發(fā)布時間：2020-05-15 06:31

【摘要】：隨著煤炭資源的不斷開采利用,采掘深度進一步延伸,地應(yīng)力和瓦斯壓力會持續(xù)增大,因此突出發(fā)生的頻率和強度大幅增加,造成的經(jīng)濟損失和人員傷害程度也日趨嚴重。瓦斯突出是一個十分復(fù)雜的動力現(xiàn)象,煤中瓦斯的吸附、解吸、滲流和擴散等機理的研究尚未明確,突出機理仍處于假說階段,因此,需要確定一個更實用、更合理的預(yù)測指標。大量井下實際情況和實驗室對瓦斯突出的模擬實驗證明,煤中瓦斯發(fā)生突出前會有溫度變化。因此本文通過實驗研究,結(jié)合吸附理論、表面化學(xué)理論以及量子化學(xué)計算等手段,對氣體吸附-解吸物理過程及其溫度變化與能量轉(zhuǎn)化等問題進行全面系統(tǒng)的探究,為煤與瓦斯突出機理的完善提供參考。主要研究結(jié)論如下:(1)采集并制備了柱狀、2~4目、4~8目、8~16目、16~30目、30~60目六種粒徑的貧煤樣品,在實驗室現(xiàn)有的吸附解吸實驗裝置基礎(chǔ)上進行設(shè)計加工,增設(shè)了保溫裝置和測溫裝置。為排除氣體壓縮和膨脹作用對實驗過程中煤體溫度的影響,利用花崗巖樣對實驗罐進行了標定,并給出了標定的公式和擬合函數(shù)。選用了導(dǎo)熱性系數(shù)很低的氣凝膠氈作為保溫材料,并對其保溫性能進行了測試,滿足實驗要求�？梢暂^準確測量氣體吸附/解吸實驗過程中的溫度變化規(guī)律。(2)研究了不同壓力和粒徑條件下煤樣吸附解吸過程中煤體表面溫度變化規(guī)律,實驗結(jié)果表明:1)煤中二氧化碳吸附解吸過程中有明顯的溫度變化,注氣過程溫度升高,排氣過程溫度降低,說明吸附為放熱過程,解吸為吸熱過程。2)相同注氣壓力條件下,煤樣粒徑越小,達到吸附平衡時,氣體的吸附量越多,溫度變化最大值越大;同一粒徑煤樣,注氣壓力越大,達到吸附平衡時,平衡壓力越大,吸附量越多,溫度升高幅度越大,變化速率也越大。3)在同一平衡壓力條件下,煤樣粒徑越小,溫度變化最大值越大;同一粒徑煤樣,吸附平衡壓力越大,溫度降低幅度越大,變化速率也越大。4)解吸過程中溫度變化量隨著煤體內(nèi)部氣體的壓力和含量的增加而增大,從這個規(guī)律來看,煤體溫度的變化值可以用來表征煤中氣體的賦存量以及預(yù)測瓦斯突出。(3)利用氣體吸附模型理論分析了氣體在煤表面的吸附機理,并結(jié)合熱力學(xué)公式、表面化學(xué)理論以及能量守恒定律等知識分析了煤中氣體吸附解吸過程引起的能量變化規(guī)律,結(jié)果表明:1)BET模型更適合描述煤對二氧化碳氣體的吸附,從而得出煤吸附二氧化碳氣體時會發(fā)生多分子層的吸附。2)總體上,煤樣的粒徑越小、平衡壓力越大,煤體吸附解吸過程中的表面自由能和熱量變化值越大;隨著平衡壓力的增大,各粒徑煤樣表面自由能降低值的增加速率逐漸變慢,說明煤表面存在非均勻的吸附勢場。3)通過對比柱狀和粒狀煤樣在吸附解吸過程中熱量數(shù)據(jù)的差異,得出:吸附過程中,降低的表面自由能轉(zhuǎn)化為吸附熱和變形能,吸附熱和變形能共同導(dǎo)致煤體溫度增加;解吸過程中氣體的解吸作用和煤體的收縮變形共同導(dǎo)致煤體溫度降低。(4)利用量子化學(xué)軟件構(gòu)建了煤表面CO_2和CH_4分子的吸附模型,并計算了吸附能。結(jié)果顯示:1)CO_2與煤分子的穩(wěn)定吸附構(gòu)型為:CO_2分子以碳原子的投影與煤分子的中心碳原子重合、且CO_2分子結(jié)構(gòu)的投影與煤結(jié)構(gòu)中的一個C-C鍵重合。2)CH_4與煤分子間穩(wěn)定的吸附構(gòu)型為:CH_4分子C-H鍵的投影與煤分子的C-C鍵重合、且CH_4分子以正三角錐的形式吸附在煤分子表面。3)CO_2和CH_4分子穩(wěn)定吸附構(gòu)型的吸附勢阱值分別為-10.739 kJ/mol和-4.350 kJ/mol,均為物理吸附。CO_2分子的吸附構(gòu)型更加穩(wěn)定,證明在相同吸附條件下,CO_2在煤表面的吸附性能優(yōu)于CH_4。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD713

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本文編號：2664618