. 369 11 2 # 5 0. 347 0. 392 0. 698 2. 605 2. 865 11 3 # 6 0. 390 0. 360 0. 807 3. 505 1. 841 11 3 # 6 0. 416 0. 330 1. 054 2. 298 1. 429 11 T5 9 0. 154 0. 098 0. 839 2. 813 0. 832 11 T2 17 0. 252 0. 094 0. 288 3. 560 1. 680 11 T9 9 0. 177 0. 092 0. 852 3. 829 0. 907 64 # 11 T4 10 0. 083 0. 057 0. 320 1. 712 0. 634 64 # 11 T14 12 0. 035 0. 016 0. 206 2. 300 0. 408 1 # 11 T101 9 0. 196 0. 150 0. 140 2. 852 1. 839 1 # 11 T106 13 0. 267 0. 208 0. 138 3. 061 1. 002 2 # 11 T102 10 0. 286 0. 118 0. 197 2. 491 2. 249 2 # 11 T104 13 0. 260 0. 137 0. 179 2. 491 1. 971 12 - 3 10 m 11 - 2 T126 8 0. 185 0. 134 0. 332 2. 812 2. 243 12 - 3 15 m 11 - 3 T124 10 0. 200 0. 147 0. 430 2. 571 1. 143 12 - 3 26 m 11 - 3 T123 9 0. 177 0. 227 0. 267 3. 961 1. 274 12 - 3 41 m 11 - 3 T128 11 0. 130 0. 105 0. 192 2. 761 0. 789 12 - 3 58 m 11 - 3 T127 9 0. 155 0. 095 0. 338 2. 765 1. 057 7 Table 7 Comparison of error and uncertainty of single coal sample and multiple coal samples 1. 34% , 2. 33% ,。 4 Q z / cm3 1. 843 1. 038 8. 129 4. 690 t0 / min 0. 500 0. 289 0. 500 0. 289 Q0 / cm3 5. 487 3. 183 19. 590 11. 325 Ⅰ 5. 863 11. 325 19. 279 11. 378 Ⅱ 3. 704 9. 138 10. 810 5. 536 Ⅲ 4. 342 3. 537 11. 812 6. 555 Ⅳ 8. 970 5. 630 10. 166 5. 279 Ⅰ 0. 004 1 0. 008 1 0. 008 1 0. 007 9 0. 002 6 0. 007 5 0. 004 5 0. 003 3 V / cm 3 v / cm3 ·g - 1 Ⅱ 7 , 1. 27% ; , - - - - 。 - 0. 004 9 0. 005 7 0. 045 0 0. 058 0 0. 051 7 0. 046 0 0. 045 0 0. 059 0 0. 052 8 0. 091 7 / % 1. 27 3. 82 1. 34 2. 33 ·108·安全科学与工程 。 , 120 min 。 , 0. 001 9 Ⅳ - , 。 0. 003 0 Ⅲ 。 1. 27% ; 1. 34% , 2. 33% , 。 ÇÈÉ,¦:¹Á - - Ë4 ¯ , 2012, 43(1) : 1 - 4. : [1] [2] [3] Joubert J I, Grein C T, Bienstock D. Sorption of methane in moist [12] . ———[ J] . [13] , , [14] , 1999, 27(4) : 26 - 28. ( ), 2004, 23(2): 157 -160. [5] [6] [7] [8] [9] , 1986(4) : 4 - 12. Sevenster P G. Diffusion of gases through coal [ J] . Fuel, 1959 38(1) : 403 - 418. Nandi S P , Jr P L W. Activated diffusion of methane from coal at elevated pressure [ J] . Fuel, 1975, 54(2) : 81 - 86. . [ J] . , 1989(3) : 21 - 27. , . [ C] / / ¡ , , , ¢: £ ¤ , ¦. § ©[ J] . 81 - 85. [11] - - [15] [17] . ª««[ J] . »¼, , . AQ / T1065—2008 ¹ ¤¥, 2008. : , ¦. ½ª« «[ J] . , 1997(7) : 9 - 11. [ J] . £¤ , °¾. ¿À . ¹Á¹ª«[ J] . Â, 2012, 31(2) : 94 - 95. ¿, , ° ÅÆ[ J] . , 2011, 28 (1) : : ¶·¥, 2009. , 1988(3) : 58 - 64. [19] [20] . ÃÄ , 2012, 40(12) : 62 - 65. ÇÈÉ. ÁÊ® 41 - 43. [21] ¨ «[J]. ), 2013, 32(6): 658 - 662. ( º·[ S] . [16] [18] ¥ , 2008: . ± £³´µ¶«, £¶· [ S] . ———2008 102 - 108. [10] [ J] . , 2013, 38(1) : 15 - 20. ². GB / T 23250—2009 ª«¸ Barrer R M. Diffusion in and through solid[M]. Cambridge: Cam . , ¬ , ¦. ®¯¨ °, , ² . bridge University Press, 1951. , [ J] . coal[ J] . Fuel, 1973, 52(3) : 181 - 185. [J]. [4] 467 [ J] . , 1998(4) : , . «Ä[ J] . , 2007(4) : 60 - 62. ( ) 安全科学与工程·109· 24 4 Vol. 24 No. 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2014 7 1 , 2 , 1 2 , (1. , 150022; 2. July 2014 , 1 , 154600) 90 # , , , 。 ¡:¢£¤¥¦§ ¨©ª«¬®¯°; ¨©±²©³´µ¶·¸©ª«¹£º»¼·¸©; ¨© ! ": ½¬®¾¿ÀÁ£ÂÃÄÅÆ¿À±²。 Ç¡ÈÉÊË。 ; ; ¨© #$%:¾; ; doi:10 3969 / j. issn. 2095- 7262 2014 04 003 &'()*:TD712 +,-*:2095- 7262(2014)04- 0348- 06 +./01:A Law underlying gas migration in stope of lowcoal seams subjected to initial mining ZHANG Jinpeng1 , WANG Wei2 , SUN Jianhua1 , SHU Yanmin2 , WEI Chunrong1 (1. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Xinli Coal Mine, Qitaihe CoalMining Group Co. Ltd., Qitaihe 154600, China) Abstract:This paper is concerned specifically with investigating the law underlying the gas migration in stope of lowcoal seams subjected to initial mining operation. The investigation builds on the targeted analysis of gas emission occurring in 90 # work face of Xinli mine, the determination of key parameters on the stope, and the subsequent use of numerical simulation and field measurement. The study points to the effect of air leakage mainly on the distribution of gas concentration in lower goaf; the occurrence of goaf gas accumulation in the lower area of floor crack and fracture zone nearby airreturn way; and the pres ence of gas accumulation in upper corner due to the combined interaction of highconcentration gas esca ping from goaf and freshair flowing at a lower rate over upper corner. The field measurement verifies the reliability of the research conclusion. Key words:gas flow fields; stope; lowcoal seam; gas migration; goaf ²³ ´µ¶·¯²³¸¹、 º »、¼½¾µ¿ÀÁÂ、²³ ¬ÃÄÅÆÇ ÈÉ。 