为研究受限空间内瓦斯爆炸障碍物附近流场结构演化, 通过实验室中尺度激波管道设置压力和火焰传感器以及激光纹影系统, 在玻璃视窗处设置阻塞率为21.56%的障碍物, 改变障碍物数量, 对比不同工况下火焰传播、压力变化、激波运动、流场变化, 分析障碍物对受限空间内瓦斯爆炸流场演化影响。实验研究发现：障碍物对于瓦斯爆炸激励效应不可忽视, 加入单一障碍物使最大爆炸超压增加32.3%; 最大火焰传播速度增加115.4%。在障碍物数量一定时, 障碍物对瓦斯爆炸激励效应与障碍物数量呈正相关关系。同时发现障碍物对瓦斯爆炸激励效应主要表现在障碍物周围区间内。激励效应主要机理是障碍物存在增加了障碍物附近湍流强度, 使得火焰拉伸形变, 增大了火焰锋面面积, 加速了化学反应进行。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),引入模糊自适应比例积分微分循环控制算法实现腔体内部温度和压力的精确控制,选取1658 nm附近的双近红外吸收谱线对实现 12CH4和 13CH4气体稳定碳同位素的同时测量。通过对来自煤矿井下不同煤层和位置的瓦斯气样进行分析可知,其浓度范围为0.94%~83.91%,所得同位素丰度在-66.75‰到-48.32‰之间。该方法可以很好地区分煤层瓦斯气体来源,并且可以依据同位素丰度值对瓦斯的成因类型进行判断。该技术可为后续开展矿井瓦斯运移通道研究、瓦斯灾源预警、煤层气研究及大气环境研究等提供支持。

瓦斯炭黑是橡胶中重要的添加剂之一, 其含量对橡胶性能有重要的影响。 丁腈橡胶是工业生产中应用比较广泛的合成橡胶, 研究丁腈橡胶中瓦斯炭黑的含量具有重要意义。 利用太赫兹时域光谱技术, 对八种不同含量瓦斯炭黑与丁腈橡胶组成的混合物样本中的瓦斯炭黑含量进行测试, 获取了混合物样本在0.3~1.4 THz频段的吸收光谱数据。 分别利用偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)建立混合物中瓦斯炭黑的定量分析模型, 使用均匀梯度法来选择模型的校正集和预测集, 获得瓦斯炭黑预测集的相关系数与均方根误差。 偏最小二乘模型相关系数与均方根误差分别为0.985 8和2.098 9%, 支持向量回归模型相关系数与均方根误差分别为0.998 0和0.785 4%。 实验结果表明, 支持向量回归定量分析模型的预测结果优于偏最小二乘模型。 为进一步证明支持向量回归模型的稳定性, 多次使用随机选择法选择它的校正集和预测集, 并求得其相关系数与均方根误差。 结果表明, 无论是利用均匀梯度法还是随机选择法对支持向量回归定量分析模型的校正集和预测集进行选择, 求得的相关系数和均方根误差均优于偏最小二乘模型。

甲烷气体是一种对人体和环境有严重危害的气体, 特别在煤矿、天然气罐、气站和石油化工等安全生产领域, 对甲烷气体的泄漏监测至关重要。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 选择1 653.72 nm波长作为甲烷气体直接吸收检测的中心波长, 使用微透镜设计了14 cm光程吸收池建立了一套浓度范围为0～100%全量程甲烷在线监测系统, 利用分束器分成多路对不同位置进行监测, 通过小波变换对吸收信号进行降噪处理, 提高信噪比, 使系统的最低测量极限达到335 ppm(1 ppm=10-6), 并将自行研制的多点全量程激光甲烷传感器与商用红外甲烷气体探测器进行对比实验, 结果表明: 该系统具有测量稳定性好、测量范围大、响应速度快、免调校、测量探头本征安全、低成本等优点, 完全有能力满足各行业的使用需求。

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

为了解决检测煤矿复杂环境中的瓦斯信号时易受周围噪声干扰以至微弱信号被掩埋或产生异常数据的问题, 提出一种基于随机共振的微弱瓦斯信号检测方法。采用欠采样原理对大频率信号尺度变换及粒子群算法优化系统结构参量, 对大参量微弱信号在随机共振系统中的共振效果进行了理论分析和研究。结果表明, 该方法可以以较低的采样频率, 自适应地达到较好的共振效果;可有效地滤除噪声并增强系统辨识微弱信号的灵敏度以及信号检测的动态范围。该研究为瓦斯突出信息的早期辨识提供了一定的理论依据。

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

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

针对井下甲烷浓度监控干扰大的问题, 结合实时监测甲烷浓度的系统要求, 设计角镜连动的自消震光学结构, 构建了基于无线网络的实时数据通信系统.在干涉系统中, 固定两个角镜位置, 将两片半透半反镜用连杆结构同步旋转, 由此产生光程差.由于采用了连杆结构, 任意时刻引入的震动在两个分束镜上等量存在, 其结果是差分值, 可实现完全相消.由分析分束器的最大旋转范围计算得到系统的光程差变化范围.结合比尔朗伯定律, 给出系统在井下工作的甲烷气体浓度最低检出限.分别在实验室及矿井主巷道中完成实验过程, 通过化学反应法求得被测甲烷气体的标准浓度, 与WQF530型光谱分析仪的测试结果作比较,结果表明：在实验室无干扰条件下, 两种检测方法的相对误差均小于1.0%;在井下实验中, 传统光学检测方法受环境影响明显, 相对误差大幅增加, 而本系统测试结果基本稳定, 具有较强的抗干扰能力及较高的稳定性.

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