突出煤粉孔隙损伤演化机制及其对瓦斯吸附解吸动力学特性的影响

作者

姜海纳

学校

中国矿业大学

摘要

煤与瓦斯突出过程中常伴随着煤体粉化现象,因此需对煤体粉化过程中的孔隙损伤演化机制,及由此引起的煤中瓦斯吸附/解吸性能的改变进行研究,研究结果对完善煤与瓦斯突出机理具有重要意义。  

本文以马场矿、阳泉五矿、白龙山矿距突出点最远端煤粉为研究对象,运用表面化学、流体力学、毛细力学、分形几何学、数理统计等理论方法,建立了煤孔内瓦斯运移微观模型及煤颗粒内瓦斯运移宏观模型。运用数值分析和实验相结合的方法,获得了煤体粉化过程中孔隙损伤演化机制。结合瓦斯运移宏微观模型和孔隙损伤演化机制,开展了不同粒径煤粉的吸附/解吸性能实验验证工作,分析了突出激发瞬间需满足的颗粒粒径条件,主要研究结论如下:  

1)获得了突出煤粉粒径分布特征。微米级粒径煤样占比介于0.66%~1.46%间;十微米级粒径煤样占比介于2.59%~7.44%间;百微米级粒径煤样占比介于40.71%~62.76%间;毫米级粒径煤样占比介于33.19%~52.15%间。  

2)获得煤孔隙损伤演化机制及孔形半定量化结果。数值模拟结果表明,随粒径减小,煤总比表面积增大,外比表面积增大,内比表面积只在过度破碎时有减小趋势。孔结构实验测定结果表明,随粒径减小,总孔容整体呈增大趋势,增大倍数介于1.1715~28.5间;总比表面积变化趋势不一致,马场矿和阳泉五矿煤样总比表面积随粒径减小呈左侧高于右侧的“U”型趋势,白龙山矿总比表面积随粒径减小而增大,总比表面积增大倍数介于1.0346~3.7807间。半定量化结果表明,半径大于2nm时,孔形基本以两端开口型为主,<2nm左右孔形无一致性变化规律;单颗粒煤总孔长Lt(r)随孔半径减小,整体呈增加加剧的增大趋势,随粒径减小,各孔径段总孔长均逐渐减小,故均存在“墨水瓶”型孔消失情况,马场矿煤样“墨水瓶”型孔在微米级粒径时消失,阳泉五矿煤样“墨水瓶”型孔在百微米级粒径以下时消失,白龙山矿毫米级粒径以下煤样均无“墨水瓶”型孔。“墨水瓶”型孔的存在表明瓦斯储集能力较强,而“墨水瓶”型孔腔体越长,表明储集瓦斯能力越强,但放散能力较差,故上述孔形随粒径变化情况表明,随粒径减小,单颗粒煤储集瓦斯能力变小,但放散能力逐渐增加。  

3)建立了煤孔内瓦斯运移微观模型,从孔尺寸角度确定了煤孔内瓦斯吸附/解吸动力学特性影响的主控因素。结果表明:控制单一变量情况下,孔半径r,孔长L,吸附平衡压力P及Langmuir吸附常数b的增大均会增大煤孔内瓦斯平衡量,各因素对煤孔内运移平衡量影响程度表现为:孔半径>孔长>吸附平衡压力>吸附常数b。孔长L的增大会明显加大瓦斯在煤孔内的运移平衡时间;孔半径r,吸附常数b及吸附平衡压力的增大会减小煤孔内瓦斯运移平衡时间,影响程度表现为:孔半径>吸附平衡压力>吸附常数b。孔隙损伤对煤孔内瓦斯平衡量无影响,但会加剧煤孔内瓦斯运移速度,使损伤前后运移平衡时间均缩短,损伤前后运移平衡时间缩短程度为:A=B>E>C>D,(A:等径一端开口变两端开口,B:一端开口在1/2处损伤,C:一端开口在近开口端1/4处损伤,D:墨水瓶型孔变径处损伤,E:墨水瓶型孔一端开口变两端开口损伤)。  

4)建立了煤颗粒内瓦斯运移宏观模型-分数阶分形扩散模型。采用分数阶分形扩散模型,从理论角度预测瓦斯吸附/解吸速度随粒径变化增长倍数,结果表明,随粒径减小,煤样吸附/解吸速度急剧增大,如粒径减小为原来的1/2,则吸附/解吸速率增长范围介于4~16倍之间,由此表明粒径对煤中瓦斯吸附/解吸速率有重要影响。  

5)基于瓦斯吸附/解吸实验结果的宏微观模型验证。不同粒径煤吸附等温线存在“分区”现象,不同煤样“分区”情况有差异,但总体变化趋势为煤样粒径越小,曲线越靠上。煤样吸附平衡时间均随粒径增加快速增加。粒径最小煤样的吸附平衡时间仅需5min,而粒径最大的煤样吸附平衡时间则需十几天才可完成。据吸附平衡时间,结合瓦斯运移微观模型,可估算出煤给定半径孔并联数目,进一步推进了煤孔形定量化。结合孔结构分布特征及微观运移模型,实现了微观模型向宏观模型的过渡,并从宏观解吸实验中得到了验证。  

6)突出激发满足的粒径条件:结合孔结构分布特征及微观运移模型,运用突出瓦斯膨胀能公式,获得不同粒径煤瓦斯膨胀能分布规律,结合突出激发条件,获得非常规粒径煤样解吸速度不能推动突出的发生,即突出发生时必须存在大量小粒径煤样。

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