隨著煤炭資源開采深度的逐步加深,我國煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的可能性逐漸加大。國內(nèi)外大量突出事故案例表明,突出一般發(fā)生在煤質(zhì)松軟破碎的構(gòu)造帶,且事故現(xiàn)場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)粉煤分選的現(xiàn)象。這種高度破碎的煤體其自身孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞,使得瓦斯在煤粒中擴(kuò)散運(yùn)移的難度大大降低,從而促使了極速解吸瓦斯流的大量形成。本文運(yùn)用分子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、分形幾何學(xué)、巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、地球化學(xué)、吸附動(dòng)力學(xué)等理論,采用極限近似法、變量替換法、分離變量法等數(shù)學(xué)處理方法,構(gòu)建了能反映破碎過程孔隙損傷的菲克擴(kuò)散模型,揭示了粒徑減小對(duì)解吸速度提升的內(nèi)在作用機(jī)制,明確了粉煤極速解吸瓦斯在突出發(fā)展過程中的作用和存在必要性,得到的主要結(jié)論如下:1)煤中工業(yè)組分和孔隙結(jié)構(gòu)特征的改變,是瓦斯擴(kuò)散速度改變的重要內(nèi)在因素。在煤體破碎過程中,完整煤粒會(huì)先分裂成多個(gè)小粒徑的新生煤粒,此時(shí)的粒徑大于基質(zhì)的尺度大小,基質(zhì)體未被破壞,擴(kuò)散速度未有變化;之后單個(gè)煤粒繼續(xù)破碎成為具有單個(gè)基質(zhì)大小的煤粒,此時(shí)的煤�；|(zhì)體剛好未被破壞,是瓦斯擴(kuò)散速度開始增長的起點(diǎn);然后繼續(xù)破碎,煤�；|(zhì)被破壞,瓦斯解吸速度極速增長。在實(shí)驗(yàn)破碎過程中,煤的變質(zhì)程度并不會(huì)發(fā)生變化,且孔隙尺度越大孔隙受到的損傷也就越大。2)煤的孔隙裂隙雙重孔隙特性決定了瓦斯流動(dòng)在這兩種系統(tǒng)中的流動(dòng)行為存在差異�？紫读严犊讖椒纸缰睆酱笮〖s在10~100 nm數(shù)量級(jí),且隨著粒徑減小,該分界直徑有減小的可能性。當(dāng)孔隙流質(zhì)量大于裂隙流質(zhì)量,瓦斯流形成“節(jié)流”流動(dòng);當(dāng)孔隙流質(zhì)量小于裂隙流質(zhì)量時(shí),瓦斯流形成“欠壓”流動(dòng)。兩種流動(dòng)形式轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)與孔隙裂隙系統(tǒng)表觀滲透率的大小、瓦斯流的流動(dòng)方向、壓力梯度等因素有關(guān)。3)煤粒的吸附/解吸特性對(duì)破碎損傷的響應(yīng)規(guī)律不同。對(duì)于吸附特性,不同粒徑煤樣的吸附常數(shù)a值和b值并沒有明顯的變化趨勢(shì),對(duì)應(yīng)曲線呈波動(dòng)狀。而對(duì)于解吸特性,解吸速度與粒徑的關(guān)系出現(xiàn)了明顯的分區(qū)特征:在極限粒徑以下,煤樣解吸速率隨著粒徑的減小逐漸加大,且呈比例關(guān)系;而在極限粒徑以上,煤粒的解吸速度基本一致。實(shí)驗(yàn)煤樣的極限粒徑均在0.5~1 mm左右,且隨壓力變化不大。4)獲得了菲克擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間衰減的變化規(guī)律�？偨Y(jié)了獲取時(shí)變菲克擴(kuò)散系數(shù)的兩種方法:一種是利用變量替換思想,基于雙滲模型得出的求導(dǎo)法;另一種是利用極限近似思想,采用平均菲克擴(kuò)散系數(shù)和瞬時(shí)菲克擴(kuò)散系數(shù)等效化的近似推算法。菲克擴(kuò)散系數(shù)表觀值的衰減規(guī)律與自擴(kuò)散系數(shù)的衰減規(guī)律相似,均是經(jīng)歷了極速衰減階段,后逐漸趨于某一恒定的表觀擴(kuò)散值。破碎損傷過程增加了表觀擴(kuò)散系數(shù)的初始值和極限值,使衰減曲線整體上移,同時(shí)使兩者的差距逐漸拉大,使曲線的衰減特征越來越明顯。5)構(gòu)建了引入煤體孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的菲克擴(kuò)散模型�；趯�(shí)驗(yàn)獲得的菲克表觀擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的衰減規(guī)律,結(jié)合自擴(kuò)散系數(shù)衰減模型,并利用兩者的相似性,構(gòu)建了菲克擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變數(shù)學(xué)模型,該衰減模型含有孔徑、孔長及孔形等幾何參數(shù)特征,能夠反映孔隙幾何結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響;將定菲克擴(kuò)散系數(shù)模型擴(kuò)展為時(shí)因非定常菲克擴(kuò)散系數(shù)模型,得出了更具普遍適用性的,引入時(shí)變擴(kuò)散系數(shù)的新解析解;將菲克擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變數(shù)學(xué)模型帶入新模型的解析解中,最終獲得了引入孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的單孔優(yōu)化模型;新模型對(duì)解吸曲線的擬合度最高可達(dá)0.9944,明顯高于原單孔模型,并能精確反應(yīng)煤�？