ÊËÌÍ ÎÏÐ,¼ÑÒ¹ÓÔÕÖ,ר ÙÚÛÜÝÞ¹ ÛÜ , ßà¼áâ ãä。 åæçè®éè² [1 - 3] ,êë²³ ìí ³ÛÜ îï。 ²³ðñ¸¹òó, ²³ ´ µ¹ôõò,Ê´µö÷øùú¯ÛÜ,ûü [4 - 5] 。 ýþ±ÿ~}|{[ ÎÏøÛÜ´µ ( CFD) \]^_éÏ `@, ?> Ü 2345: 2014 - 04 - 30 6789: (51274267) ;(11513098) :;<=>?: (1974 - ) ,,¡¢,£¤,¥¦,§¨:©ª、«¬®¯°±,Email:zhangjin - 0067 @ 163. com。 ·110·安全科学与工程 Ð4 ú 90 , 。 1 # 1 Table 1 Setting mass of gas fountain À / % ( m ·min 3 、、 。 、 ; , , ¡¢£ ¤¥。 ¦§,¨©ª«¬ 。 ®¯°± ²³´µ¶·¸¹º», ¼½ ¶·¸¹¼¾¿°±、 À° ±、£À°±、°±Á。 ÂÃÄ ÅÆ®¯°±¡, ǥ¹ÀÈ É¾¿°±, ʱݱ ,¤®¯°± [6] Ê 。 ( ρ) + div( ρu) = div( Γgrad ) + S, (1) t :ρ———Ë; Γ———Í; t———; Si = - 3 04 1 862 5 × 10 - 5 àáâ 32 9 4 83 Î 33 9 4 98 4 227 3 × 10 - 6 ¡ 12 4 1 81 1 2 1 3 ÀÈÉιÀ ·¸¹Àº: ¼¶·¸¹ÅÆÂ¬®¯°Î±, ² ³¶·¸¹¼·´³·µ¶Î ·Û¸¶。 ¹äÎ×Òº , ¼¶·¸¹»¼Ý½¾Î º,¦² ¼¶·¸¹¿Ö¾ À º 。 Áÿ¾ºÂÃ, ºå æäÛ,§,çÄÅÆ ÙÚ。 ¾Ç É “ O” [8] Ê , Ë ÎèÍΡÀÏéê, Ü㥠# ëì 90 ¶·¸ ] ¹ÐÑ;¿ÒÀ, ß (3) 。 íÊ Blake - Kozeny Ó Ôî¥ Õ®ÖÍ Kp v j ———Ô x、y Î z °ÑËÀ; C2 ———ÒÍ,C2 = 1 75K p / (1 - K p ) 3 。 (2) ,¼ÐÉ É, Õ Darcy ¬,Ö×ÒËØ ; ÐÉÂÉ, ÖÀ 。 ÙÚÎÛÀÓÜÝ, Ç¥ÞÈ,¹ÀÈÉ,ß [9] 。 ε p ( x,y) = (0 661e (2) | v | ———ËÑÀÓ; Ì 1。 10 -3 - 0 028x + 1) (1 659 - 9 058 × y + 4 753 × 10 - 5 y2 ) , Kp = K p ———Í; Ä· 1 232 0 × 10 - 6 £ãÓµ, §³¨½©ª£ãä× [3] «½©ª°± 。 :S i ———Ð i Ñ( x、y z) ÀÈÉ; μ———Ò ËÍ; 1 1 2 9 826 1 × 10 - 7 Ì 1 μ v j + C2 ρ | v | v j , Kp 2 [( ) ) ( kg·m - 3 ·s - 1 ) 20 8 È ÈÉ。 1 1. 1 ÌÏ ¹ÀÈÉ / [7] ——— ÊÀ,̹À m、 Ë ( u、v、 w) 、 C i Á; S———È É, -1 Îàáâ½¢£ã¤¥ k - ε Óµ, 、 Î× ¦¬½ Ç¥ Ç¥À / 1 1 349 ûüý,Á:þú (3) D n3 × , 150 (1 - n) 2 2 p (4) :ε p ( x,y) ——— ÐÑÍ; D p ——— ծרïÎ Ù Ú, Û 0 01 ~ 0 20 m; n———¶·¸¹·¿,Û n = 1 - 1 / ε p 。 2 2 1 ðñòóôõëì 90 ÜÝö 12°,Þ 1 1 m。 ßÑ÷ 687 m,Ý # à÷ 197 m,øùá 87 â 79 m,øØá 91 â 4 2 m。 ÙãΠ0 82 m äåæçè # # 安全科学与工程·111· 350 ¬ ® ¯ ° ± ² ³ ³ ; 7 4 m ; ,, 4 5 m; 91 # , 2 7 m。 , 980 t, 。 1 018 m / min, 3 2 2 2 2 1 2 m, 14 66 m3 / min。 ^_ 。 Fig. 2 。 1 。 IJcd([ef Distribution of gas concentration of stope 3 1 3 '2 24 µ ´ ghiIJcd([ 3a ~ 3c ̧ÍÁÂà 5、22、37 m Î。 \<]^`ab^_ Physical model of simulation face , 、 ; 、 ¡ ¢ , ¡ 293 K;£ ¤¥¦§¨、 ©ª; 1 º x ÅÆ °Ç °¥ ´¢ ¶·¸¹。 °©ÁÂÃÄÀ, ª,y ÅÆª,z Å « Fluent 6 23 ɹ ·112·安全科学与工程 Ê, ˨ 2。 È。 ( 1) »¼§, ¨¦ 1。 ½¾¿À ° ² 2 83 m / s; 3 £,¤¥¦µ¥¦ ¯, ¡,³ - 27 Pa; «¬¥®。 ±¥²±, 2 2. 2 '1 Fig. 1 Fig. 3 '3 jklmnojpCIJcdqrs Contour maps of gas concentration at different distances from openoff cut 4 ¡¢£, 3 , x : 0 8 , , 。 , 351 :¤¥¦§¨©ª , 。 , 4a ~ 4e - 4 0、0、1 0、 3 5、11 5 m 。 z : - 4 0、0 m , , ;1 0 m , ;3 5、11 5 m 。 5a ~ 5c 15 5、35 5、95 5 m 。 y : 15 5 m , “ 、 、” ; 15 5 m , , ; 95 5 m , , 0 8。 15 5 m ¡, ,¢ 。 、 ; 。 , , , , 。 '5 3 2 Fig. 5 jxyznojpl]CIJcdqrs Contour maps of gas concentration at different distances from intake roadway ' 4 jtuvwnojpCIJcdqrs Fig. 4 Contour maps of gas concentration at different distances from floor of coal seam \<]{x|yz}~IJcd([ £ 6 ¤¥, 6a £, 6b £, 6c 。 6a、6b, x , ¦ , 15 m , § 0 01, , 。 ¦, ¢ 0 95, 安全科学与工程·113· 352 ´ µ ¶ · ¸ ¹ ¹ ² 24 » º -, , 。 140 ~ 180 m 9, ,£ 7 y ¤ - 10 Pa ¥, :5;<。 = , ) 15 5、35 5 m , y <> , ¡¦ >?§, 5 。 ; .,/ 。 6c ,&0+,# , y > 150 m 0(, , 1 0 065, (。 ¨, ¥ ©@ª, ¥ 0 1 m / s, ¡« § ,¬®¯°。 , 3(45。 2 7 Fig. 7 4 11 5 m Streamline and contour maps of pressure at z = 11 5 m apart floor of coal seam A±, ±B 8、9。 ¡ 3 3 goaf around intake and outtake Fig. 8 8 Arrangement of extracting boreholes 678 , 。 6c , 1 0. 065; 5 y = 15 5 m ; 3 ~ 5 y > 95 5 m、z > 30 m、 5 ≤x≤37 m 。 11 5 m 。 , #, “ U” ,¡ Contour maps of gas concentration of work face, 7 Fig. 6 6 ¢, . ·114·安全科学与工程 Fig. 9 9 Gas concentration of extracting boreholes # # ¢²¢£³C,4 、5 ± Ò4 0. 55, 6 、7 # 0. 40。 , 4 # # 25 14 m、 14 54 m,5 20 09 m、 11 95 m, # ; 6#、 7# 16 73、11 71 m, 。 5 353 ¿ÓÔ,´:¾©ª«¬ 。 : [1] , , . ¨ ©ª«¬¥ [ J] . ®¯ °°±: ² ³® ° , 2010, 25 ( 2 ) : 6 - 9. [2] , , , ´. µ«¬ [ J] . ¶·¸¹°±, 2012, 29(4) : 581 - 585. [3] . ¨º»©ª«¬¹ ¼[ D] . ½·: ½·®¯°, 2009. [4] , , 、 、 [5] (2) , 。 (3) , ¡ ¢ , £ . ¤¼ [ M] . ÄÅÆ£«¬[ D] . : Ç ¶È°, 2010. [8] ¡, É¢, £¤. »µ¥¦µÊ Ë[ J] . ¶ÌÃͤ, 1999( S1) : 44 - 46. 。 (4) , «¬ ¥º : °, 2004. . . Áµð: CFD [6] [7] , ¿À, [ J] . ¶·¸, 2007(11) : 13 - 14. , 。 . ¾ [ J] . °±, 2011, 36( S2) : 440 - 443. (1) , , £¤¥ ¦§。 [9] ERGUN S. Fluid flow through packed columns [ J] . Chem End Prog, 1952, 48(2) : 89 - 94. [10] § , ¨, ©¡. ª¶ «Ì¶Î«¬ ¡¬[ J] . ÏÐÀ®¯°Ñ°±, 2013(2) : 115 - 119. ( ) 安全科学与工程·115· 27 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2017 7 Vol. 27 No. 4 July 2017 1 , 2 , 3 (1. , 150022; 2. , 150022; 3. ! ( ) ": , 100083) 。 , 。 , 。 ¡¢£ ¤¥,¦¦,§¨©¤¥ ª«¦ª«¬®。 £¯°±²: ³´µ、 ¶« ·。 #$%:; ; ; ¦ doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2017. 04. 007 &'()*:TD712. 5 +,-*:2095- 7262(2017)04- 0354- 05 +./01:A Study on factor spacebased prediction method of coal and gas outburst Liu Haitao1 , Hao Chuanbo2 , Fu Gui3 (1. Graduate School, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3. College of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China) Abstract:Coal and gas outburst are governed by the underlying mechanism. As a response to a com plex nonlinear relationship between influencing factors, this paper proposes the prediction method of coal and gas outburst based on factor analysis in factor space. Factor analysis method capable of using the ex isting data and thereby extracting the causal rules of outburst works by using measured data of the typical mine as the sample for analyzing, calculating, and extracting the inference rules introduced by the pre diction, and using other sample data to predict the inference rules to verify. The practical application shows that the method could provide a feasible and accurate prediction of coal and gas outburst. Key words:coal and gas outburst; factorspace; factor analysis; prediction 2345: 2017 - 05 - 15 6789: (51474099) :;<=>?: (1975 - ) ,,,,¡¢,£:¤¥,Email:LHT1881@ 126. com。 ·116·安全科学与工程 #4 ! 0 012,¥:Ý% # i Æ # j % ,Í@` 1 2 n Ê`,£ ( U;f ,f ,…,f ;g) 。 Ê` # ß@Æ [1] 。 , 4 , : ¡¢、 £¤ ¡ ¢、 ¥ ¦ § ¨ £ ¤ ¡ ¢ © ª « £ ¤ ¡ ÀĦ¸、 ÅÆÇ¸、 ÈÉʸ、Fisher Ë [3 - 9] 。 Íη¸ÏÐÑ©Ò Ó³ÔÕµ¶ Ö×。 ¶,àáâ ã¤ä åæÄç,èé Ħ êë,ìíîï §ðÖ²ñ 1 ÷ø,áù 1982 ý,þÿ~}²ÝÇ, ìí §ðÖ²Ý|{, [\®]^ ³_Â`¸ ĦÇ。 ïÂ@ʪ« ? îï >,Êíî ,=íî²<´;: /.[-,+。 *@)ÆÙ@('/ .,Æ& ÊÞߪ«,@/. , íî ´ü('。 [10] ('ÝÝ ÝÇïíî) [11] 。 @ ʸ 。 \ÆÝ Ý Ç, 。 @ g 1 2 ,,Æ Î f ,f , …,f n , 。 ʸ $ 。 ù$ Ê`?Ħ뷸ÌÒ òó。 1 1 @\Æß、\ m ß n `, g, `# i ß# j … fn g u1 u2 fj ( ui ) g( u i ) 1 2 =@ f j ¢£ñ s, [ s] = { u i | f -j ( u i ) = s} , [ s] Æ)ù Ø ( g @¤¥ [ t] = { u i | g( u i ) = t} [ s] , ó[ s] f j @。 f j [Å¨Æ 。 f j ©ßÄ h ` ßÄ ( Æ@Ä ) m ª Æ .,£ d( f j ) = h / m。 1 3 « f j [ s] @, Æ )¬ t,ó “ « f j ® s, ó g t” 。 ͯ° f j @Òò ó,£ f j _s→g_t。 1 4 `ÌÒò ± ² § ¨ Å « ¹ ³: < « A ó Æ F→g f1 Ê %ì±²ñ Ò_Âòó ´ë¸。 Ù、、 @ Classification and parameters of strata U ¦ t,§ Í´\ ('; un Ø Ù Ú Û,Ü¤Ý Ê¸Þßµ òó。 òóµ¶,àôõö úû© ü。 1 Table 1 [2] ¢ 。 ¦¬ ®¯°±²³´µ¶ · ¸,¹º BP »¼½¾¸、 ¿À¿ÁÂø、 ¿ Ý Ê`@Æ Ý §,,Á¡` 1。 , 。 , ø、ÌǸ 355 µ¶·¸ $ ó。 Ò B > ´ µ´ A B。 ¶@¹ ³,ì·¹³ @Òò ó。 @¸@²ñ¸@Òò ó。 Òòó ¹, @Æ º¥Òòó¹ ¹Å。 Òòó »ñ¼³, ÆÊ ½¾¿ ³,´ÀÁ\ÂÃÇ。 ÆÂó ÇÄ ÅÞßÊ,®,Æ·ÇݳÇ。 Í [12] ʸ ¯§|{ 。 \È"É:(1) Êç ËÌÄçÊ`, [ë*@ ʸ¯§± 安全科学与工程·117· 356 Ó Ô Õ × 。 3 3 1 。 (2) ( , ) 。 (3) , , 。 。 À À Ù 27 Ú Ö Ø ¡¢ £¤¥¦§¨, ©ª«¡。 ¬®¯ ,°± 2 ´µ《 》 ¶ ·¸¤¹²¢¡¢, º£ »¦、¼¤ [13] L。 (1) C: = [ U ] , [ U] ,C p: = | C | , Q: = F, ¦À¤Á²¢³ H: = P: = L: = 。 (2) C = [ C1 , C2 , …, C p ] , P = [ P1 ,P2 ,…,P p ] , H = [ H1 ,H2 ,…,H p ] ( H i C i ) 。 Q = [ Q1 ,Q2 ,…, Q p ] ,t: = | Q 1 | 。 C, Q ,(3) ; ,。 (3) C0 ,H0 ,P0 ,Q0 ① 。 ©ª 4 §³ÃÄ 。 4 :(1) ¨©ª U, (2) «¦ p,(3) ¬® v,(4) ¯ °¤Å F。 2, ÈÃÄ ,¸É¹ 8 ³°· 3, ÃÄ 3 2 D:{ d1 ,d2 ,…,d t } 。 , : ② d max = 0, n max : = maxN,f o : = Q i ( arg max N) 。 f o Hi ′。 H0 : = [H0 ,Hi ′],C0 : = [C0 ,Ci ],P0 : = [P0 ,Pi ′],Q0 : = [Q0 , ¨©ª f1 ÇȨɨ ÃĽÃ,¨ ɨ 5 ͪ。 1、2、3、4、5 Ê。 (2) «¦ ËÌËÍξ£ÏÎ¥ÐÑÏÐ ³¦。 °±°ÁÂ, Ñ¬Ã Ä ÌÆ , L, H i ′ 。 H i ′ = { C i1 ,…, C is } , C0 : = [ C0 , C i1 , …, C is ] , H0 : = [ H0 , C i1, …, C is ] , P0 : = [ P0 , P i ′, …, P i ′] , Q0 : = [ Q i ′,…,Q i ′] , , P i ′: = [ P i , f o ] , Q i ′: = Q i - { fo } 。 (4) C: = C0 ,H: = H0 ,P: = P0 ,Q: = Q0 ,p: = | C | , (2) 。 ·118·安全科学与工程 { ,Ò 3 Ò: 1, 0 < x i ≤2. 0, f2 = 2, 2. 0 < x i ≤3. 0, f o H i ′。 H i ′ °¾ÊË¿ (1) ¨©ª Qi ′], Pi ′: = [Pi ,f o ],Qi ′: = Qi - {f o }。 ③ d max > 0, H i ÃÄ ¤,À°°Á½ÃÄ ÌÅ®¤Æ 。 ª, d max : = maxD,f o : = Q i ( arg max D) 。 Hi º»。 ,½ C i Q i 。 ½± ²[12] 26 ³´ªÆµÄ°¶Ç, ÃÄ, 18 ³°· N: = { n1 ,n2 ,…,n t } 。 