突出煤粉孔隙損傷演化機(jī)制及其對(duì)瓦斯吸附解吸動(dòng)力學(xué)特性的影響.pdf

1、煤與瓦斯突出過(guò)程中常伴隨著煤體粉化現(xiàn)象，因此需對(duì)煤體粉化過(guò)程中的孔隙損傷演化機(jī)制，及由此引起的煤中瓦斯吸附/解吸性能的改變進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)完善煤與瓦斯突出機(jī)理具有重要意義。
　　本文以馬場(chǎng)礦、陽(yáng)泉五礦、白龍山礦距突出點(diǎn)最遠(yuǎn)端煤粉為研究對(duì)象，運(yùn)用表面化學(xué)、流體力學(xué)、毛細(xì)力學(xué)、分形幾何學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論方法，建立了煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移微觀模型及煤顆粒內(nèi)瓦斯運(yùn)移宏觀模型。運(yùn)用數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，獲得了煤體粉化過(guò)程中孔隙損傷演化機(jī)制

2、。結(jié)合瓦斯運(yùn)移宏微觀模型和孔隙損傷演化機(jī)制，開(kāi)展了不同粒徑煤粉的吸附/解吸性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，分析了突出激發(fā)瞬間需滿足的顆粒粒徑條件，主要研究結(jié)論如下：
　　1）獲得了突出煤粉粒徑分布特征。微米級(jí)粒徑煤樣占比介于0.66％~1.46%間；十微米級(jí)粒徑煤樣占比介于2.59%~7.44%間；百微米級(jí)粒徑煤樣占比介于40.71%~62.76%間；毫米級(jí)粒徑煤樣占比介于33.19%~52.15%間。
　　2）獲得煤孔隙損傷演化機(jī)制及孔

3、形半定量化結(jié)果。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨粒徑減小，煤總比表面積增大，外比表面積增大，內(nèi)比表面積只在過(guò)度破碎時(shí)有減小趨勢(shì)?？捉Y(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，隨粒徑減小，總孔容整體呈增大趨勢(shì)，增大倍數(shù)介于1.1715~28.5間；總比表面積變化趨勢(shì)不一致，馬場(chǎng)礦和陽(yáng)泉五礦煤樣總比表面積隨粒徑減小呈左側(cè)高于右側(cè)的“U”型趨勢(shì)，白龍山礦總比表面積隨粒徑減小而增大，總比表面積增大倍數(shù)介于1.0346~3.7807間。半定量化結(jié)果表明，半徑大于2nm時(shí)，孔形基本

4、以兩端開(kāi)口型為主，<2nm左右孔形無(wú)一致性變化規(guī)律；單顆粒煤總孔長(zhǎng)Lt(r)隨孔半徑減小，整體呈增加加劇的增大趨勢(shì)，隨粒徑減小，各孔徑段總孔長(zhǎng)均逐漸減小，故均存在“墨水瓶”型孔消失情況，馬場(chǎng)礦煤樣“墨水瓶”型孔在微米級(jí)粒徑時(shí)消失，陽(yáng)泉五礦煤樣“墨水瓶”型孔在百微米級(jí)粒徑以下時(shí)消失，白龍山礦毫米級(jí)粒徑以下煤樣均無(wú)“墨水瓶”型孔?！澳俊毙涂椎拇嬖诒砻魍咚箖?chǔ)集能力較強(qiáng)，而“墨水瓶”型孔腔體越長(zhǎng)，表明儲(chǔ)集瓦斯能力越強(qiáng)，但放散能力較差，故上述

5、孔形隨粒徑變化情況表明，隨粒徑減小，單顆粒煤儲(chǔ)集瓦斯能力變小，但放散能力逐漸增加。
　　3）建立了煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移微觀模型，從孔尺寸角度確定了煤孔內(nèi)瓦斯吸附/解吸動(dòng)力學(xué)特性影響的主控因素。結(jié)果表明：控制單一變量情況下，孔半徑r，孔長(zhǎng)L，吸附平衡壓力P及Langmuir吸附常數(shù)b的增大均會(huì)增大煤孔內(nèi)瓦斯平衡量，各因素對(duì)煤孔內(nèi)運(yùn)移平衡量影響程度表現(xiàn)為：孔半徑>孔長(zhǎng)>吸附平衡壓力＞吸附常數(shù)b?？组L(zhǎng)L的增大會(huì)明顯加大瓦斯在煤孔內(nèi)的運(yùn)移平衡時(shí)

6、間；孔半徑r，吸附常數(shù)b及吸附平衡壓力的增大會(huì)減小煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移平衡時(shí)間，影響程度表現(xiàn)為：孔半徑>吸附平衡壓力>吸附常數(shù)b?？紫稉p傷對(duì)煤孔內(nèi)瓦斯平衡量無(wú)影響，但會(huì)加劇煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移速度，使損傷前后運(yùn)移平衡時(shí)間均縮短，損傷前后運(yùn)移平衡時(shí)間縮短程度為：A=B>E>C>D，(A：等徑一端開(kāi)口變兩端開(kāi)口，B：一端開(kāi)口在1/2處損傷，C：一端開(kāi)口在近開(kāi)口端1/4處損傷，D：墨水瓶型孔變徑處損傷，E:墨水瓶型孔一端開(kāi)口變兩端開(kāi)口損傷）。
　　

7、4）建立了煤顆粒內(nèi)瓦斯運(yùn)移宏觀模型-分?jǐn)?shù)階分形擴(kuò)散模型。采用分?jǐn)?shù)階分形擴(kuò)散模型，從理論角度預(yù)測(cè)瓦斯吸附/解吸速度隨粒徑變化增長(zhǎng)倍數(shù)，結(jié)果表明，隨粒徑減小，煤樣吸附/解吸速度急劇增大，如粒徑減小為原來(lái)的1/2，則吸附/解吸速率增長(zhǎng)范圍介于4~16倍之間，由此表明粒徑對(duì)煤中瓦斯吸附/解吸速率有重要影響。
　　5）基于瓦斯吸附/解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的宏微觀模型驗(yàn)證。不同粒徑煤吸附等溫線存在“分區(qū)”現(xiàn)象，不同煤樣“分區(qū)”情況有差異，但總體變化趨勢(shì)

8、為煤樣粒徑越小，曲線越靠上。煤樣吸附平衡時(shí)間均隨粒徑增加快速增加。粒徑最小煤樣的吸附平衡時(shí)間僅需5min，而粒徑最大的煤樣吸附平衡時(shí)間則需十幾天才可完成。據(jù)吸附平衡時(shí)間，結(jié)合瓦斯運(yùn)移微觀模型，可估算出煤給定半徑孔并聯(lián)數(shù)目，進(jìn)一步推進(jìn)了煤孔形定量化。結(jié)合孔結(jié)構(gòu)分布特征及微觀運(yùn)移模型，實(shí)現(xiàn)了微觀模型向宏觀模型的過(guò)渡，并從宏觀解吸實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
　　6）突出激發(fā)滿足的粒徑條件：結(jié)合孔結(jié)構(gòu)分布特征及微觀運(yùn)移模型，運(yùn)用突出瓦斯膨脹能公式