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构造煤瓦斯解吸扩散与吸附扩散实验研究

周市伟  
【摘要】:构造煤体为瓦斯事故尤其是瓦斯突出事故的多发体,而通过对各类煤岩孔隙结构分布和扩散规律的研究,可以推导出预防煤与瓦斯突出事故的有效指标,对煤矿安全生产具有重要意义。本文采集了平煤八矿、鹤壁六矿和邹庄矿的煤样,搜集了各种有用的实验数据,以压汞实验、低温液氮吸附实验为实验手段对不同变质程度、不同煤体结构的煤样进行了孔径结构分布的对比分析,以容积法吸附/解吸实验、重量法高压等温吸附/解吸实验为有效手段对不同压力、不同粒径、不同煤体结构以及不同变质程度条件下的扩散规律分别进行了讨论研究,得出如下几条结论:(1)不同变质程度煤样的孔隙结构和孔径分布差异性明显。褐煤的孔隙率最大,并且明显要大于其他所有样品的孔隙率,高变质程度煤样(贫瘦煤和无烟煤)的孔隙率次之,长焰煤的孔隙率最低;通过对孔隙率的变化规律来看,低变质程度煤样的孔隙率变化范围较大,而至高变质程度阶段(R_(0,max)=1.89~4.37%),孔隙率的变化便不是很明显;大孔与过渡孔对总孔容的影响占主导作用,大孔在低变质程度与高变质程度煤中均有发育,中孔在发育程度最低的褐煤中占据比例最高,过渡孔与微孔在高变质程度煤中所占比例有明显优势。无论是对于高变质程度煤样还是低变质程度煤样,过渡孔与微孔对比表面积的贡献率占主导作用;(2)构造煤各尺寸范围孔的孔容与比表面积与原生结构煤有一定差别。同一煤层的构造煤与共生的原生结构煤相比,总孔容和总比表面积均明显增大,另外,中孔的孔容比与比表面积比均有所下降,而过渡孔和微孔的孔容比、比表面积比整体上显著增高。构造煤中细颈瓶孔较发育,原生结构煤以开放孔为主,并发育少量的细颈瓶孔;(3)通过解吸实验发现:在其它条件相同的情况下,压力对解吸率以及初始有效扩散系数的影响并不明显;整体上来说,粒径为0.25-0.5mm煤样的解吸率大于粒径为0.5-1.0mm煤样的解吸率,粒径为0.5-1.0mm的煤样初始有效扩散系数大于粒径为0.25-0.5mm的煤样初始有效扩散系数;对于原生结构煤来说,变质程度为贫瘦煤的鹤壁六矿煤样的解吸率整体上大于变质程度为肥煤的平煤八矿煤样的解吸率,初始有效扩散系数呈现相同的规律,而当煤体结构为构造煤时,变质程度为肥煤的平煤八矿煤样的解吸率均大于变质程度为贫瘦煤的鹤壁六矿煤样,初始有效扩散系数亦呈现相同的规律;大部分情况下,构造煤的初始有效扩散系数明显大于原生结构煤的初始有效扩散系数,构造煤的解吸率整体上大于原生结构煤;(4)在重量法高压等温吸附实验中,对煤样的吸附量随压力的变化规律进行研究,发现随着吸附平衡压力的增大,前期阶段,吸附量迅速增加;中期阶段,吸附量增速有所减缓且吸附量增加越来越慢;后期阶段出现了吸附量减少的现象;另外,吸附曲线和解吸曲线不重合,出现了明显的滞后环,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;(5)在煤粒对瓦斯的吸附初期,吸附量会有一个短时间的快速增长,之后进入慢速增长阶段,最后趋于稳定;达到吸附平衡所用时间与有效扩散系数呈现出‘有效扩散系数越大,达到吸附平衡所用时间越短’的规律;压力在一定的阈值范围内外会对有效扩散系数产生‘正向促进作用和负向阻碍作用’两种完全相反的效应。


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