突出煤粉孔隙损伤演化机制及其对瓦斯吸附解吸动力学特性的影响

发布时间：2020-07-30 14:43

【摘要】：煤与瓦斯突出过程中常伴随着煤体粉化现象,因此需对煤体粉化过程中的孔隙损伤演化机制,及由此引起的煤中瓦斯吸附/解吸性能的改变进行研究,研究结果对完善煤与瓦斯突出机理具有重要意义。本文以马场矿、阳泉五矿、白龙山矿距突出点最远端煤粉为研究对象,运用表面化学、流体力学、毛细力学、分形几何学、数理统计等理论方法,建立了煤孔内瓦斯运移微观模型及煤颗粒内瓦斯运移宏观模型。运用数值分析和实验相结合的方法,获得了煤体粉化过程中孔隙损伤演化机制。结合瓦斯运移宏微观模型和孔隙损伤演化机制,开展了不同粒径煤粉的吸附/解吸性能实验验证工作,分析了突出激发瞬间需满足的颗粒粒径条件,主要研究结论如下:1)获得了突出煤粉粒径分布特征。微米级粒径煤样占比介于0.66%~1.46%间;十微米级粒径煤样占比介于2.59%~7.44%间;百微米级粒径煤样占比介于40.71%~62.76%间;毫米级粒径煤样占比介于33.19%~52.15%间。2)获得煤孔隙损伤演化机制及孔形半定量化结果。数值模拟结果表明,随粒径减小,煤总比表面积增大,外比表面积增大,内比表面积只在过度破碎时有减小趋势。孔结构实验测定结果表明,随粒径减小,总孔容整体呈增大趋势,增大倍数介于1.1715~28.5间;总比表面积变化趋势不一致,马场矿和阳泉五矿煤样总比表面积随粒径减小呈左侧高于右侧的“U”型趋势,白龙山矿总比表面积随粒径减小而增大,总比表面积增大倍数介于1.0346~3.7807间。半定量化结果表明,半径大于2nm时,孔形基本以两端开口型为主,2nm左右孔形无一致性变化规律;单颗粒煤总孔长??tL r随孔半径减小,整体呈增加加剧的增大趋势,随粒径减小,各孔径段总孔长均逐渐减小,故均存在“墨水瓶”型孔消失情况,马场矿煤样“墨水瓶”型孔在微米级粒径时消失,阳泉五矿煤样“墨水瓶”型孔在百微米级粒径以下时消失,白龙山矿毫米级粒径以下煤样均无“墨水瓶”型孔。“墨水瓶”型孔的存在表明瓦斯储集能力较强,而“墨水瓶”型孔腔体越长,表明储集瓦斯能力越强,但放散能力较差,故上述孔形随粒径变化情况表明,随粒径减小,单颗粒煤储集瓦斯能力变小,但放散能力逐渐增加。3)建立了煤孔内瓦斯运移微观模型,从孔尺寸角度确定了煤孔内瓦斯吸附/解吸动力学特性影响的主控因素。结果表明:控制单一变量情况下,孔半径r,孔长L,吸附平衡压力P及Langmuir吸附常数b的增大均会增大煤孔内瓦斯平衡量,各因素对煤孔内运移平衡量影响程度表现为:孔半径孔长吸附平衡压力吸附常数b。孔长L的增大会明显加大瓦斯在煤孔内的运移平衡时间;孔半径r,吸附常数b及吸附平衡压力的增大会减小煤孔内瓦斯运移平衡时间,影响程度表现为:孔半径吸附平衡压力吸附常数b。孔隙损伤对煤孔内瓦斯平衡量无影响,但会加剧煤孔内瓦斯运移速度,使损伤前后运移平衡时间均缩短,损伤前后运移平衡时间缩短程度为:A=BECD,(A:等径一端开口变两端开口,B:一端开口在1/2处损伤,C:一端开口在近开口端1/4处损伤,D:墨水瓶型孔变径处损伤,E:墨水瓶型孔一端开口变两端开口损伤)。4)建立了煤颗粒内瓦斯运移宏观模型-分数阶分形扩散模型。采用分数阶分形扩散模型,从理论角度预测瓦斯吸附/解吸速度随粒径变化增长倍数,结果表明,随粒径减小,煤样吸附/解吸速度急剧增大,如粒径减小为原来的1/2,则吸附/解吸速率增长范围介于4~16倍之间,由此表明粒径对煤中瓦斯吸附/解吸速率有重要影响。5)基于瓦斯吸附/解吸实验结果的宏微观模型验证。不同粒径煤吸附等温线存在“分区”现象,不同煤样“分区”情况有差异,但总体变化趋势为煤样粒径越小,曲线越靠上。煤样吸附平衡时间均随粒径增加快速增加。粒径最小煤样的吸附平衡时间仅需5min,而粒径最大的煤样吸附平衡时间则需十几天才可完成。据吸附平衡时间,结合瓦斯运移微观模型,可估算出煤给定半径孔并联数目,进一步推进了煤孔形定量化。结合孔结构分布特征及微观运移模型,实现了微观模型向宏观模型的过渡,并从宏观解吸实验中得到了验证。6)突出激发满足的粒径条件:结合孔结构分布特征及微观运移模型,运用突出瓦斯膨胀能公式,获得不同粒径煤瓦斯膨胀能分布规律,结合突出激发条件,获得非常规粒径煤样解吸速度不能推动突出的发生,即突出发生时必须存在大量小粒径煤样。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD713
【图文】：

