基于时变扩散系数的圆柱体煤屑的瓦斯放散规律研究

发布时间：2021-10-30 01:42

　　通过对煤样破碎、筛分后煤屑的形状进行观测,发现其中一小部分煤屑形状为球形、平板形,而大部分煤屑形状为圆柱体或长方体。分析了煤屑放散瓦斯过程中扩散系数的时变特征,以此为基础建立了基于时变扩散系数的圆柱体煤屑瓦斯扩散数学模型,采用数学物理的方法求取了相应的解析解。采用实验测试的方法,对所推导的圆柱体煤屑瓦斯扩散数学模型的解析解进行了验证,并与球形煤屑瓦斯扩散模型的解析解进行了对比,结果表明:圆柱体煤屑瓦斯扩散模型解析解能更好地反映煤屑放散瓦斯的特征,具有广泛适用性,可用于对试验数据的拟合,以及为煤矿井下瓦斯含量测定方法的研究提供理论依据。 

【文章来源】：矿业安全与环保. 2020,47(03)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

圆柱体煤屑放散瓦斯示意图

实验所采用的煤样取自河南焦煤能源演马庄煤矿27131工作面，煤样的灰分为17.52%，挥发分为8.74%，真密度为1.65 g/cm3，视密度为1.57 g/cm3，极限吸附瓦斯量为43.685 1 cm3/g，瓦斯吸附常数b为1.647 1 MPa-1。经破碎、筛分后，选用粒径为0.20～0.25 mm的煤屑，质量为20.003 g。应用MATLAB软件的统计绘图函数Wblplot进行威布尔分布检验后，采用矩估计法和经验方法对威布尔分布的相关参数进行求解，得到煤屑的稳定形状是直径为0.18 mm、长为0.24 mm的圆柱。本次实验煤样的吸附平衡压力为0.83 MPa，实验温度为30℃，实验测定方法与文献[22-25]相同。扩散系数的求取与球形煤屑瓦斯扩散系数的计算方法类似，不同之处在于首先假定圆柱体煤屑的扩散系数为一定值，利用获得的浓度分布解与极限瓦斯放散量即可完成对实验煤样瓦斯扩散系数的计算。实验结果如图2所示。由图2可知，随着放散时间的延长，煤样的瓦斯扩散系数呈现衰减的特征，这与前人的研究成果一致。通过对不同时间扩散系数的拟合，发现二者极好地服从函数:

式(17)与李志强等[24-25]所提出的动扩散系数形式一致。应用式(17)所表征的时变扩散系数进一步对球形煤屑瓦斯放散规律进行检验对比，对比的球形煤屑的尺寸为直径0.20 mm和0.25 mm，结果如图3所示。由图3可知，基于直径0.20 mm和0.25 mm的球形煤粒的计算扩散系数与圆柱体煤屑的计算扩散系数变化特征相同，但具体数值不同，直径0.20 mm球形煤粒的计算扩散系数最大，圆柱体煤屑计算扩散系数次之。且采用球形煤粒的计算放散量与实际煤粒放散量误差较大，而应用基于时变扩散系数的圆柱体煤屑瓦斯扩散的数学模型计算值与实际较为吻合。这表明，煤屑形状的选取对于计算瓦斯扩散系数的影响较大，煤的物性参数对于其破碎、筛分后的粒度、形状影响较大，在研究煤屑瓦斯放散规律时，应针对煤屑的形状进行严格划分，以便使理论研究成果更接近于实际，有利于进一步厘清瓦斯扩散机理。这对于研究煤层瓦斯含量的井下快速测定、煤与瓦斯突出危险性预测指标具有极为重要的现实意义。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3465797