基于時變擴散系數(shù)的圓柱體煤屑的瓦斯放散規(guī)律研究
發(fā)布時間：2021-10-30 01:42
通過對煤樣破碎、篩分后煤屑的形狀進行觀測,發(fā)現(xiàn)其中一小部分煤屑形狀為球形、平板形,而大部分煤屑形狀為圓柱體或長方體。分析了煤屑放散瓦斯過程中擴散系數(shù)的時變特征,以此為基礎建立了基于時變擴散系數(shù)的圓柱體煤屑瓦斯擴散數(shù)學模型,采用數(shù)學物理的方法求取了相應的解析解。采用實驗測試的方法,對所推導的圓柱體煤屑瓦斯擴散數(shù)學模型的解析解進行了驗證,并與球形煤屑瓦斯擴散模型的解析解進行了對比,結果表明:圓柱體煤屑瓦斯擴散模型解析解能更好地反映煤屑放散瓦斯的特征,具有廣泛適用性,可用于對試驗數(shù)據(jù)的擬合,以及為煤礦井下瓦斯含量測定方法的研究提供理論依據(jù)。
【文章來源】：礦業(yè)安全與環(huán)保. 2020,47(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
圓柱體煤屑放散瓦斯示意圖
實驗所采用的煤樣取自河南焦煤能源演馬莊煤礦27131工作面，煤樣的灰分為17.52%，揮發(fā)分為8.74%，真密度為1.65 g/cm3，視密度為1.57 g/cm3，極限吸附瓦斯量為43.685 1 cm3/g，瓦斯吸附常數(shù)b為1.647 1 MPa-1。經(jīng)破碎、篩分后，選用粒徑為0.20～0.25 mm的煤屑，質(zhì)量為20.003 g。應用MATLAB軟件的統(tǒng)計繪圖函數(shù)Wblplot進行威布爾分布檢驗后，采用矩估計法和經(jīng)驗方法對威布爾分布的相關參數(shù)進行求解，得到煤屑的穩(wěn)定形狀是直徑為0.18 mm、長為0.24 mm的圓柱。本次實驗煤樣的吸附平衡壓力為0.83 MPa，實驗溫度為30℃，實驗測定方法與文獻[22-25]相同。擴散系數(shù)的求取與球形煤屑瓦斯擴散系數(shù)的計算方法類似，不同之處在于首先假定圓柱體煤屑的擴散系數(shù)為一定值，利用獲得的濃度分布解與極限瓦斯放散量即可完成對實驗煤樣瓦斯擴散系數(shù)的計算。實驗結果如圖2所示。由圖2可知，隨著放散時間的延長，煤樣的瓦斯擴散系數(shù)呈現(xiàn)衰減的特征，這與前人的研究成果一致。通過對不同時間擴散系數(shù)的擬合，發(fā)現(xiàn)二者極好地服從函數(shù):
式(17)與李志強等[24-25]所提出的動擴散系數(shù)形式一致。應用式(17)所表征的時變擴散系數(shù)進一步對球形煤屑瓦斯放散規(guī)律進行檢驗對比，對比的球形煤屑的尺寸為直徑0.20 mm和0.25 mm，結果如圖3所示。由圖3可知，基于直徑0.20 mm和0.25 mm的球形煤粒的計算擴散系數(shù)與圓柱體煤屑的計算擴散系數(shù)變化特征相同，但具體數(shù)值不同，直徑0.20 mm球形煤粒的計算擴散系數(shù)最大，圓柱體煤屑計算擴散系數(shù)次之。且采用球形煤粒的計算放散量與實際煤粒放散量誤差較大，而應用基于時變擴散系數(shù)的圓柱體煤屑瓦斯擴散的數(shù)學模型計算值與實際較為吻合。這表明，煤屑形狀的選取對于計算瓦斯擴散系數(shù)的影響較大，煤的物性參數(shù)對于其破碎、篩分后的粒度、形狀影響較大，在研究煤屑瓦斯放散規(guī)律時，應針對煤屑的形狀進行嚴格劃分，以便使理論研究成果更接近于實際，有利于進一步厘清瓦斯擴散機理。這對于研究煤層瓦斯含量的井下快速測定、煤與瓦斯突出危險性預測指標具有極為重要的現(xiàn)實意義。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于煤粒瓦斯解吸實驗的溫度變化量預測模型研究[J]. 楊濤,聶百勝,葉秋生. 礦業(yè)安全與環(huán)保. 2019(03)
[2]煤粒多尺度孔隙中瓦斯擴散機理及動擴散系數(shù)新模型[J]. 李志強,劉勇,許彥鵬,宋黨育. 煤炭學報. 2016(03)
[3]基于動擴散系數(shù)新擴散模型的構造煤瓦斯擴散機理[J]. 李志強,王司建,劉彥偉,宋黨育,王云剛. 中國礦業(yè)大學學報. 2015(05)
[4]新擴散模型下溫度對煤粒瓦斯動態(tài)擴散系數(shù)的影響[J]. 李志強,王登科,宋黨育. 煤炭學報. 2015(05)
[5]煤粒瓦斯放散數(shù)學模型及數(shù)值模擬[J]. 王健. 煤炭學報. 2015(04)
[6]粒度對軟硬煤粒瓦斯解吸擴散差異性的影響[J]. 劉彥偉,劉明舉. 煤炭學報. 2015(03)
[7]煤粒瓦斯解吸擴散規(guī)律實驗[J]. 聶百勝,楊濤,李祥春,李麗,盧紅奇. 中國礦業(yè)大學學報. 2013(06)
