煤吸附-解吸變形特征及其影響因素研究.pdf

1、煤與瓦斯突出災害防治是世界各國煤礦生產(chǎn)中面臨的重大難題。在以往煤與瓦斯相互作用機制的研究中，對瓦斯不同賦存狀態(tài)下的煤體變形及其動態(tài)發(fā)展的研究往往忽略了對煤體吸附/解吸瓦斯過程中發(fā)生變形的這一特殊力學行為的研究。本文以含瓦斯煤體作為研究對象，以煤的孔隙特征、顯微和大分子結(jié)構(gòu)特征分析以及試驗裝置和試驗方法的研發(fā)為基礎(chǔ)，以實驗室模擬試驗和理論分析為手段，研究了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形特征及相關(guān)因素的影響。通過本文工作，建立了系統(tǒng)的吸附/解

2、吸變形試驗方法，揭示了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形試驗規(guī)律，為進一步全面地研究煤體瓦斯賦存特征，探討煤與瓦斯突出機理及有效防治煤與瓦斯突出災害的技術(shù)途徑奠定理論基礎(chǔ)。本文主要研究成果如下：
　?、僭趯η叭说难芯窟M行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗室試驗對不同煤級煤尤其是軟煤和硬煤的孔隙特征和顯微、大分子結(jié)構(gòu)特征進行了研究。結(jié)果表明，不同煤級煤孔隙結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征差異明顯。構(gòu)造作用使軟煤各級孔隙相比硬煤更為發(fā)育，孔容和比表面均明顯增大，

3、孔隙連通性也比硬煤好；構(gòu)造作用也使軟煤和硬煤中元素富集特征產(chǎn)生差異，具體表現(xiàn)為軟煤灰分中含有更多的金屬氧化物；軟煤和硬煤具有相同的官能團，但官能團含量有差異，軟煤含有更多的弱極性含氧官能團，有利于煤對甲烷的吸附。
　?、谧孕醒兄屏嗣簩油咚刮?解吸變形動態(tài)測試裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、可靠性高、操作靈活等特點，可實現(xiàn)不同含水率塊煤樣在不同溫度、不同瓦斯壓力作用下的應變與吸附量的同步測試，也能夠單獨進行粉煤樣在上述條件下

4、的吸附量測試。針對該裝置，建立了煤吸附/解吸應變與吸附量同步測試方法和塊煤有效孔隙率測試方法。利用該裝置，進行了粉煤樣等溫吸附/解吸量測試。結(jié)果表明，煤等溫吸附/解吸過程是可逆性的，但解吸過程滯后于吸附過程，吸附/解吸等溫線均服從Langmuir方程；為使解吸試驗結(jié)果可靠性更高，應將解吸完全時的狀態(tài)，即解吸平衡壓力為0MPa、殘余吸附量為0mL/g納入吸附/解吸規(guī)律擬合的數(shù)據(jù)點，且最低解吸平衡壓力不高于0.5MPa。
　　③通過對

5、取自同一塊煤的原煤和型煤樣進行不同瓦斯壓力下的吸附/解吸應變?nèi)^程試驗，研究了兩種煤樣在吸附/解吸瓦斯過程中應變動力學特征的異同，并在此基礎(chǔ)上對吸附/解吸平衡應變與瓦斯壓力關(guān)系及殘余變形特征進行了研究。結(jié)果表明，原煤在不同瓦斯壓力下的吸附/解吸瓦斯全過程應變動力學特征曲線可劃分為6個階段，而型煤為3個階段；原煤吸附膨脹和解吸收縮變形均呈各向異性，而型煤均近似各向同性；原煤吸附/解吸瓦斯全過程應變曲線的卸壓膨脹變形階段能較好的表征煤與瓦斯

6、突出特性。由于兩種煤樣在主要的吸附膨脹和解吸收縮變形階段具有相似的變形規(guī)律，因此將型煤代替原煤用于吸附/解吸瓦斯變形特性的一般性規(guī)律探討是可行的。
　?、軓某尚土Α⒀h(huán)加卸載、瓦斯壓力等三方面著手，研究了各試驗控制因素對煤吸附/解吸變形特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，成型力、循環(huán)加卸載和氣體壓力均對煤的吸附/解吸變形特征有顯著影響?；谠囼灲Y(jié)果，對于煤的吸附/解吸變形特征研究而言，宜采用50kN（成型壓力約100MPa）成型煤樣進行相關(guān)

7、試驗；同時，應避免氣體壓力形成循環(huán)加/卸載；此外，鑒于目前國內(nèi)外尚無煤的高壓等溫吸附變形試驗方法的相關(guān)規(guī)范或技術(shù)要求，結(jié)合GB/T19560-2008、我國煤礦瓦斯壓力分布情況及測試裝置性能，推薦煤的高壓等溫吸附/解吸變形試驗最高試驗壓力不低于8MPa，但也不能高于9MPa。
　?、輰Σ煌杭壍拿何?解吸 He、CH4和CO2單組分氣體吸附量和變形特征進行了試驗研究，并對不同煤級的煤在吸附性氣體（CH4和CO2）氣氛下的應變模式

8、進行了分析總結(jié)?；谠囼灲Y(jié)果，探討了不同煤級的煤吸附/解吸氣體量與應變的關(guān)系，建立了CH4氣氛下的吸附量與應變關(guān)系模型。在對煤吸附/解吸變形機理進行重新梳理基礎(chǔ)上，建立了參數(shù)意義明確、能反映煤變形機理且計算結(jié)果可靠性較高的煤等溫吸附/解吸應變模型，并對其進行了試驗驗證。
　?、揲_展了軟煤在不同含水率和不同溫度條件下的煤吸附/解吸量和應變同步測試試驗，得出了水分和溫度對軟煤等溫吸附/解吸特征和變形特征的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分別建立了

9、考慮水分和溫度影響的煤吸附/解吸應變模型。
　?、呋诿涸诓煌绊懸蛩叵碌奈?解吸變形特征，分析了吸附/解吸變形特征對煤與瓦斯突出的控制作用。結(jié)果表明，煤的變形能力與突出危險性之間具有較強的關(guān)聯(lián)性。膨脹變形能力越大的煤，有利于煤與瓦斯的突出；軟煤彈性潛能和瓦斯內(nèi)能均較硬煤的大，導致軟煤比硬煤具有更大的突出危險性；由于煤對二氧化碳吸附能力遠大于對甲烷的吸附能力，二氧化碳作用下煤的破碎功較低，同時煤層能夠儲集更多的瓦斯內(nèi)能，導致二氧