突出煤粉孔隙損傷演化機制及其對瓦斯吸附解吸動力學特性的影響.pdf

1、煤與瓦斯突出過程中常伴隨著煤體粉化現象，因此需對煤體粉化過程中的孔隙損傷演化機制，及由此引起的煤中瓦斯吸附/解吸性能的改變進行研究，研究結果對完善煤與瓦斯突出機理具有重要意義。
　　本文以馬場礦、陽泉五礦、白龍山礦距突出點最遠端煤粉為研究對象，運用表面化學、流體力學、毛細力學、分形幾何學、數理統計等理論方法，建立了煤孔內瓦斯運移微觀模型及煤顆粒內瓦斯運移宏觀模型。運用數值分析和實驗相結合的方法，獲得了煤體粉化過程中孔隙損傷演化機制

2、。結合瓦斯運移宏微觀模型和孔隙損傷演化機制，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制及孔

3、形半定量化結果。數值模擬結果表明，隨粒徑減小，煤總比表面積增大，外比表面積增大，內比表面積只在過度破碎時有減小趨勢。孔結構實驗測定結果表明，隨粒徑減小，總孔容整體呈增大趨勢，增大倍數介于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高于右側的“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介于1.0346~3.7807間。半定量化結果表明，半徑大于2nm時，孔形基本

4、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Lt(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，而“墨水瓶”型孔腔體越長，表明儲集瓦斯能力越強，但放散能力較差，故上述

5、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）建立了煤孔內瓦斯運移微觀模型，從孔尺寸角度確定了煤孔內瓦斯吸附/解吸動力學特性影響的主控因素。結果表明：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b的增大均會增大煤孔內瓦斯平衡量，各因素對煤孔內運移平衡量影響程度表現為：孔半徑>孔長>吸附平衡壓力＞吸附常數b?？组LL的增大會明顯加大瓦斯在煤孔內的運移平衡時

6、間；孔半徑r，吸附常數b及吸附平衡壓力的增大會減小煤孔內瓦斯運移平衡時間，影響程度表現為：孔半徑>吸附平衡壓力>吸附常數b?？紫稉p傷對煤孔內瓦斯平衡量無影響，但會加劇煤孔內瓦斯運移速度，使損傷前后運移平衡時間均縮短，損傷前后運移平衡時間縮短程度為：A=B>E>C>D，(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）。
　　

7、4）建立了煤顆粒內瓦斯運移宏觀模型-分數階分形擴散模型。采用分數階分形擴散模型，從理論角度預測瓦斯吸附/解吸速度隨粒徑變化增長倍數，結果表明，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)”現象，不同煤樣“分區(qū)”情況有差異，但總體變化趨勢

8、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。據吸附平衡時間，結合瓦斯運移微觀模型，可估算出煤給定半徑孔并聯數目，進一步推進了煤孔形定量化。結合孔結構分布特征及微觀運移模型，實現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：結合孔結構分布特征及微觀運移模型，運用突出瓦斯膨脹能公式