[8]基于兩種數(shù)學模型的煤粒瓦斯放散數(shù)值解算[J]. 秦躍平,郝永江,王亞茹,劉偉,劉鵬. 中國礦業(yè)大學學報. 2013(06)
[9]煤屑瓦斯擴散規(guī)律研究[J]. 張飛燕,韓穎. 煤炭學報. 2013(09)
[10]有效應力對煤吸附特性影響的試驗研究[J]. 李小春,付旭,方志明,胡海翔. 巖土力學. 2013(05)
本文編號：3465797
【文章來源】：礦業(yè)安全與環(huán)保. 2020,47(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
圓柱體煤屑放散瓦斯示意圖
實驗所采用的煤樣取自河南焦煤能源演馬莊煤礦27131工作面，煤樣的灰分為17.52%，揮發(fā)分為8.74%，真密度為1.65 g/cm3，視密度為1.57 g/cm3，極限吸附瓦斯量為43.685 1 cm3/g，瓦斯吸附常數(shù)b為1.647 1 MPa-1。經(jīng)破碎、篩分后，選用粒徑為0.20～0.25 mm的煤屑，質(zhì)量為20.003 g。應用MATLAB軟件的統(tǒng)計繪圖函數(shù)Wblplot進行威布爾分布檢驗后，采用矩估計法和經(jīng)驗方法對威布爾分布的相關參數(shù)進行求解，得到煤屑的穩(wěn)定形狀是直徑為0.18 mm、長為0.24 mm的圓柱。本次實驗煤樣的吸附平衡壓力為0.83 MPa，實驗溫度為30℃，實驗測定方法與文獻[22-25]相同。擴散系數(shù)的求取與球形煤屑瓦斯擴散系數(shù)的計算方法類似，不同之處在于首先假定圓柱體煤屑的擴散系數(shù)為一定值，利用獲得的濃度分布解與極限瓦斯放散量即可完成對實驗煤樣瓦斯擴散系數(shù)的計算。實驗結果如圖2所示。由圖2可知，隨著放散時間的延長，煤樣的瓦斯擴散系數(shù)呈現(xiàn)衰減的特征，這與前人的研究成果一致。通過對不同時間擴散系數(shù)的擬合，發(fā)現(xiàn)二者極好地服從函數(shù):
式(17)與李志強等[24-25]所提出的動擴散系數(shù)形式一致。應用式(17)所表征的時變擴散系數(shù)進一步對球形煤屑瓦斯放散規(guī)律進行檢驗對比，對比的球形煤屑的尺寸為直徑0.20 mm和0.25 mm，結果如圖3所示。由圖3可知，基于直徑0.20 mm和0.25 mm的球形煤粒的計算擴散系數(shù)與圓柱體煤屑的計算擴散系數(shù)變化特征相同，但具體數(shù)值不同，直徑0.20 mm球形煤粒的計算擴散系數(shù)最大，圓柱體煤屑計算擴散系數(shù)次之。且采用球形煤粒的計算放散量與實際煤粒放散量誤差較大，而應用基于時變擴散系數(shù)的圓柱體煤屑瓦斯擴散的數(shù)學模型計算值與實際較為吻合。這表明，煤屑形狀的選取對于計算瓦斯擴散系數(shù)的影響較大，煤的物性參數(shù)對于其破碎、篩分后的粒度、形狀影響較大，在研究煤屑瓦斯放散規(guī)律時，應針對煤屑的形狀進行嚴格劃分，以便使理論研究成果更接近于實際，有利于進一步厘清瓦斯擴散機理。這對于研究煤層瓦斯含量的井下快速測定、煤與瓦斯突出危險性預測指標具有極為重要的現(xiàn)實意義。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于煤粒瓦斯解吸實驗的溫度變化量預測模型研究[J]. 楊濤,聶百勝,葉秋生. 礦業(yè)安全與環(huán)保. 2019(03)
[2]煤粒多尺度孔隙中瓦斯擴散機理及動擴散系數(shù)新模型[J]. 李志強,劉勇,許彥鵬,宋黨育. 煤炭學報. 2016(03)
[3]基于動擴散系數(shù)新擴散模型的構造煤瓦斯擴散機理[J]. 李志強,王司建,劉彥偉,宋黨育,王云剛. 中國礦業(yè)大學學報. 2015(05)
[4]新擴散模型下溫度對煤粒瓦斯動態(tài)擴散系數(shù)的影響[J]. 李志強,王登科,宋黨育. 煤炭學報. 2015(05)
[5]煤粒瓦斯放散數(shù)學模型及數(shù)值模擬[J]. 王健. 煤炭學報. 2015(04)
[6]粒度對軟硬煤粒瓦斯解吸擴散差異性的影響[J]. 劉彥偉,劉明舉. 煤炭學報. 2015(03)
[7]煤粒瓦斯解吸擴散規(guī)律實驗[J]. 聶百勝,楊濤,李祥春,李麗,盧紅奇. 中國礦業(yè)大學學報. 2013(06)
[8]基于兩種數(shù)學模型的煤粒瓦斯放散數(shù)值解算[J]. 秦躍平,郝永江,王亞茹,劉偉,劉鵬. 中國礦業(yè)大學學報. 2013(06)
[9]煤屑瓦斯擴散規(guī)律研究[J]. 張飛燕,韓穎. 煤炭學報. 2013(09)
[10]有效應力對煤吸附特性影響的試驗研究[J]. 李小春,付旭,方志明,胡海翔. 巖土力學. 2013(05)
本文編號：3465797
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