【摘要】：煤與瓦斯突出過程中常伴隨著煤體粉化現(xiàn)象,因此需對煤體粉化過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)果對完善煤與瓦斯突出機(jī)理具有重要意義。本文以馬場礦、陽泉五礦、白龍山礦距突出點(diǎn)最遠(yuǎn)端煤粉為研究對象,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)值分析和實驗相結(jié)合的方法,獲得了煤體粉化過程中孔隙損傷演化機(jī)制。結(jié)合瓦斯運(yùn)移宏微觀模型和孔隙損傷演化機(jī)制,開展了不同粒徑煤粉的吸附/解吸性能實驗驗證工作,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。微米級粒徑煤樣占比介于0.66%~1.46%間;十微米級粒徑煤樣占比介于2.59%~7.44%間;百微米級粒徑煤樣占比介于40.71%~62.76%間;毫米級粒徑煤樣占比介于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)比表面積只在過度破碎時有減小趨勢。孔結(jié)構(gòu)實驗測定結(jié)果表明,隨粒徑減小,總孔容整體呈增大趨勢,增大倍數(shù)介于1.1715~28.5間;總比表面積變化趨勢不一致,馬場礦和陽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,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,孔形基本以兩端開口型為主,2nm左右孔形無一致性變化規(guī)律;單顆粒煤總孔長??tL r隨孔半徑減小,整體呈增加加劇的增大趨勢,隨粒徑減小,各孔徑段總孔長均逐漸減小,故均存在“墨水瓶”型孔消失情況,馬場礦煤樣“墨水瓶”型孔在微米級粒徑時消失,陽泉五礦煤樣“墨水瓶”型孔在百微米級粒徑以下時消失,白龍山礦毫米級粒徑以下煤樣均無“墨水瓶”型孔。“墨水瓶”型孔的存在表明瓦斯儲集能力較強(qiáng),而“墨水瓶”型孔腔體越長,表明儲集瓦斯能力越強(qiáng),但放散能力較差,故上述孔形隨粒徑變化情況表明,隨粒徑減小,單顆粒煤儲集瓦斯能力變小,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L,吸附平衡壓力P及Langmuir吸附常數(shù)b的增大均會增大煤孔內(nèi)瓦斯平衡量,各因素對煤孔內(nèi)運(yùn)移平衡量影響程度表現(xiàn)為:孔半徑孔長吸附平衡壓力吸附常數(shù)b�？组LL的增大會明顯加大瓦斯在煤孔內(nèi)的運(yùn)移平衡時間;孔半徑r,吸附常數(shù)b及吸附平衡壓力的增大會減小煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移平衡時間,影響程度表現(xiàn)為:孔半徑吸附平衡壓力吸附常數(shù)b。孔隙損傷對煤孔內(nèi)瓦斯平衡量無影響,但會加劇煤孔內(nèi)瓦斯運(yùn)移速度,使損傷前后運(yùn)移平衡時間均縮短,損傷前后運(yùn)移平衡時間縮短程度為:A=BECD,(A:等徑一端開口變兩端開口,B:一端開口在1/2處損傷,C:一端開口在近開口端1/4處損傷,D:墨水瓶型孔變徑處損傷,E:墨水瓶型孔一端開口變兩端開口損傷)。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)測瓦斯吸附/解吸速度隨粒徑變化增長倍數(shù),結(jié)果表明,隨粒徑減小,煤樣吸附/解吸速度急劇增大,如粒徑減小為原來的1/2,則吸附/解吸速率增長范圍介于4~16倍之間,由此表明粒徑對煤中瓦斯吸附/解吸速率有重要影響。5)基于瓦斯吸附/解吸實驗結(jié)果的宏微觀模型驗證。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,但總體變化趨勢為煤樣粒徑越小,曲線越靠上。煤樣吸附平衡時間均隨粒徑增加快速增加。粒徑最小煤樣的吸附平衡時間僅需5min,而粒徑最大的煤樣吸附平衡時間則需十幾天才可完成。據(jù)吸附平衡時間,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,實現(xiàn)了微觀模型向宏觀模型的過渡,并從宏觀解吸實驗中得到了驗證。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,獲得不同粒徑煤瓦斯膨脹能分布規(guī)律,結(jié)合突出激發(fā)條件,獲得非常規(guī)粒徑煤樣解吸速度不能推動突出的發(fā)生,即突出發(fā)生時必須存在大量小粒徑煤樣。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD713
【圖文】：