紫稁缀谓Y(jié)構(gòu)特征對(duì)解吸曲線的影響。6)粉煤極速解吸瓦斯產(chǎn)生的膨脹能是輸運(yùn)突出煤體能量的重要來源。在突出發(fā)展過程中,本源游離瓦斯不足以提供輸運(yùn)煤體的能量,而高速解吸的瓦斯流是突出得以發(fā)展的必要補(bǔ)充�；跉夤虄上嗔魉焦艿垒斶\(yùn)理論,類比栓流向堵塞流轉(zhuǎn)換的臨界流速,獲得了大尺度條件下煤體輸運(yùn)終止時(shí)刻的臨界瓦斯流速,為突出過程中有效做功瓦斯含量的確定奠定了基礎(chǔ);根據(jù)建立的單孔優(yōu)化模型,確立了短時(shí)內(nèi)單孔優(yōu)化模型的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)式,獲得了瓦斯平均解吸速度和粒徑的數(shù)學(xué)關(guān)系。結(jié)合中梁山突出案例得出,若要完成輸運(yùn)突出煤體效果,部分煤粒需破碎值100μm級(jí)甚至更小,該結(jié)果也得到了中梁山其他突出事故粒徑統(tǒng)計(jì)的驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
變量注釋表
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 存在的問題
    1.4 主要研究?jī)?nèi)容及思路
2 粉化程度對(duì)煤�？紫段⒂^物理形態(tài)的影響
    2.1 樣品的制取
    2.2 粉化煤體表面孔隙形態(tài)的變化特征
    2.3 粉化煤體大中孔分布及其結(jié)構(gòu)形態(tài)特征
    2.4 粉化煤體小微孔分布及其結(jié)構(gòu)形態(tài)特征
    2.5 粉化過程中煤�？紫稉p傷的基本路徑
    2.6 本章小結(jié)
3 孔隙裂隙空間尺度特征與瓦斯流動(dòng)表觀特性的內(nèi)在聯(lián)系
    3.1 粉煤極速解吸形成機(jī)制的解釋
    3.2 孔隙裂隙系統(tǒng)的尺度劃分
    3.3 解吸雙滲控制模型的建立及數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)
    3.4 主控流動(dòng)形式對(duì)解吸曲線形狀的影響
    3.5 本章小結(jié)
4 含孔隙幾何特征菲克擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建
    4.1 受限空間中自擴(kuò)散系數(shù)的衰減機(jī)制
    4.2 類自擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變規(guī)律的菲克擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變模型構(gòu)建
    4.3 基于時(shí)變擴(kuò)散模型的單孔優(yōu)化模型建立
    4.4 孔隙結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)菲克擴(kuò)散系數(shù)衰減特性及解吸曲線形態(tài)的影響
    4.5 本章小結(jié)
5 粉化煤體瓦斯快速解吸的宏觀特性
    5.1 粉化煤體的基本物性參數(shù)的變化特征
    5.2 粉化程度對(duì)煤體瓦斯吸附特性的影響
    5.3 粉化程度對(duì)煤體瓦斯解吸特性的影響
    5.4 粉煤瓦斯解吸表觀菲克擴(kuò)散系數(shù)衰減規(guī)律
    5.5 單孔優(yōu)化模型的擬合結(jié)果
    5.6 本章小結(jié)
6 粉化煤體快速解吸瓦斯在突出發(fā)展過程中的作用
    6.1 突出的基本特征及能量平衡
    6.2 煤體輸運(yùn)終止時(shí)刻的臨界瓦斯流速構(gòu)建
    6.3 快速解吸瓦斯的來源
    6.4 中梁山突出實(shí)例中輸運(yùn)突出煤粉的臨界突出粒徑估算
    6.5 解吸瓦斯在突出中的作用
    6.6 突出易發(fā)區(qū)的預(yù)測(cè)
    6.7 本章小結(jié)
7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集

【參考文獻(xiàn)】

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