寺家庄矿15#煤层构造作用对煤孔隙特征及吸附—解吸性能影响

发布时间：2020-05-09 22:03

【摘要】：在煤层构造演化过程中,煤体受到地质作用致使其粒径逐渐变小,这种演化过程改变了煤体的粒径分布,使其孔隙结构特征发生改变,进而引起煤对瓦斯吸附-解吸性能的改变。因此研究煤层构造演化过程对煤体孔隙结构特征及吸附-解吸、扩散性能差异具有重要意义。本文在寺家庄矿15#煤层15106进风巷选取了受构造作用较小的煤样(SJZY)和受构造作用较大的煤样(SJZR)。在煤层构造演化过程中会发生一系列的物理化学变化,并伴随着煤体的不断破碎粉化,但由于其过程的复杂性和不可模拟性,本文在实验室中将煤样破碎成不同粒径来模拟其物理变化,以此来研究构造作用对煤体的影响。通过对煤层地质构造分析、实验室实验,分析煤层构造演化对煤孔隙结构特征及瓦斯吸附-解吸、扩散性能的影响。基于小粒径“粉煤”所表现出的对瓦斯极强的吸附能力和解吸能力,本文计算了SJZY和SJZR煤样不同粒径下的瓦斯膨胀能,结合前人的研究成果,判断出“粉煤”是造成煤与瓦斯突出过程的必要条件之一,并在此基础上分析了煤体粉化、快速解吸对突出的影响。本文的主要研究结论如下:1)构造演化对SJZY煤样的水分、挥发分及固定碳含量的影响大于SJZR煤样。实验测得SJZY煤样的坚固性系数f为1.14,SJZR煤样的坚固性系数f为0.15。SJZY煤样N_2最大吸附量从1.41ml/g增加至15.19ml/g,SJZR煤样从5.53ml/g增加至19.86ml/g;SJZY煤样CO_2吸附量跨度为5.96ml/g,SJZR煤样跨度为1.96ml/g,说明SJZY煤样吸附量随粒径的变化波动范围较大。两种煤样N_2脱附等温线反应出两种煤样的孔型都多以柱状孔为主。2)BJH-N_2模型展现出两种煤样孔容分布是一种多峰的状态,煤样内部存在不连续的孔结构。DFT-CO_2模型展现出两种煤样峰值数量在1-3mm和0.5-1mm的大粒径处出现的4个波动的峰值最终变为一个峰值,说明煤样孔隙在0.4-0.7nm孔径处的连续性变好。两种煤样一号峰值最可几孔径均为0.35nm,构造作用并没有改变孔径0.4nm孔容分布的最可几孔径值。DFT-N_2模型展现出两种煤样峰值数量变化并不明显。3)SJZY煤样微孔孔容在0.218×10~(-3)ml/g~2.13×10~(-3)ml/g之间,最大值是最小值的9.771倍;SJZR煤样微孔孔容在1.16×10~(-3)ml/g~2.58×10~(-3)ml/g之间,最大值是最小值的2.224倍;SJZY煤样BET比表面积在0.719m~2/g~3.117m~2/g之间,分别在0.5-1mm和0.074mm处取得最小值和最大值,两者相差4.335倍;SJZR煤样BET比表面积在2.386m~2/g~4.022m~2/g之间,分别在0.5-1mm和0.074mm处取得最小值和最大值,两者相差1.686倍。说明煤层构造演化中会使得微孔容和比表面积逐渐增大,吸附瓦斯能力增强。SJZY煤样孔结构分形维数D_1介于2.469~2.683之间,SJZR煤样孔结构分形维数D_1介于2.438~2.598之间。两种煤样均在0.074mm和1-3mm处取得最小值和最大值,其中SJZY煤样最大值是最小值的1.087倍,SJZR煤样最大值是最小值的1.066倍。SJZY煤样不同粒径分形维数均高于SJZR煤样,这说明SJZR煤样孔隙结构较SJZY煤样简单,这与SJZR煤样由于受到较大构造作用有密切关系。4)SJZY煤样a值介于27.6988~42.8633ml/g之间,跨度为15.1645ml/g;SJZR煤样介于37.6249~43.0575ml/g,跨度为5.4326ml/g。对两种煤样前30s解吸量Q_(30)而言:SJZR煤样增幅为5.15m~3/t,SJZY煤样增幅为2.25m~3/t;对前60s解吸量Q_(60)而言:SJZR煤样增幅为5.69m~3/t,SJZY煤样增幅为3.04m~3/t。第10min解吸速率除了1-3mm粒径,SJZR煤样的解吸速率均低于SJZY煤样,并且随着粒径的减小两者的速率差在0.074mm粒径时增大到了-0.1(g·min)。SJZY煤样有效扩散系数位于1.94×10~(-5)~7.14×10~(-5)之间,SJZR煤样有效扩散系数位于5.90×10~(-5)~1.65×10~(-4)之间。对比两种煤样可以发现,对于相同粒径,SJZR煤样的有效扩散系数是SJZY煤样的1.95~3.63倍。5)随着构造演化过程中煤样粒径的逐渐减小,SJZY煤样前30s平均瓦斯解吸速度从0.03033ml/g·s增加到0.10467ml/g·s,SJZR煤样从0.09567ml/g·s增加到0.26733ml/g·s。当SJZY煤样在粒径小于0.23mm时,超过了临界瓦斯解吸速度0.05646ml/g·s,而SJZR煤样在六种粒径下都超过了此临界值。SJZY煤样各个粒径段的瓦斯膨胀能介于177.8kJ/t~613.6kJ/t之间,其中最大值是最小值的3.5倍;SJZR煤样各个粒径段的瓦斯膨胀能介于560.9kJ/t~1567.3kJ/t之间,其中最大值是最小值的2.8倍。通过分析含瓦斯煤粉化、快速解吸在推动突出发展过程中的作用,得出小粒径“粉煤”和煤中所吸附得瓦斯快速解吸在推动突出过程中起到决定性的作用。
【图文】：

技术路线图

孔隙结构特征,煤矿,基础物性,瓦斯放散初速度

amples究构造演化对不同破碎程度煤体的孔隙结构特征及吸附-解吸采用坚固性系数、工业分析、瓦斯放散初速度对两种构造程度行了基础物性参数的表征。进一步介绍了表征孔隙结构特征的2吸附法和 CO2吸附法）和煤样瓦斯吸附、解吸的实验测定方样地质构造背景（ Geological Background os）造位置及区域构造概况井田位于山西省晋中市昔阳县境内，县城西测，其地理坐标：″～113°39′28″，北纬 37°30′52″～37°40′19″。东部与乐安煤矿、公司、黄岩汇煤矿、丰汇煤业有限责任公司边界相接；北与五17 km，东西宽约 9 km，近似梯形，面积约 124.0838km2。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712

【参考文献】