煤体突出破碎功及煤粒瓦斯放散规律的研究

摘要

煤与瓦斯突出机理是近年来矿山动力灾害的前沿和热点问题。本文首先进行了煤与瓦斯突出及煤的冲击破碎理论分析，进行了不同冲击次数下煤的坚固性系数测定的实验研究。由于破碎功是由瓦斯内能所确定的，而瓦斯内能主要由瓦斯含量决定，从而，进行了煤粒瓦斯解吸规律实验研究。在实验基础上，分析了煤粒瓦斯放散过程中扩散系数的时变特征，实验拟合得到考虑时变扩散系数的瓦斯扩散计算模型，以此为基础，研究不同形状煤粒对瓦斯放散规律的影响，建立了基于时变扩散系数的平板与圆柱体形煤粒的瓦斯扩散方程，应用数学物理的方法求取了相应的解析解，并进行了验证。为井下煤层瓦斯含量的测定提供了新的理论依据。主要研究内容如下：
　　（1）介绍了煤的坚固性系数测定实验装置，进行不同冲击次数下煤的坚固性系数的测定，得出冲击次数产生煤粉的增量以及坚固性系数的关系。通过实验煤样Δn/L最小值分析，得出煤的坚固性系数测定的最优落锤次数为3次。基于破碎功公式，实验得出不同 f值下，单位体积煤体破碎功与参数Yp1的关系。在实验基础上，得到修正的破碎功公式。
　　（2）介绍了一套瓦斯放散实验平台。设备结构包括真空脱气系统、温控系统、充气系统、解吸控制系统。介绍了设备的实验原理以及实验步骤，设备可以实现瓦斯解吸量随时间变化的测定。
　　（3）对五虎山、平沟、老石旦、白芨沟四矿煤样进行瓦斯解吸实验，研究不同吸附平衡压力，不同温度，不同粒度等因素对瓦斯放散规律的影响。得出了解吸时变规律，可将解吸放散过程分为三个阶段即：“解吸初期—解吸中期—解吸后期”。进行不同吸附平衡压力下瓦斯解吸规律研究，发现吸附平衡压力越大，瓦斯解吸量越大。进行了不同粒度煤粒瓦斯放散实验研究，得出在解吸初期，粒度越大解吸量和解吸速度越小，但是到达“极限粒度”之后，粒度对解吸量和解吸速度的影响较小。不同温度条件下，瓦斯解吸量随时间单调递增，温度越高，解吸量越大。另外吸附常数a随着温度的增加略有增大，继而减小，总体上是随温度略有降低，但影响较小。吸附常数b值是随温度增加而减小的趋势。
　　（4）通过对实验数据的分析，发现扩散系数与时间的关系，并建立里相应的函数关系式。基于此，实验拟合得出的重庆研究院孙重旭式瓦斯扩散模型更能符合时变扩散规律的要求。在扩散系数时变公式的基础上，建立基于时变扩散系数的平板形以及圆柱体形瓦斯放散新模型，得到相应的解析解，并进行了相应验证分析。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容及技术路线

2煤的冲击破碎

2.1煤与瓦斯突出及煤的冲击破碎理论分析

2.2煤的坚固性系数测定实验研究

2.3煤体破碎功实验研究

2.4本章小结

3实验系统

3.1 HCA实验设备简介

3.2瓦斯解吸实验平台

3.3实验方法与步骤

3.4本章小结

4煤粒瓦斯放散特征的实验研究

4.1采样煤矿概况

4.2 吸附平衡压力对瓦斯放散规律的影响

4.3 粒度对瓦斯放散规律的影响

4.4 温度对瓦斯放散规律的影响

4.5本章小结

5煤粒瓦斯放散新模型建立

5.1煤粒放散瓦斯时变扩散特性的分析

5.2平板形煤粒放散瓦斯的数学模型

5.3圆柱体煤粒放散瓦斯的数学模型

5.4瓦斯放散新模型验证

5.5本章小结

6主要结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3不足与展望

参考文献

主要成果

致谢