基于球状模型颗粒煤瓦斯扩散规律实验研究

摘要:

瓦斯涌出量预测、煤体瓦斯含量测定、突出预测和钻屑瓦斯解吸指标的测定以及各种瓦斯强化抽采方法,无不与瓦斯扩散息息相关。瓦斯扩散受多种因素影响,包括煤的变质程度、显微组分、孔隙结构、环境温度、瓦斯压力、水分和粒径等,文章主要研究粒径、吸附平衡压力和水分耦合作用下瓦斯扩散动力学特性以及低阶煤的瓦斯扩散动力学特性。 搭建了具备温度控制功能的瓦斯吸附-扩散实验装置,在实验室模拟了颗粒煤 在不同煤粒半径、不同吸附平衡压力和含水率下的吸附-扩散过程,获得了相应的 瓦斯扩散量与时间关系曲线,运用 Matlab、Origin 和 Excel 软件对实验数据进行作图分析,结合球状颗粒煤单孔扩散模型计算出扩散系数,分析了扩散时间、粒径、吸附平衡压力和水分与扩散系数的关系,并最终得到粒径、吸附平衡压力共同耦合作用下含水颗粒煤样的瓦斯扩散规律。 研究结果表明:

(1)瓦斯扩散系数随时间的增大而减小,其减小的幅度也随 着时间的增大而减小;

(2)随着粒径的增大,瓦斯扩散系数增大,而瓦斯有效扩 散系数减小,具有一定的规律性。

(3)吸附平衡压力对干燥煤样的扩散系数没有 影响,对于含水煤样,扩散系数随吸附平衡压力的增大而增大;

(4)在相同条件下,干燥煤样的瓦斯扩散量显著高于含水煤样,水分对颗粒煤瓦斯的扩散具有明显的抑制作用。

根据本文研究结果,可以得出以下初步结论:

(1)工程应用中,测定扩散系数时,可以将扩散时间缩短至 60min,使测定扩散系数的工作量大大减小;

(2)同一粒径下,用扩散系数反映瓦斯扩散的快慢,而不同粒径下,瓦斯有效扩散系数能较好的反映其扩散的快慢;

(3)对于干燥煤样,扩散过程主要受到浓度梯度的 推动,而与初始浓度无关,与吸附平衡压力无关;

(4)水分具有缩孔和堵孔作用, 能有效降低煤层瓦斯扩散能力,煤层注水可降低工作面瓦斯超限。

关键词:颗粒煤;粒径;吸附平衡压力;含水率;扩散系数

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Wangjing
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