。 , , ¦ ¬¼È For i = 1 to p。 H i ½¾¥¿ [14] ,: : ( U,F,G) ; : ²¢³ 3, 3. 0 < x i 。 (3) ¬® ¬®ÓÔÍÕ 。 °±°ÁÂ, ѬÃÄ ÌÆ ,Ò 3 Ò: { 1, 0 < x i ≤7, f3 = 2, 7 < x i ≤14, 3, (4) ¯°Å 14 < x i 。 4 ,:¡¢ 。 , 4 , Table 2 , : 1, 0. 1 < x i ≤0. 3, 2, 0. 3 < x ≤0. 45, i f4 = 3, 0. 45 < x i ≤0. 6, 4, 0. 6 < x i 。 2 Measured data of typical mine of coal and gas outburst F U p / MPa v / L·min 1 3 2. 75 19. 0 0. 3 1 2 5 0. 95 6. 0 0. 24 1 3 3 3. 95 14. 0 0. 24 1 4 3 1. 20 18. 0 0. 16 1 5 1 1. 17 5. 00 0. 61 0 6 3 1. 25 8. 00 0. 36 1 7 3 2. 80 8. 00 0. 59 1 8 1 2. 00 7. 00 0. 48 0 9 3 3. 95 14. 0 0. 22 1 10 5 2. 90 4. 00 0. 51 1 11 3 1. 40 6. 00 0. 42 1 12 3 1. 40 4. 00 0. 58 0 13 4 2. 16 14. 0 0. 34 1 14 3 0. 95 6. 00 0. 24 1 15 2 1. 05 4. 80 0. 60 0 16 3 2. 39 11. 0 0. 28 1 17 4 1. 65 9. 0 0. 35 1 18 5 3. 86 13. 0 0. 32 1 Table 3 3 , 4, 5。 Table 4 -1 3 3 Measured data of mine to verify inference rules U p / MPa v / L·min - 1 F 1 3 1. 40 3. 0 0. 51 0 2 4 2. 10 14. 0 0. 58 1 3 1 2. 40 8. 0 0. 42 1 4 4 0. 75 7. 4 0. 37 1 5 5 3. 95 6. 0 0. 54 1 6 2 1. 65 4. 0 0. 53 0 7 4 1. 17 8. 6 0. 40 1 8 2 3. 80 12. 0 0. 21 1 357 4 Background sample of factor analysis f1 f2 f3 f4 1 3 2 3 2 1 2 5 1 1 1 1 3 3 3 2 1 1 4 3 1 3 1 1 5 1 1 1 4 0 6 3 1 2 2 1 7 3 2 2 3 1 8 1 1 1 3 0 9 3 3 2 1 1 10 5 2 1 3 1 11 3 1 1 2 1 12 3 1 1 3 0 13 4 2 2 2 1 14 3 1 1 1 1 15 2 1 1 4 0 16 3 2 2 1 1 17 4 1 2 2 1 18 5 3 3 2 1 : (1) C:[ U] , H: = [ U] ,C n: = 1, P = :Q: = { f1 , f2 ,f3 ,f4 } , L: = 。 (2) Q [13] , D: = {8 / 18,8 / 18,10 / 18,14 / 18} ,N: = {5,3,3,4} 。 (3) d max : = max D = 14 / 18, f o : = Q ( arg max D) = Q(4) = f4 。 d max > 0, H1 ( = U) f o H1 ′, H1 ′ = [2 3 4 9 14 16,1 6 11 13 17 18,7 8 10 12,5 15] , [2 3 4 9 14 16 ] ∈ [ g = 1] ,[1 6 11 13 17 18 ] ∈ [ g = 1 ] ,[ 5 15 ] ∈ ,: ① f4 = 1, g = 1;② f4 = 2, g = 1; ③ f4 = 4, g = 0。 [ g = 0] , ①、②、③:L。 H1 ′ [2 3 4 9 安全科学与工程·119· 358 ä å æ Î 14 16] ,[ 1 6 11 13 17 18] ,[ 5 15] ,H1 ′ = [7 8 10 12] ,Q1 = { f1 , f2 , f3 } 。 (4) Q1 Q1 , , : ④ f4 = 3 f2 = 1, g = 0; ⑤ f4 = 3 f2 = 2, g = 1。 ,H1 ′ = ,。 Table 5 C5 @A(BlpfhioQ Sample of factor analysis method to predict f1 f2 f3 f4 1 3 1 1 3 0 2 4 2 2 3 1 3 1 2 2 2 1 4 4 1 2 2 1 5 5 3 1 3 1 6 2 1 1 3 0 7 4 1 2 2 1 8 2 3 2 1 1 3 4 pfqrhi 4 pfMNOPhisr Validation results to predict inference rules f1 f2 f3 f4 1 3 1 1 3 0 0 2 4 2 2 3 1 1 3 1 2 2 2 1 1 4 4 1 2 2 1 1 5 5 3 1 3 — 1 6 2 1 1 3 0 0 7 4 1 2 2 1 1 8 2 3 2 1 1 1 ·120·安全科学与工程 µ¶· ´»[ J] . ¼½¾ , ¼Á½Âõ. ¸¹ , . ºÇÈÉÊËÌ [ J] . ¿À, 1999, 24(6) : 624 - 627. , º¿, Í. BP [ J] . ¼ÂÃο¿À, 2003, 13(9) : 59 - 61. , . ª¥ BP ÈÉÊË ÏÐ[ J] . ÑÆ¦ « »¼, Í, , . ª¥ºÇÒ ½¾ [7] º³ [ M] . ÄÅ: ƾ, 2009. [4] ¿¿À, 1998, 27(4) : 373 - 376. [3] , 2005(12) : 102 - 106. [ J] . ¿À, 2007, 32(6) ; 592 - 595. , , . ¡ ÓÔ¢ [J]. ÂÎÌ¿¿À, 2015, 35(5): 547 -554. [8] . Fisher Õ Öצ [ J] . ¼ÂÃο¿À, 2010, 20(10) : 26 - 30. [9] , Ö× [10] °±². ¼ÁÂà [6] [2] 。 , 87. 5% , Table 6 ç 27 è À Ht+.: [5] C6 ¿ ,£ª¥ «, ¬¡® §, ¯° ±²¢£¤。 ¥«±³ ¦ §¨§, ¨¡®´ , ©ª, «¬µ¶·¸。 , ¥ «, ,¨ ¹³ ®¯。 , 5 。 ¿ 5 , 。 ¡¢£¤, ¥, ¦。 § , ¨, ©¦££, [15]。 [1] , 8 , 6。 6 , Ì [13] [14] [15] Ø. ª¥Ù [ J] . ƽ´ÚÛ, 2015, 41(5) : 29 - 33. Ü©Ý. [ J] . Ʀ̿¿À, 2013, 32(10) : 1297 - 1304. [11] [12] ¿, , . ÀÁ¦ [ J] . ÞÆ¦Î¿, 2015, 37(11) : 2169 - 2174. Ü©Ý, , ßÏÎ, . [ J] . Ʀ̿¿À, 2014, 33(7) : 865 - 870. Ü , Ü©Ý, . [ J] . Ʀ̿¿À, 2015, 34(4) : 539 - 544. à, ². Þ ÏÐá [ J] . âã, 2010, 38(1) : 7 - 13. Ü©Ý. §Î¿[ J] . Ʀ̿¿À, 2015, 34(2) : 273 - 280. ( -u vw ) 29 3 Vol. 29 No. 3 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2019 05 May 2019 ( , ":, 。 150022) ! 、, , , ¡¢ ,£¤¥,¦§ 。 ¨ ©ª, «¬®¯°、 ±²、³´µ¶、·¸¹º»¼½。 ¾°¿À¨¶ Á Ã,ÄÅ ÆÇ¨ÈÉÊ,ËÅÌÍ,ÎÏÐÑÒ, ÓÔÕÖ ×Ø。 ; #$%:; ; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2019. 03. 003 &'()*:TD712. 