ion出及研究意義（Question and Research Sig清潔能源，主要以吸附態(tài)存在于煤孔隙中，儲量巨大 36 萬億立方米；然而瓦斯又是誘導(dǎo)煤與瓦斯突出導(dǎo)致煤壁失穩(wěn)突出，并在極短時間內(nèi)對煤體進(jìn)行破點(diǎn)最前方有大量手捻無粒感煤粉（圖 1-1 出自貴州煤體在突出發(fā)生時存在強(qiáng)烈粉化現(xiàn)象。同時，突出（圖 1-2 出自貴州馬場“3.12”突出現(xiàn)場報告），說為失穩(wěn)煤體的拋出提供足夠動力，保證突出過程的和深度的加大，礦井地質(zhì)條件更加復(fù)雜，瓦斯含量與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的可能性及強(qiáng)度均增大，引出

技術(shù)路線可概括為：（1）采集突出現(xiàn)場煤樣并篩分得到各粒徑煤樣質(zhì)量出能量中的破碎功計算提供數(shù)據(jù)支持，對各粒徑煤樣進(jìn)行工業(yè)分析獲得各數(shù)據(jù)。對各粒徑煤樣瓦斯放散初速度進(jìn)行分析，初步獲得各粒徑煤樣放散徑煤樣的真假密度及孔隙率，真假密度用來計算克煤顆粒數(shù)。（2）建立，觀察破碎過程中內(nèi)外比表面積變化情況，綜合采用壓汞法和液氮吸附法構(gòu)參數(shù)（孔容、比表面積)隨粒徑變化情況，并采用理論計算方法獲得單為孔形的半定量化提供數(shù)據(jù)支持。（3）采用毛細(xì)力學(xué)、流體力、分形幾原理，分別建立煤孔內(nèi)瓦運(yùn)移微觀模型和煤顆粒內(nèi)瓦斯運(yùn)移宏觀模型，從煤孔結(jié)構(gòu)（孔半徑、孔長、孔數(shù)目)、壓力及吸附常數(shù) b 對吸附/解吸動力從宏觀角度觀察瓦斯在給定粒徑煤顆粒中運(yùn)移情況，分析粒徑對吸附/解吸4）對不同粒徑煤的吸附/解吸等溫線、吸附平衡時、解吸動力學(xué)曲線、解行了測定。在實驗基礎(chǔ)上，分別對煤孔內(nèi)瓦斯微觀運(yùn)移模型和宏觀運(yùn)移模形擴(kuò)散模型進(jìn)行驗證，并觀察煤吸附/解吸特性隨粒徑變化關(guān)系。（5）從驗及理論角度分析對突出過程中各能量進(jìn)行計算，結(jié)合各粒徑煤吸附/解吸證明“構(gòu)造煤”存在的必要性。本文主要技術(shù)路線如下：

圖 2-1 突出煤樣原始粒徑質(zhì)量分布Fig. 2-1 Mass distribution of coal sampled from the sense of coal and outburst with different particle sizes由圖2-1可知，馬場礦煤樣原始粒徑質(zhì)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。由馬場礦<0.1mm 粒徑煤樣激光粒徑分析結(jié)果可知，該煤樣在 0.05mm 處的質(zhì)量百分比最大，然而<0.01mm煤樣質(zhì)量百分比也比較集中，其在<0.01mm 粒徑煤樣中占到 36.11%，故十微米級

本文編號：2775684