粉化煤体瓦斯快速扩散动力学机制及对突出煤岩的输运作用

作者

赵伟

学校

中国矿业大学

摘要

随着煤炭资源开采深度的逐步加深,我国煤与瓦斯突出灾害发生的可能性逐渐加大。国内外大量突出事故案例表明,突出一般发生在煤质松软破碎的构造带,且事故现场也会出现粉煤分选的现象。这种高度破碎的煤体其自身孔隙结构遭到破坏,使得瓦斯在煤粒中扩散运移的难度大大降低,从而促使了极速解吸瓦斯流的大量形成。本文运用分子扩散动力学、分形几何学、岩石力学、渗流力学、地球化学、吸附动力学等理论,采用极限近似法、变量替换法、分离变量法等数学处理方法,构建了能反映破碎过程孔隙损伤的菲克扩散模型,揭示了粒径减小对解吸速度提升的内在作用机制,明确了粉煤极速解吸瓦斯在突出发展过程中的作用和存在必要性,得到的主要结论如下:

1)煤中工业组分和孔隙结构特征的改变,是瓦斯扩散速度改变的重要内在因素。在煤体破碎过程中,完整煤粒会先分裂成多个小粒径的新生煤粒,此时的粒径大于基质的尺度大小,基质体未被破坏,扩散速度未有变化;之后单个煤粒继续破碎成为具有单个基质大小的煤粒,此时的煤粒基质体刚好未被破坏,是瓦斯扩散速度开始增长的起点;然后继续破碎,煤粒基质被破坏,瓦斯解吸速度极速增长。在实验破碎过程中,煤的变质程度并不会发生变化,且孔隙尺度越大孔隙受到的损伤也就越大。

2)煤的孔隙裂隙双重孔隙特性决定了瓦斯流动在这两种系统中的流动行为存在差异。孔隙裂隙孔径分界直径大小约在10100 nm数量级,且随着粒径减小,该分界直径有减小的可能性。当孔隙流质量大于裂隙流质量,瓦斯流形成“节流”流动;当孔隙流质量小于裂隙流质量时,瓦斯流形成“欠压”流动。两种流动形式转换的临界点与孔隙裂隙系统表观渗透率的大小、瓦斯流的流动方向、压力梯度等因素有关。

3)煤粒的吸附/解吸特性对破碎损伤的响应规律不同。对于吸附特性,不同粒径煤样的吸附常数a值和b值并没有明显的变化趋势,对应曲线呈波动状。而对于解吸特性,解吸速度与粒径的关系出现了明显的分区特征:在极限粒径以下,煤样解吸速率随着粒径的减小逐渐加大,且呈比例关系;而在极限粒径以上,煤粒的解吸速度基本一致。实验煤样的极限粒径均在0.51 mm左右,且随压力变化不大。

4)获得了菲克扩散系数随时间衰减的变化规律。总结了获取时变菲克扩散系数的两种方法:一种是利用变量替换思想,基于双渗模型得出的求导法;另一种是利用极限近似思想,采用平均菲克扩散系数和瞬时菲克扩散系数等效化的近似推算法。菲克扩散系数表观值的衰减规律与自扩散系数的衰减规律相似,均是经历了极速衰减阶段,后逐渐趋于某一恒定的表观扩散值。破碎损伤过程增加了表观扩散系数的初始值和极限值,使衰减曲线整体上移,同时使两者的差距逐渐拉大,使曲线的衰减特征越来越明显。

5)构建了引入煤体孔隙结构参数的菲克扩散模型。基于实验获得的菲克表观扩散系数随时间的衰减规律,结合自扩散系数衰减模型,并利用两者的相似性,构建了菲克扩散系数时变数学模型,该衰减模型含有孔径、孔长及孔形等几何参数特征,能够反映孔隙几何结构对扩散系数的影响;将定菲克扩散系数模型扩展为时因非定常菲克扩散系数模型,得出了更具普遍适用性的,引入时变扩散系数的新解析解;将菲克扩散系数时变数学模型带入新模型的解析解中,最终获得了引入孔隙结构参数的单孔优化模型;新模型对解吸曲线的拟合度最高可达0.9944,明显高于原单孔模型,并能精确反应煤粒孔隙几何结构特征对解吸曲线的影响。

6)粉煤极速解吸瓦斯产生的膨胀能是输运突出煤体能量的重要来源。在突出发展过程中,本源游离瓦斯不足以提供输运煤体的能量,而高速解吸的瓦斯流是突出得以发展的必要补充。基于气固两相流水平管道输运理论,类比栓流向堵塞流转换的临界流速,获得了大尺度条件下煤体输运终止时刻的临界瓦斯流速,为突出过程中有效做功瓦斯含量的确定奠定了基础;根据建立的单孔优化模型,确立了短时内单孔优化模型的简化数学式,获得了瓦斯平均解吸速度和粒径的数学关系。结合中梁山突出案例得出,若要完成输运突出煤体效果,部分煤粒需破碎值100μm级甚至更小,该结果也得到了中梁山其他突出事故粒径统计的验证。

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