煤吸附-解吸變形特征及其影響因素研究.pdf

1、煤與瓦斯突出災(zāi)害防治是世界各國(guó)煤礦生產(chǎn)中面臨的重大難題。在以往煤與瓦斯相互作用機(jī)制的研究中，對(duì)瓦斯不同賦存狀態(tài)下的煤體變形及其動(dòng)態(tài)發(fā)展的研究往往忽略了對(duì)煤體吸附/解吸瓦斯過(guò)程中發(fā)生變形的這一特殊力學(xué)行為的研究。本文以含瓦斯煤體作為研究對(duì)象，以煤的孔隙特征、顯微和大分子結(jié)構(gòu)特征分析以及試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法的研發(fā)為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和理論分析為手段，研究了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形特征及相關(guān)因素的影響。通過(guò)本文工作，建立了系統(tǒng)的吸附/解

2、吸變形試驗(yàn)方法，揭示了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形試驗(yàn)規(guī)律，為進(jìn)一步全面地研究煤體瓦斯賦存特征，探討煤與瓦斯突出機(jī)理及有效防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的技術(shù)途徑奠定理論基礎(chǔ)。本文主要研究成果如下：
　?、僭趯?duì)前人的研究進(jìn)行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)不同煤級(jí)煤尤其是軟煤和硬煤的孔隙特征和顯微、大分子結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同煤級(jí)煤孔隙結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征差異明顯。構(gòu)造作用使軟煤各級(jí)孔隙相比硬煤更為發(fā)育，孔容和比表面均明顯增大，

3、孔隙連通性也比硬煤好；構(gòu)造作用也使軟煤和硬煤中元素富集特征產(chǎn)生差異，具體表現(xiàn)為軟煤灰分中含有更多的金屬氧化物；軟煤和硬煤具有相同的官能團(tuán)，但官能團(tuán)含量有差異，軟煤含有更多的弱極性含氧官能團(tuán)，有利于煤對(duì)甲烷的吸附。
　?、谧孕醒兄屏嗣簩油咚刮?解吸變形動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低、可靠性高、操作靈活等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同含水率塊煤樣在不同溫度、不同瓦斯壓力作用下的應(yīng)變與吸附量的同步測(cè)試，也能夠單獨(dú)進(jìn)行粉煤樣在上述條件下

4、的吸附量測(cè)試。針對(duì)該裝置，建立了煤吸附/解吸應(yīng)變與吸附量同步測(cè)試方法和塊煤有效孔隙率測(cè)試方法。利用該裝置，進(jìn)行了粉煤樣等溫吸附/解吸量測(cè)試。結(jié)果表明，煤等溫吸附/解吸過(guò)程是可逆性的，但解吸過(guò)程滯后于吸附過(guò)程，吸附/解吸等溫線均服從Langmuir方程；為使解吸試驗(yàn)結(jié)果可靠性更高，應(yīng)將解吸完全時(shí)的狀態(tài)，即解吸平衡壓力為0MPa、殘余吸附量為0mL/g納入吸附/解吸規(guī)律擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)，且最低解吸平衡壓力不高于0.5MPa。
　?、弁ㄟ^(guò)對(duì)

5、取自同一塊煤的原煤和型煤樣進(jìn)行不同瓦斯壓力下的吸附/解吸應(yīng)變?nèi)^(guò)程試驗(yàn)，研究了兩種煤樣在吸附/解吸瓦斯過(guò)程中應(yīng)變動(dòng)力學(xué)特征的異同，并在此基礎(chǔ)上對(duì)吸附/解吸平衡應(yīng)變與瓦斯壓力關(guān)系及殘余變形特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，原煤在不同瓦斯壓力下的吸附/解吸瓦斯全過(guò)程應(yīng)變動(dòng)力學(xué)特征曲線可劃分為6個(gè)階段，而型煤為3個(gè)階段；原煤吸附膨脹和解吸收縮變形均呈各向異性，而型煤均近似各向同性；原煤吸附/解吸瓦斯全過(guò)程應(yīng)變曲線的卸壓膨脹變形階段能較好的表征煤與瓦斯

6、突出特性。由于兩種煤樣在主要的吸附膨脹和解吸收縮變形階段具有相似的變形規(guī)律，因此將型煤代替原煤用于吸附/解吸瓦斯變形特性的一般性規(guī)律探討是可行的。
　　④從成型力、循環(huán)加卸載、瓦斯壓力等三方面著手，研究了各試驗(yàn)控制因素對(duì)煤吸附/解吸變形特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，成型力、循環(huán)加卸載和氣體壓力均對(duì)煤的吸附/解吸變形特征有顯著影響?；谠囼?yàn)結(jié)果，對(duì)于煤的吸附/解吸變形特征研究而言，宜采用50kN（成型壓力約100MPa）成型煤樣進(jìn)行相關(guān)

7、試驗(yàn)；同時(shí)，應(yīng)避免氣體壓力形成循環(huán)加/卸載；此外，鑒于目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)煤的高壓等溫吸附變形試驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)范或技術(shù)要求，結(jié)合GB/T19560-2008、我國(guó)煤礦瓦斯壓力分布情況及測(cè)試裝置性能，推薦煤的高壓等溫吸附/解吸變形試驗(yàn)最高試驗(yàn)壓力不低于8MPa，但也不能高于9MPa。
　　⑤對(duì)不同煤級(jí)的煤吸附/解吸 He、CH4和CO2單組分氣體吸附量和變形特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)不同煤級(jí)的煤在吸附性氣體（CH4和CO2）氣氛下的應(yīng)變模式

8、進(jìn)行了分析總結(jié)?；谠囼?yàn)結(jié)果，探討了不同煤級(jí)的煤吸附/解吸氣體量與應(yīng)變的關(guān)系，建立了CH4氣氛下的吸附量與應(yīng)變關(guān)系模型。在對(duì)煤吸附/解吸變形機(jī)理進(jìn)行重新梳理基礎(chǔ)上，建立了參數(shù)意義明確、能反映煤變形機(jī)理且計(jì)算結(jié)果可靠性較高的煤等溫吸附/解吸應(yīng)變模型，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
　?、揲_(kāi)展了軟煤在不同含水率和不同溫度條件下的煤吸附/解吸量和應(yīng)變同步測(cè)試試驗(yàn)，得出了水分和溫度對(duì)軟煤等溫吸附/解吸特征和變形特征的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分別建立了

9、考慮水分和溫度影響的煤吸附/解吸應(yīng)變模型。
　?、呋诿涸诓煌绊懸蛩叵碌奈?解吸變形特征，分析了吸附/解吸變形特征對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用。結(jié)果表明，煤的變形能力與突出危險(xiǎn)性之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。膨脹變形能力越大的煤，有利于煤與瓦斯的突出；軟煤彈性潛能和瓦斯內(nèi)能均較硬煤的大，導(dǎo)致軟煤比硬煤具有更大的突出危險(xiǎn)性；由于煤對(duì)二氧化碳吸附能力遠(yuǎn)大于對(duì)甲烷的吸附能力，二氧化碳作用下煤的破碎功較低，同時(shí)煤層能夠儲(chǔ)集更多的瓦斯內(nèi)能，導(dǎo)致二氧