新景矿3#煤层地质构造作用对煤孔隙结构特征及瓦斯吸附—解吸特性影响

发布时间：2020-04-11 06:33

【摘要】：在煤层地质构造作用下存在着煤体破碎情况,这种构造作用改变了煤体孔隙结构,进而引起煤瓦斯吸附-解吸性能的改变,从而导致不同破碎类型的煤突出危险性也会有差异。因此需要对煤层地质构造作用对煤孔隙结构特征及瓦斯吸附-解吸特性影响进行研究。本文在新景矿3#煤施工的南九正巷(NJY)和北九正巷(BJR)选取不同构造程度的煤样,在实验室条件下将煤样破碎筛分成六种不同粒径(1-3mm、0.5-1mm、0.25-0.5mm、0.2-0.25mm、0.074-0.2mm、0.074mm)煤样,近似类比煤层的地质构造作用。本文采用理论分析、实验室测定等手段,系统的研究不同构造程度煤体破碎过程中孔隙结构变化特征和瓦斯吸附-解吸特性的差异,并对造成这种差异的原因进行定性定量分析,并在此基础上分析了小粒径颗粒煤在煤与瓦斯突出过程中的作用。本文的主要研究结论如下:1)地质构造作用对同一类型煤样水分、挥发分及固定碳含量影响较小,灰分含量随着煤样粒径的减小呈现增加趋势。煤样液氮吸附等温线均表现为连续、无跳跃式上升的特征。随着破碎程度的增加,小粒径煤样展现出更大的孔隙容积及吸附能力。NJY煤样既包含开放性孔隙形态,也包含大量的封闭性孔隙形态,煤样的孔形多以柱状孔为主。BJR煤样具有开放性孔隙形态,煤样孔形多以墨水瓶等形状的孔为主。这表明在煤层地质构造作用下,煤体的孔隙结构变得越来越简单,孔隙类型由封闭性、半封闭性孔隙形态逐渐向开放性孔隙形态过渡,这使得瓦斯进入或者离开煤体孔隙的路径变短,阻力也变小。2)随着煤样破碎程度的增加,NJY与BJR煤样的孔径分布由以微孔和小孔为主,逐渐向小孔和大孔为主过渡,煤样的孔比表面积以微孔为主。小粒径煤样的微孔、小孔、中孔(400mm)孔容和比表面积更大;与NJY煤样相比,BJR煤样微孔小孔孔容和比表面积更大。这说明在煤层地质构造作用下,煤体孔容和比表面积越来越大,在地质构造作用下破碎类型高的煤样孔隙孔容和比表面积更大,即煤体吸附储存瓦斯的能力增强,孔隙结构更利于瓦斯的运移扩散。以相对高压段的煤体孔结构分形维数D_1作为煤样液氮吸附法的分形维数。随着煤体破碎程度的增加,煤样的孔结构分形维数越来越小,说明在地质构造作用下煤体的孔隙结构逐渐由复杂变得简单。3)煤层地质构造作用对瓦斯吸附-解吸特性具有显著影响。随着煤样破碎程度的增加,NJY与BJR煤样的朗格缪尔压力单调减小,朗格缪尔体积、Q_1/Q_(120)值、1min和120min累计解吸量、极限瓦斯解吸量、瓦斯初始解吸系数与初始瓦斯解吸速率均逐渐升高;与NJY煤样相比,BJR煤样朗格缪尔压力更小,其他吸附-解吸特性参数均更大。这是由于在煤层地质构造作用下,煤体孔容与比表面积均出现增加,尤其是微孔的孔容和比表面积增加幅度更为明显,为煤体表面吸附瓦斯提供了更多的吸附位,使煤样具备更强的瓦斯吸附能力;煤体的孔隙结构变得越来越简单,开放性孔隙类型越来越发育,使得瓦斯进入煤体孔隙的路径变短,阻力也变小,加快了煤样达到吸附饱和的过程。煤层地质构造作用改善了煤的解吸性能,随着破碎程度的增加,煤样短期内解吸释放的瓦斯量更大,煤体孔隙结构朝着有利于煤解吸性能释放的趋势变化,尤其是小粒径煤样展现出更强的初始解吸性能。4)文章选取朗格缪尔体积和朗格缪尔压力作为吸附特性参数,选取瓦斯初始解吸系数、极限瓦斯解吸量和瓦斯放散初速度参数作为解吸特性参数,与孔隙结构特征参数(微孔孔容、BET比表面积、孔结构分形维数)结合分析发现:在煤层地质构造作用下,随着破碎程度的增加,煤体的孔容和比表面积越来越大,孔隙结构越来越简单,这使得煤体吸附量增大,吸附瓦斯能力增强,吸附瓦斯也越容易,煤体的初始瓦斯解吸性能越好,可瓦斯解吸量增大,瓦斯放散初速度越大,煤体具有更高的突出潜能。5)以突出临界瓦斯解吸速度为0.05646m L/g·s,计算发现煤样粒径大于0.25mm时,NJY与BJR煤样第1min平均瓦斯解吸速度均在突出临界瓦斯解吸速度以下,达不到突出所需要的瓦斯能量要求,即小粒径颗粒煤是发生煤与瓦斯突出的必要条件。煤样的瓦斯膨胀能主要转化为煤的运移功。随着煤样破碎程度的增加,煤样的瓦斯膨胀能均呈现增大趋势。突出点的瓦斯压力越大,煤样孕育的瓦斯膨胀能也越高。BJR煤样的突出临界瓦斯解吸速度对应的临界粒径比NJY煤样更大,瓦斯膨胀能也高,表明BJR煤样具备更高的突出潜能。对于NJY与BJR煤样而言,突出点煤体发生搬运所需的瓦斯膨胀能应达到1000kJ/t量级以上。研究表明小粒径颗粒煤在整个煤与瓦斯突出过程中提供了重要的能量基础。
【图文】：

表征方法,孔隙结构,适用范围,孔径分布

将此过程近似类比煤层的地质构造作用，通实验对比，可以获得煤层地质构造作用对煤孔隙结构特征影响。研究现状（Research Development at Home an质构造作用下孔隙结构变化特征造作用下存在着煤体破碎情况，，这种破碎过程改变了粒征也发生变化[17]。研究煤孔隙结构的方法按照分析原理分，其中照射法主要有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射、显微 CT、小角散射等，流体流动法主要有压汞法、液氮热孔法、氦比重瓶法等[18]。不同表征方法的分析原理及其。其中，气体吸附法和压汞法在多孔材料的孔隙结构表征]。

技术路线图

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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712

【参考文献】