5 +,-*:2095- 7262(2019)03- 0267- 05 +./01:A Extraction methods of advantages factors behind coal and gas outburst in factor space Liu Haitao ( Graduate School, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper propose a novel method for extracting the advantage factors affecting coal and gas outburst according to the factor space theory, a method able to improve prediction accuracy of coal and gas outburst. The method works by describing the strength, size and order of the influence of condi tional factors on the outcome factors using the degree of determinism; extracting the advantage factors cor responding to the maximum deterministic degree and putting them into the set of advantage factors; and then removing the decision domain of the selected advantage factors from the domain of conditional factors and gradually narrowing the domain until the domain is empty. The results show that the advantage factors affecting coal and gas outburst consist of failure type of coal body, gas pressure, solidity coefficient of coal, gas content of coal seams and initial velocity of gas release. The method based on s the measured data of typical mine as a sample could provide the calculation result in line with the actual situation, and what is more, the method capable of performing with a simple algorithm and reducing human disturbance could serve as a reference for analyzing the advantage factors affecting coal and gas outburst. Key words:coal and gas outburst; advantage factors; factor space; degree of decision 2345: 2019 - 04 - 13 6789: (51474099) :;<=: (1975 - ) ,,,,,:¡¢,Email:LHT1881@ 126. com。 安全科学与工程·121· 268 2 3 4 5 1 29 7 6 è¨( y1 ,y2 ,…,y n ) 。 , #íË 0 - À Á ¶ ¿ ( U, Y p , U g ) ,_,U ^, Y p è¨ñ,g , [1] , 。 ,, ,¡¢£¤¥¦£,§ ¡¢£, ©ª°±² ¨©ª«¬®¯ [2 - 4] ³°´£µ£´¶¯ ¥¦£ 。 }|ñ。 1. 1 ëÀÁêóÃÆ¸、è¨Æ m ¸ n ,_,1 i ¸ j 1 i 1 j ¡¢,£¤}| g,¥ÆÀÁ, g) [12] ¦² ( U;y1 ,y2 ,…,y n ; 。 ¡§(¨, |]ª_,ÀÁý ·¸¹º», ¼½¾·¸¶ ¢ê©ª«`@, ¬®Ö 1 ÿ ¿ÀÁ,ÂÃÄÅ。 ÆÇ¡¹º, 。 ÀÁ_,1 1 ¸ 。 ÈÉÈÊË·¸Ì 1 ÍÎÏÐ。 Table 1 , ÑÒÓÔ ÕÊ,Ö¥¦ÑÒÔ、 רÀÁÔ、 ÙÚ´ÛÜÔÝ [5 - 8] ÞßàáÔâ U 。 ãäÑÒÓÔåæç³ îïð u1 ñòºêóô³õÀ、êóö÷øùúâûü。 u2 è¨,éÊê뢣ìíÀÁÆì,¯ ýþÊ, é°±©ª =<、;¤:/,ëÝÂÃÄÅÓÔ。 .õÀô³îïêó_ö÷ø, ,+ê *),¶¿(ÀÁ,'&ëêóÆ%$ÀÁ #í£, "!Æìí [9] , )ÀÁ}|Ç¡£#í£。 ËÏÐ ]ªÄÅÂÃÓÔ, ÆÇ¡¹ºÂ。 1 ÂÌ]ª , § 1. 2 y2 y1 … yn yj ( ui ) g g( u i ) îè¨ y j Ý ¡ ¢ s, { ¦ ² [ s] = { u i | y j ( u i ) = s },[ s] _¯°å¯ °æ } | g ¡ ¢ Ë â ± t, ² [ t ] = { u i | g( u i ) = t }[ s] , [ s] Æ y j >¢ ³, y j >¢³ ñÆ>¢。 ´ y j >¢¸ê h ÀÁ¸ê m Æ>¢Ü,{¦Æ d( y j ) = h / m。 1. 3 ¢è¨ y j }| g >¢Ü d( y j ) ,µ d( y j ) = d max , è¨ y j Æ}| g 1982 0, Y→g um ÓÔÀÁ}|{[£、 {÷Ü\。 ]ª ó,ð³>¢ÜÉè¨}| Factorial analysis ´¶,ÿë,~ëìí¢£ÀÁÆì ^_ÀÁÔ, ë¾ÀÁ`@êóÆ? @ ´þ %$~ Ô ÄÅ,¦Æ y max 。 ÂÃÄÅë¾è¨>¢Ü; Æ?ó,´£>¢Üè¨, ÄÅ Á§_ÿ½, ³É§é- ÂÃÉ, ) Ü。 ]ªëÆ _,µÄÅÂ÷,¥>¢³ ^?ó。 [10] ª , _À ] ,§å{ëÆ]ª©_ [11] ÀÁ ñ ·¸ÄÅÂûÿ¹²³ ºÌ,º·½»¼¥, 。 ½¾¿; ±°、 ^。 ¿;·^½À·¸ÄÅÂà 鱰´¶。 ¼½´ ),Ö,Á^Æ]²ÂÃ)。 ãÄ ]ª^_,¾©ª¯ ±Æ| ¸>¢ ¶ÎÄÅñ_。 ©Æ}|, . ·122·安全科学与工程 ÅÂÃ%@ 。 Æ3 Ç 2 2 Table 2 Raw data for various factors affecting coal and gas outburst , [13] ,: ( U,Y,G) ; B。 (1) U0 : = U, H: = [ U0 ] , P: = B = 。 (2) Q: = Y, U0 、Y , (3) ; 。 (3) U0 , , [13] Q H D: = { d1 ,d2 ,…,d t }, N: = { n1 ,n2 ,…,n t }; , 。 ① d max > 0, , d max : = max D, y0 : = Q( argmax D) , B = { y0 }。 ② d max = 0, , n max : = max N, y0 : = Q( argmax N) , B = { y0 }。 (4) H y0 H′, H′ U0 。 H: = H′,P: = [ P,y0 ] ,Q: = Q - { y0 },(2) 。 3 3. 1 f p / MPa Q/ m3·t -1 v / m·s -1 h/ m δ/ m £ ² ¤¥ / t 0. 31 2. 76 10. 02 19. 00 620 1. 20 3 150. 00 0. 24 0. 95 13. 04 6. 00 445 2. 00 5 20. 60 0. 16 1. 20 10. 36 18. 00 462 1. 30 3 15. 10 0. 61 1. 17 9. 04 5. 00 395 1. 61 1 0 0. 36 1. 25 9. 01 8. 00 745 1. 41 3 76. 50 0. 59 2. 80 10. 25 8. 00 425 1. 82 3 10. 20 0. 48 2. 00 9. 50 7. 00 460 1. 10 1 0 0. 22 3. 95 8. 23 14. 00 543 0. 93 3 110. 20 ² g, À ´µ、 、ª、、³、 ¡ª¢ £¤¥ y1 、y2 、y3 、 y4 、y5 、y6 y7 。 ², ¸¯Âö 、Å¥(50 t ) 、 ¥ (50 ~ 100 t) ¥(100 t ) 。 0、 1、2 3 ·。 ´µ, ´ ¸ ¹º¼½¨®,: (1) ´µ( y1 ) 1, x i ≤450, { y1 = 2, 450 < x i ≤600, ¡, ¢£。 ¤¥ ¨©, 、 ¢£ª« 269 ÈÉÊ:Ë¢£Ì ,¦ § ¬ ® ¯ ° [14] ± ,² , ³ f、 p、ª Q、 v、 ´µ h、 ¡ª¢ δ、 £¤ ¥ 7 。 [15] ¦¶·¸¹º» ( 2) , ¼½ ¢£。 3. 2 3, x i > 600 。 (2) ( y2 ) 1, x i ≤1. 2, { y2 = 2, 1. 2 < x i ≤3. 0, x i > 3. 0 。 (3) ª( y3 ) 1, x i ≤10, 3, { y3 = 2, 10 < x i ≤13, x i > 13 。 (4) ( y4 ) 1, x i ≤7, 3, { y4 = 2, 7 < x i ≤15, ¨®;,¿¼½ª¨®。 Á 3, x i > 15 。 (5) ³( y5 ) 1, x i ≤0. 3, «°¬®¸¯Âð±Ä²³ ´µ¼½ª©¨® 。 2 3, ¾¿§, À¼½ ¨®。 , ¿¼½© { y5 = 2, 0. 3 < x i ≤0. 5, x i > 0. 5 。 安全科学与工程·123· 270 ¡ ¢ (6) ( y6 ) { 1, x i ≤1. 5, 3, x i > 1. 9 。 £ 4 Table 4 (7) ( y7 ) , 1、2、3、4、 5 。 U 3. 2 , , , 3。 : (1) U0 : = U, H: = [ U0 ] , P: = Q: = Y = { y1 ,y2 ,y3 ,y4 ,y5 ,y6 ,y7 }, B = 。 (2) Q , D = {0 / 8,1 / 8,1 / 8,0 / 8,0 / 8,1 / 8,3 / 8 }, (3) , d max : = max D = 3 / 8, , H′ U0 , H: = H′ = [1 3 5 6 8 ] , P: = [ P, y0 ] = [ y7 ] , Q: = Q - { y0 } = { y1 ,y2 ,y3 ,y4 ,y5 ,y6 }。 B= 3 ~ 6。 Table 3 U 1 Background samples to extract advantage factors and first round of calculation results y1 y2 y3 y4 1 2 2 2 2 1 1 3 1 4 Y→ g y3 y4 1 2 2 2 3 1 1 5 2 6 Y→ g y5 y6 y7 g 3 3 1 3 3 2 3 2 1 3 1 2 1 2 3 1 3 2 3 2 2 2 1 2 3 1 8 1 3 1 2 2 1 3 3 d 1/5 2/5 0/5 0/5 1/5 1/5 — 3 Table 5 U Calculation result of third round of advantage factors y1 y2 y3 y4 1 2 2 2 5 2 2 6 3 d 1/3 y6 y7 g 3 3 1 3 3 1 2 3 1 3 2 2 2 2 1 2 3 1 — 1/3 1/3 1/3 1/3 — 5 ,dmax : = max D = 1 / 3,y0 : = Q(argmax D) = Q(1) = y1 ,B = { y7 ,y2 ,y1 }。 y6 y7 g 3 3 1 3 3 3 1 1 3 5 1 1 2 3 2 1 3 1 3 1 1 1 1 2 1 0 5 2 2 1 2 3 1 3 2 6 3 2 2 2 1 2 3 7 3 2 1 1 2 1 8 1 3 1 2 2 d 0/8 1/8 1/8 0/8 0/8 Y→ g y5 y5 ·124·安全科学与工程 advantage factors 5 H′, H′ = [4 7,1 3 5 6 8,2] 。 [4 7] 、[2] , , { y7 ,y2 ,y1 ,y3 ,y4 }。 ,H1 = ,。 Calculation result of second round of y2 (4) H y0 2 y1 y0 : = Q( argmax D) = Q(7) = y7 ,B = { y7 }。 3 ¦ 29 § ¥ 4 ,dmax : = max D = 2 / 5,y0 : = Q(argmax D) = Q(2) = y2 ,B = { y7 ,y2 }。 N: = {3,3,3,3,3,3,5 }。 (5) Q ¤ 3 ,dmax : = max D = 3 / 8,y0 : = Q(argmax D) = Q(7) = y7 ,B = { y7 }。 y6 = 2, 1. 5 < x i ≤1. 9, 3. 3 ¤ 6 Table 6 U , 。 4 Calculation result of fourth round of advantage factors y1 y2 y3 y4 1 3 2 2 1 5 3 2 1 0 d 0 — 1 3 3 1/8 3/8 Y→ g y5 y6 y7 g 3 2 1 3 3 1 2 2 1 3 2 1 1 — 0 — 6 ,d max : = max D = 1,y0 : = Q( argmax D) = ã3 ä ØÙÚ: Q(3,4 ) = { y3 ,y4 }, B = { y7 ,y2 ,y1 ,y3 ,y4 }。 1 , 1 。 , , 、 、、 (3) : 309 - 317. [4] ¯ °, ± ², , Ç. ÎÏ ÊÐ [ J] . ¾À Á ÑÌ ÌÍ, 2009, 19 (10) : 145 - 149. [5] £³Ò, ´µ, ¯ °, Ç. ÎÏ ÊÐ [ J] . ¾ À Á Â Ã Ñ Ì Ó ¶, 2009, 5(6) : 53 - 56. [6] 。 271 ·, , . ÈÔÕ ¸®±[ J] . ÑÌÓ¶, 2004, 32 (2 ) : 69 - 71. 4 [7] , ³, ¹, Ç. ¸Ö ÈÉÔÕÊ , , 。 , 、、 、 58 - 62. [8] [9] [10] ¬®±[ J] . ÌÍ, 2005, 30 (1 ) : ×, , ¾. ¶ ¡[ J] . ÄÀÁ, 2004, 31(3) : 4 - 6. ØÙÚ, , . · [ J] . ÛÒÜÑÓÌÌÍ, 2017, 27(4) : 354 - 358. º»¼. [ J] . ÆËÓ¶ÌÌÍ( Ý ÞÑÌ) , 2013, 32(10) : 1297 - 1304. , [11] , . ½§¼¾¿ ¡,, , ¢ [12] º»¼, , ÀºÑ, Ç. 。 £¤¥¦§,¨©ª¦§¤、« ¬®¯°±²³´ , [1] , . ¹º»«¼[ J] . ½, 2010, 38(1) : 7 - 13. [2] ¾¿ÀÁÂÃ, ¾¿ÄÀÁ. [3] ¡ Å[ M] . : Æ, 2009. ¢, £¤¤, ¥¦§, Ç. ÈÉ - ¨©ª« ·Ê ¬¼®±[ J] . ®ÄÀÁÆËÌÍ, 2008, 25 ¹ÆËÑÌ, 2015, 37(11) : 2169 - 2174. [ J] . ÆËÓ¶ÌÌÍ( ÝÞÑÌ) , 2014, 33(7) : 865 - 870. [13] µ¶·¸。 : ®±[ J] . º, º»¼, . ß [ J] . ÆËÓ¶ÌÌÍ( ÝÞÑÌ) , 2015, 34(4) : 539 - 544. [14] , Á, à. á [15] . áÈÔÕ ¨ ©ª « ( ) §·[ J] . ÆÄÝâÃ, 2015, 41(5) : 29 - 34. , , ·[ J] . ÀÑÓÌÌÍ, 2009, 29(2) : 136 - 139. 安全科学与工程·125· 24 4 Vol. 24 No. 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2014 7 GA July 2014 , ( , 150022) ": 。 ! , ¡¢£¤¥¤¦。 §¨© , ª, « ¬®¯° ±。 ²³´ µ¶·¸¹®º°»¼½¾。 #$%:; ; ; doi:10 3969 / j. issn. 2095- 7262 2014 04 014 &'()*:TD712; TP183 +,-*:2095- 7262(2014)04- 0401- 04 +./01:A Genetic algorithm optimization neural networkbased prediction of coal mine gas concentration XU Liang, ZONG Ming ( School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper proposes a genetic algorithm optimization gray neural network model designed to address a notorious difficulty due to the lack of the large number of realtime data necessary for accu rate modeling for neural networks in predicting coal mine gas concentration. The design involves develo ping an improved gas concentration forecasting model using grey prediction model theory based on less da ta and selflearning ability of neural network structure and optimizing the initial weights and thresholds of the model using genetic algorithms. The results suggest that genetic algorithm optimization gray neural network model boasts a greater gas concentration prediction accuracy and speed than a traditional model. The study may provide a useful reference for the prevention of gas accidents. Key words:grey neural network; genetic algorithm; gas concentration; prediction 0 ½,ÃÄ ÅÆ。 ÇÈ,É Ê· ËÌ,ÍÎÏÆÅ ÐÑÒÓ , ¡¢ £¤¥ [1] ¦§¨©¦§ 80% ª« 。 ¬®¯°±² ³´,µ¶·¸ ¹ º», ¼½¾¿, ÀÁ ,ÔÕÖ×ØÙ¤¥¦§ ÅÆÛÖ£ ÜÝÞß。 ·126·安全科学与工程 (1966 - ) , àá âãäåÖÊ· ¹ º 、æ、· çèéÊ·¾、 ¹ê¾、ëì 2345: 2014 - 04 - 30 6789:;: ÚÅ,Ï ,,,,: ,Email:xuliang6410@ 126. com。 402 ÷ [2] 、 ø ù ú 。 。 , [3] 。 , ,¡¢£¤¥,¦ §¨©ª、 «¬®, ¯°±²³´。 