不同煤粉粒径条件下煤与瓦斯突出模拟实验研究

论文摘要

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中发生的一种极其复杂的动力现象,也是我国煤矿安全生产的主要威胁之一。本文研究不同粒径制作的型煤对煤与瓦斯突出过程的影响,煤粉粒径属于煤与瓦斯突出综合假说中的煤岩体的物理力学性质。实验利用西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)研制的煤与瓦斯突出过程模拟实验台及数码相机、偏光分析软件、三轴剪切仪等设备设施,进行了型煤的孔隙率分析实验、基本力学性质实验和煤与瓦斯突出实验。型煤孔隙率特征分析主要针对成型过程中产生的孔隙,这类孔隙相对较大,根据霍多特孔隙分类,其属于构成强烈的层流渗透区间大孔以及构成层流及紊流混合渗透的可见孔及裂隙。采用数码相机拍照,偏光分析软件分析的方式研究孔隙率,由型煤的孔隙率测试结果表明,煤粉粒径越大,在相同压力下成型的煤样孔隙率也就越大,但孔隙总数越少,平均孔隙半径越大。根据分形理论分析结果可以发现,孔隙数越多、分布越复杂者,分形维数越大。采用不同粒径型煤进行了大量三轴压缩实验后发现,粒径大的煤粉成型后单轴抗压强度要小于粒径小的。最后将煤样的单轴抗压强度与平均粒径与进行拟合,并得到相应的拟合公式。在简要介绍了自主研发的煤与瓦斯突出过程模拟实验台特点及基本操作步骤后,对煤样的制作过程、煤粉收集区域的划分、实验方案以及相应辅助设备等进行了介绍。针对实验室中存在的火灾爆炸危险性进行分析,首先利用事故树分析定性的得出造成其发生的各种原因组合,其次利用FLUENT对突出后的瓦斯浓度运移规律进行了数值模拟计算,最后为实验安全提出了相应的建议和措施,以增加实验室的本质化安全程度。对抽取真空及瓦斯吸附解吸全过程温度演化曲线进行了小波去噪,去除了干扰,得到平滑、稳定的温度信号。经对比发现,型煤煤粉粒径越小,则抽真空时温度下降越快、充瓦斯气体时温度上升越快、突出时温度下降越快。煤粉粒径对突出强度有明显的影响,型煤粉粒径越小,则突出强度越大,具体来说,突出的煤粉重量越多、煤粉分布距离突出口越远。突出孔洞大多呈现口小腔大的梨形或椭球形,型煤煤粉粒径越小的,得到的孔洞体积也就越大。本文还利用皮尔逊(Pearson)相关系数来分析煤粉粒径、突出强度、单轴抗压强度等因素的内在联系,重点分析了不同煤粉粒径与基本力学性质、微观结构、突出强度、温度演化规律等的相关联系。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤与瓦斯突出机理方面
• 1.2.2 煤与瓦斯突出实验模拟方面
• 1.2.3 煤的孔隙特征及基本力学性质研究方面
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 型煤的基本物理力学性质
• 2.1 型煤孔隙特征
• 2.1.1 煤的孔隙性
• 2.1.2 型煤的孔隙特征
• 2.1.3 型煤孔隙率分析
• 2.1.4 型煤孔隙发育分析
• 2.2 型煤的基本力学性质
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 实验装置与实验方案
• 2.2.3 三轴压缩实验结果与分析
• 2.3 本章小结
• 3 煤与瓦斯突出模拟实验方法
• 3.1 煤样采集与型煤试件制备
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 煤与瓦斯突出模拟实验台
• 3.2.2 辅助设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 实验方案
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 煤粉收集区域的划分
• 3.4 突出实验室通风安全建设
• 3.4.1 安全现状分析
• 3.4.2 实验室瓦斯浓度数值模拟
• 3.4.3 安全对策分析
• 3.5 本章小结
• 4 煤与瓦斯突出模拟实验结果
• 4.1 单一配比粒径
• 4.1.1 实验I-1
• 4.1.2 实验I-2
• 4.1.3 实验I-3
• 4.2 混合配比粒径
• 4.2.1 实验II-1
• 4.2.2 实验II-2
• 4.2.3 实验II-3
• 4.2.4 实验II-4
• 4.3 本章小结
• 5 煤与瓦斯突出模拟实验结果分析
• 5.1 瓦斯压力演化曲线对比
• 5.2 煤体温度与瓦斯压力的演化
• 5.2.1 温度曲线的小波去噪
• 5.2.2 抽真空阶段温度演化曲线对比
• 5.2.3 充瓦斯阶段温度演化曲线对比
• 5.2.4 突出阶段温度演化曲线对比
• 5.3 煤粉突出强度的演化
• 5.3.1 突出强度
• 5.3.2 煤粉分布规律
• 5.3.3 煤粉的粉碎作用
• 5.4 突出孔洞的演化
• 5.4.1 突出孔洞形成过程
• 5.4.2 孔洞形态对比
• 5.4.3 孔洞容积对比
• 5.5 基本力学性质与煤与瓦斯突出的相关联系
• 5.5.1 相关性分析原理
• 5.5.2 煤与瓦斯突出各参数相关关系
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在学习期间发表的论文
• B 作者在学习期间参加的科研项目