ion出及研究意义（Question and Research Sig清洁能源，主要以吸附态存在于煤孔隙中，储量巨大 36 万亿立方米；然而瓦斯又是诱导煤与瓦斯突出导致煤壁失稳突出，并在极短时间内对煤体进行破点最前方有大量手捻无粒感煤粉（图 1-1 出自贵州煤体在突出发生时存在强烈粉化现象。同时，突出（图 1-2 出自贵州马场“3.12”突出现场报告），说为失稳煤体的抛出提供足够动力，保证突出过程的和深度的加大，矿井地质条件更加复杂，瓦斯含量与瓦斯突出灾害发生的可能性及强度均增大，引出

技术路线可概括为：（1）采集突出现场煤样并筛分得到各粒径煤样质量出能量中的破碎功计算提供数据支持，对各粒径煤样进行工业分析获得各数据。对各粒径煤样瓦斯放散初速度进行分析，初步获得各粒径煤样放散径煤样的真假密度及孔隙率，真假密度用来计算克煤颗粒数。（2）建立，观察破碎过程中内外比表面积变化情况，综合采用压汞法和液氮吸附法构参数（孔容、比表面积)随粒径变化情况，并采用理论计算方法获得单为孔形的半定量化提供数据支持。（3）采用毛细力学、流体力、分形几原理，分别建立煤孔内瓦运移微观模型和煤颗粒内瓦斯运移宏观模型，从煤孔结构（孔半径、孔长、孔数目)、压力及吸附常数 b 对吸附/解吸动力从宏观角度观察瓦斯在给定粒径煤颗粒中运移情况，分析粒径对吸附/解吸4）对不同粒径煤的吸附/解吸等温线、吸附平衡时、解吸动力学曲线、解行了测定。在实验基础上，分别对煤孔内瓦斯微观运移模型和宏观运移模形扩散模型进行验证，并观察煤吸附/解吸特性随粒径变化关系。（5）从验及理论角度分析对突出过程中各能量进行计算，结合各粒径煤吸附/解吸证明“构造煤”存在的必要性。本文主要技术路线如下：

图 2-1 突出煤样原始粒径质量分布Fig. 2-1 Mass distribution of coal sampled from the sense of coal and outburst with different particle sizes由图2-1可知，马场矿煤样原始粒径质量百分比由大到小依次是0.2-0.25mm、>4mm、0.25-0.5mm、0.08-0.2mm、0.5-1mm、1-3mm、3-4mm、<0.08mm。由马场矿<0.1mm 粒径煤样激光粒径分析结果可知，该煤样在 0.05mm 处的质量百分比最大，然而<0.01mm煤样质量百分比也比较集中，其在<0.01mm 粒径煤样中占到 36.11%，故十微米级

本文编号：2775684