µ,¶ · ¸¹ º»¤¥¼© [4] ½¾ , ¿ÀÁÂÃ, û ¡ ý 24 þ ü çèÓÔ, N -ak x^ 1(1) (k + 1) = x1(1) (0) - 1 ∑ b i x (1) (k + 1 ) e + a i =2 i ( ) 1 b i x (1) (k + 1), i a∑ i =2 N (1) É PGM ®ê x^ 1(0) ( k + 1) = x^ 1(1) ( k + 1) - x^ 1(1) ( k) 。 PGM ´¤, Ö× °²ÄÅÆÇ。 Ç áßà, ¤È ´È¢¤¥ìé, 1 1 1 。 í î。 PGM , (1) a b ® ¸¹©ªÈÉʤ¥ Ë, ÌÍÎ , ÏÐÑÒ。 ÓÔ¤¥ÕÖ× , Ç º。 。 È· 1 2 ØÙÚ Û , Ü Ý Þ ß à á â ã ä å [5] 。 ¸¹©ª· Å¢¤¥× ïðÕ©ï, ñ¡¢Ã ¡æ, ¢£ê æ¢,¼çåÜè,éÜÝÌÍ ®。 ¸¹©ª ( prediction grey mod ¤î( ¥Àî、¦òî¥çî ) 。 、 ,§ el,PGM) Üꩪ, ¶ PGM êâÖ¢ ©ª。 [6] [7] ó PGM ¨, ¼ ¸ ¹ © ª ( prediction grey neural network mode,PGNNM) 。 PGNNM · ª¨«¬, ¶ ¯ì¶。 â X1(0) = ( X1(0) (1) ,X1(0) (2) ,…,X1(0) ( n) ) , (0) (0) X (0) = ( X (0) N N (1) ,X N (2) ,…,X N ( n) ) 。 (1) Z (1) 1 X (1) 1 (0) ®æ 。 PGM ¤©ªê , N x1(0) ( k) + aZ1(1) ( k) = ∑ b i x (1) ( k) 。 i i =2 u^ = ( a,b2 ,b3 ,…,b N ) = ( B B) T T -1 B Y。 T - 1 (x1(1) (1) + x1(1) (2)) x2(1) (2),x3(1) (2),…,x (1) N (2) 2 - 1 (x1(1) (2) + x1(1) (3)) x2(1) (3),x3(1) (3),…,x (1) (3) N B= 2 , 1 (1) (1) (1) (1) (1) (x - (n - 1) + x (n)) x (n),x (n),…,x (n ) 1 1 2 3 N 2 Ȱçè, N dx1(1) ( t) + aZ1(1) ( t) = ∑ b i x (1) ( t) 。 i dt i =2 (2) :a,b1 ,b2 ,…,b n - 1 ———Ü賤, y2 ,y3 ,…,y n ———³´¥Àµ¤; y1 ———³´¥çµ¤。 ´ê b b b z(t) = y1 (0) - 1 y2 (t) - 2 y3 (t) - … - n - 1 yn (t) e - at + a a a ( b2 bn - 1 b1 y (t) + y3 (t) + … + y (t)。 a 2 a a n ë Y = [ x1(0) (2) ,x1(0) (3) ,…,x1(0) ( n) ] T , ö °±¼² PGNNM Üè(2) : dy1 + ay1 = b1 y2 + b2 y3 + … + b n - 1 y n , dt X2(0) = ( X2(0) (1) ,X2(0) (2) ,…,X2(0) ( n) ) , ë X i X i ×Ëæ¤¥ ©ôÄõ®, ® PGNNM, É ¨ d= ) (3) b1 b2 bn - 1 y2 (t) + y3 (t) + … + y (t), a a a n (3) ¶ê z(t) = (y1 (0) - d)(1 + e - at ) - y1 (0) + 2d。 ¸¹©ª BP «¥À、 ¥ç©ª ,¢£·¸ 1 ¹º。 ¸ 1 w21 ,w22 ,…,w2n ,w31 ,w32 ,…,w3n ꬮ。 u1 = 2b1 2b2 2b n - 1 ,u2 = ,…,u n - 1 = , a a a 安全科学与工程·127· 4 µ æ 403 ç,:GA ËÌÄÅÆ¬ E = : w11 = a, w21 = - y1 (0), 1 ( yi - oi ) 2 , 2∑ i =1 n :E———´; n——— ; w22 = u1 , y i 、o i ———µ、。 w23 = u2 , (3) °。 ¥¤, ¶«¬。 ¥ i w2n = u n - 1 , N w31 = w32 = … = w3n = 1 + e - at , θ , - at θ = (d - y1 (0))(1 - e )。 , , f(x) = P i = f i / ∑ f k ,i = 1,2,…,N, k =1 Sigmoid 1 , 1 + e -x (4) °。 ¸¥¥ ±¡¢£,¹º ¥¤¥,¥¦»§ ¨©¼ , P c 0. 25 ~ 0. 75。 (5) ½ª°。 ¾¿«¬®, »§ , f(x) = kx。 : f i ———(2) ª«¬; N———·。 ½ª P m ¨©¼ , ½ª°, 0. 01 ~ 0. 20。 (6) ¯¿ °。 À Á ° ± ´,²¹º¯µ³³´´,µ¶ (3) ¤°,·¸¹Ã¹¥, ¦¹ºÄÅÆ¬ 3 Fig. 1 2 1 Gray neural network topology ±²ÇÈÉÊÈË̺»¼½¾¿±ÀÁ¤Â # ËÌ 65 Ë 41082 ¶ËͰÎÄÅÆ¬Ï £,ÃÄ GA - PGNNM ¼ 。 ËÌФÃÑÅÆ,Ò 20 ¡ , , , 。 , 。 ( genetic algorithm, GA) 、 , ¡ [8] ( genetic algorithm - prediction grey neural net ¢ work mode,GA - PGNNM) 。 GA - PGNNM £¡¤ : (1) 。 ¥¦ , §¨ N ¥¥ ©。 (2) ª «¬ 。 ¦®¯ °±²³,´,´ °«¬ , f( x) = ·128·安全科学与工程 、 。 1 , E £, 12 ¡Ç £。 ÈФÄÅÆ¬ÓÔ Õ,³É¥ Õ°ÊË©,Ì ÍÄÅÆ¬ φ、Ö¶Ë׬ h、ج d、ËÌÙÖ ¶© q、ËÄÅÚ© V ÛÜ v。 ÄÅÆ¬ ©, 1—1—6—1 Î, ÝÞÏ£, ¥,ÐÌ ÍÉ¥,ÑÒÉ¥ Õ,ÄÅÆ¬ 。 20 ¡ £,Ó 1 Ô。 MATLAB ,±² ,ßà PGNNM 27, ,â ÝÕ¤,¯ ¦®Ö´³, ¦ 。 á ÎÔ ¥ 。 ã N 32,×ØÒ 150, Pc 0 50, ½ª P m 0 02。 ä GA - PGNNM ¹ a1 、b1 、b2 、b3 、b4 、 b5 ±å 0 635 8、0 352 1、0 306 8、0 574 8、0 324 6 404 Í Î Ï ¿ 0 317 9。 , GA - PGNNM ,、 PGNNM , À 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Training with data gas concentration prediction h/ m d/ m q / (t·d - 1 ) 1 16 206 110 1 38 124 1 03 105 116 113 104 123 132 135 114 146 114 123 131 118 127 109 112 131 121 237 V / (m3 ·t - 1 ) v / (m·s - 1 ) 182 0 88 23 4 162 1 13 0 98 0 79 1 21 145 1 34 1 19 1 04 165 1 28 2 5 20 9 143 1 9 0 436 : 0 471 [1] [3] 0 379 5 479 0 368 0 345 0 428 10 456 0 463 0 334 1 340 3 836 5 519 0 365 0 462 3 318 2 208 5 114 0 442 3 693 3 152 1 339 7 393% 3 116%, GA - PGNNM , GA , . ¼ ½ . ¼ BP §Â , [ D] . ¾: ¾¿ÀÁ, 2011: 1 - 2. [ J] . ¹º, 2010, 37(4) : 37 - 39. . ¼ BP [ J] . Ä¡, 2008(4) : 10 - 13. à §¨Á, 2011: 37 - 39. radial basis function prediction model and its applications [ C] / / Innovative Computing, Information and Control, 2006. IClCIC’06. First International Conference on. Beijing: IEEE, 2006: 582 - GA optimization 2 。 2 , PGNNM GA - PGNNM ª«, µ¶·¸,¹º¸»。 YUAN JINGLING, ZHONG LUO, YU YANG. The dynamic grey Prediction gray neural network by PGNNM GA - PGNNM ª [5] GA 。 11 137 ¢£¤. ¼¥¦Å[ D] . §¨: PGNNM 0 412 0 436 [4] Fig. 2 0 375 3 488 ¨ 2 3 101 4 601 © ²³´ 0 498 18 866 0 376 5 601 0 372 15 467 3 390 ¢£¥¦§ GA - PGNNM, [2] 0 448 0 396 2 331 , , ¡¢£¤ 0 352 1 376 0 432 0 532 3 201 5 963 0 456 0 335 2 133 «¬。 ®, ¯ °±。 0 361 2 1 22 4 0 453 0 483 0 363 ¨ 0 423 2 4 23 1 172 1 11 2 3 22 6 0 365 0 383 PGNNM GA - PGNNM 0 469 0 432 1 8 20 3 131 1 31 1 9 19 8 171 0 511 1 9 21 2 165 0 446 2 4 22 3 0 373 24 4 0 433 0 422 0 393 2 2 21 1 153 0 358 2 4 20 8 156 0 375 2 7 22 7 134 0 421 2 9 22 3 176 1 09 2 3 0 442 0 516 22 0 468 0 462 0 413 20 % GA - PGNNM 0 365 18 0 459 2 5 0 472 16 PGNNM 0 436 14 0 431 2 6 6 12 0 373 2 3 19 5 178 0 98 0 389 21 3 141 1 09 2 2 19 5 135 0 81 19 8 1 6 18 8 142 0 78 0 346 21 7 175 0 93 1 8 0 375 10 φ/ % 22 7 2 8 φ/ % 4 Ð 24 Ñ Ì Comparison of two kinds of prediction model error t/ h 2 。 2 ,GA 。 Table 1 Á 2 Table 2 1 Á 585. [6] ©ª«, ¬Æ®, ¯ [7] ² Ç[ J] . °. ¥¦ ±È¡, 2010, 46(2) : 41 - 43. ³, ´Æµ, ¶ ·, É. MATLAB 30 ʸ¹ [M]. §¨: §¨º»ºÁ [8] , 2010: 258 - 267. . ¼¥¦ BP §Ë ̮ȡ[ D] . : Á, 2012: 23 - 25. ( ) 安全科学与工程·129· 29 4 Journal of Heilongjiang University of Science & Technology 2019 07 Vol. 29 No. 4 July 2019 , , , ( , , 150022) ! ": , DDTS - 500 2D , 。 , PFC ¡¢£¤。 ¥¦§¨: 1. 8 ~ 2. 0 MPa ©ª« ¬®; ©¡¢£¤¯°±² ³´µ¶,·¸¹º¡¢ª»。 ¼½ ¾¿ÀÁÂÃÄÅÆ。 ; ÇÈÉ; #$%: Á; doi:10. 3969 / j. issn. 2095 - 7262. 2019. 04. 001 &'()*:TD713 +,-*:2095- 7262(2019)04- 0387- 05 +./01:A Numerical simulation and experimental research for critical state of coal and gas outburst Liu Yongli, Wang Zhensuo, Zhang Jianwei, Li Tao, Ren Mengxuan ( Key Laboratory of Mining Engineering in Heilongjiang Province Ordinary Universities, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China) Abstract:This paper aims to explore the law underlying coal and gas outburst. The study building on a series of experiments of DDTS - 500 coal and rock monitoring system involves investigating how coal and gas outburst occur, analyzing the range of its critical state, and numerically simulating the changes in gas pressure and the internal cracks of the coalsample, based on the experimental data and using the PFC 2D software. The study shows that coal and gas outburst occurs in experimental coal samples with gas pressure of 1. 8 - 2. 0 MPa. The internal cracks at the critical state mainly concentrated on the side of the free surface tend to develop in an arc shape toward the center. This study could serve as a reference for monitoring and alarming the critical state of coal outburst hazardous zones. Key words:coal and gas outburst; particle flow; outstanding prediction; numerical simulation 0 ¿À¼, ÁÂÃÄÃ, ÅÆÇ È、ɧůÊÈ,ËÌÍÎÏÐÑÒÓÔÕ ´µ¶·¸ ¹º»¼¹、 ½¾» ÅÆÈ§。 1843 ,¯Ö ×ÉØÙÚ Û 2345: 2019 - 04 - 30 6789: (51604100) ;(2017 - KYYWF - 0514) :;<=>?: (1968 - ) ,,¡¢,£¤,¥¦,¥¦§¨©,ª«:¬®¯°±²³,Email:yongliliu1968 @ 126. com。 ·130·安全科学与工程 388 ` @ ? > [1] ] 29 = © ,。 , § ±¥¶¤¹º¤¥,¦Ç ± Ò、Ò、 Ò¬¶¨©¡ 。 ª«¬®ã。 ¯¤¥¯çÒ¬£ã°、 ±²¤¥、¥¤¥、³Ò¤¥´µ,¶· 1 ¸¹。 [2] ¡ ¢£¤¥, ¦§¨©ª«¬®¯ ±¬²。 ³´µ ¶·¸¹º, ¡ [3] ° ¢£»。 ¼½ Ä¢£ ÊË ¾ PFC ¿À¹ºÁÂÃ ÅÆÇ, È É ¦ 3D [4] 。 ÌÍ [5] Î FLAC3D ÅÆÇÏÐÑ Ò¬Ó ÔÕÖװج²Ù [6] ÚÛÕÖ。 ÜÝ ÞßàÇáâãä ¾ åæ ¯ç¡ èé。 ÄêÏо ¥ëìíî ,¾ïðÅÕñ,Å¥ ¡Õ。 ÞãÇÅÆÇ È , ÐòïðÅ , óÑñ 。 1. 1 System composition õ ý¼µ 15 cm × º» ô 14 15 cm × 15 cm ½ìÉ,㾿¶: ô # (1) ÀÁ´ã, ´ ÃÄÅÆÇ Ò,Ò~ͬ«Àâ® 253. 125 kN, Ò~ͬ «Àâ® 71. 325 kN。 ®Óäã Æ É ô , õí # , , 14 õ¡ ® 3 59. 79 m / min,öô¡ 90% [7] # Ä 。 14 õ÷¾ 450 m , ıõø 25 kN / m3 , 0. 22, Ò¬ 1. 5 MPa。 Õ«¬«¬, ù õúÒ ( «¬ ) Ò ( «¬ ) ûÁ¢£。 Ò: Ò: σx = σy = γ———ıõ μ———。 ÌÔÆÕÖרÄâîÙÚÛ ÆÉÜÆÉÝ,ÞÌÞß,¦ àÓäÆÇ²þÆÉÕÌáÓ â Õ¨ ÌÔÆÕÖãäé。 (3) À â ² É Ò ¬ Î Å: å æ ² É Ò ¬ À â 1. 5 MPa,çèéê。 åæ ëå¦ øç¨©×î , ì² ( Ô 80% [9] N2 ) åæíÅîï íÅ,çñòóô}| (1) μ σ, 1 -μ z (2) ¡:σ x 、σ y ———x、y ìü õ «¬,MPa; σ z ———z ìü õ«¬,MPa; õ÷,m; ,¾ σz = γH。 ø,kN / m ; 3 ¡ (2) 、(3) ¢Ò σ z = 11. 25 MPa, Ò σ x = σ y = 3. 17 MPa。 1. 2 1. 2. 1 1 ²þ,ÈÇÆÉÊ,ËÿÌ。 (2) Àâ~ͬÎÅ: Ï¡ (1) ÐѦ 1 H——— Fig. 1 É¢£ DDTS - 500 ¶¤¹º¬²£¤¥ õö÷ N2 øù ¢ ã, ®Óäã{öú ²Éåæ、 ëåÚ, ù÷ì² ( Ô £ û ¡ 80% [10] ¡ð´ N2 åæ N2 ) øù ²É¢£ [11] ã,ç¡üý¢£þ½ 。 (4) {áÿ[~À¼, ßÈ\}|{[\̽ ¨ì。 Â]î´ã²ÉÒ¬~Í] 1. 6 MPa, ]^´ã²ÉÒ¬~Í] 1. 8 MPa, ]Á´ ã²ÉÒ¬~Í] 2. 0 MPa。 (5) Þ¥¯°[\´ã²ÉÒ¬_ `,@²ÉÒ¬?úïð>=«ò,^[´ ã<。 1. 2. 2 [8] ¦î Þ ã;_[~: 安全科学与工程·131· ¼4 ½ ¾¿µ,À:¡¢Á ,、 。 , 389 ¥¦Àª«§,£ FISH Á¡§ 2D ,®¯ °±, ®Ã ¬Â PFC PFC 2D , 2a 。 , , 。 , 2b 。 ij¥£Å, ÆÃÇ È§¦Éʧ ¥¦È, 3 。 µ°±Ë³, ²® æ “ ³Å ” , »²µ, ̤ ²µº§。 '3 Fig. 3 2. 2 PFC2D &XVWFG

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