粒径对煤中瓦斯放散初速度影响实验研究.pdf

第 4 2卷 第 9期 2 0 1 6年 9月 Vo 1 ． 4 2 NO ． 9 S e p ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 5 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 3 杨萌萌， 袁梅 ， 徐林 ， 等． 粒径对煤中瓦斯放散初速度影响实验研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 5 6 5 9 ． 粒径对煤中瓦斯放散初速度影响实验研究 杨 萌 萌 ， 袁 梅 ， 徐 林 ， 许石 青 ， 李 闯 ， 王 玉丽 1 ． 贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 2 ． 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室 ， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 2 5 ；3 ． 贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室 ， 贵州 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 4 ． 复杂 地质 矿 山开采 安全技 术工 程 中心 ， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 2 5 摘 要 为 了分析粒 径 对煤 中 瓦斯放 散初 速度 的 影响 ， 以某煤 矿 4号 煤层 小于 7目、 7 ～ 1 0 目、 1 0 ～ 1 8 目、 1 8 ～3 5目的 自然风 干 、 烘干及 水 分含量 分别 为 3 V o 、 5 、 7 的煤 样 为研 究对 象 ， 借 助 W T一 1型 瓦斯放 散 初 速 度 测定仪 ， 测 试 了不 同含 水 率煤样 的 瓦 斯放 散初 速 度 与 粒径 的 关 系， 并测 试 了 自然风 干 和 烘 干 5 h ， 粒 径 为 小 于 7目与 3 5 ～6 0目、 7 ～ 1 0目与 3 5 ～6 0 目、 1 O ～1 8目与 3 5 ～6 0目的煤样 ， 在 配 比分别 为 6 1 ， 5 2 ， 4 3 ， 3 4 ， 2 5 ， 1 6 情 况 下的 瓦斯 放散 初速 度 。 实验 结果 表 明 ， 随着 粒径 减 小 ， 不 同含 水 率 的煤 中瓦斯 放 散初 速度 不 断增 大 ， 且粒 径越 小 ， 煤 中瓦斯放散 初 速度 的增 大趋 势越 明显 ； 煤 层 中粒径 小的煤 颗 粒 占比越 大 ， 煤 中 瓦斯 放 散初 速度 越 大 。 关键 词 瓦斯放散 初 速度 ；粒径 ；瓦斯吸 附 ；瓦斯 解吸 ；含 水 率 ；粒 径配 比 中图分类 号 TD 7 1 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 1 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 6 ． 0 1 3 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 1 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 7 2 1 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 5 1 5 7 4 0 9 3 ； 贵州大学 矿业学 院研 究生创新基金 资助项 目 院研 2 0 1 6 0 1 0 1 ； 贵州省科 学技术基 金资助 项 目 黔科合 J字[ 2 O l 5 ] 2 0 4 9 号 ； 贵州大学引进人才项 目 贵大人基合字 [ 2 o 1 5 ] 3 0号 ； 贵州省科技厅 、 贵州大学联合资金计划资助项 目 黔科 合 L H字 [ 2 o 1 4 1 7 6 5 4 ； 贵州省高校工程技术研究中心建设项 目 黔教合 KY字[ 2 0 1 3 ] 1 1 2 。 作者简介 杨萌萌 1 9 9 0 一 ， 女 ， 山东 聊 城人 ， 硕士研 究 生 ， 研 究方 向 为矿 山灾 害 防治 ， E - ma i l y a n g me n g me n g 7 7 7 7 1 6 3 ． c o rn。通 信作 者 袁梅 1 9 7 3 一 ， 女 ， 贵州贵阳人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方 向为煤矿安全 ， Ema i l g u t y u a n me i 1 2 6 ． c o rn。 该新 型 双 向 D C DC变 换器 与传 统 B u c k B o o s t 变 换 器相 比 ， 具 有 较高 的 电压 增 益 ， 输 出 电压 更 稳 定 ， 可实现功率双向传输， 且每一功率传输方 向均能实 现 升压 、 降压 。 参 考 文 献 [ 1 ] E 2 ] [ 3 ] 彭方正 ，房绪鹏 ，顾斌 ， 等． z源 变换器 [ J ] ． 电工 技术 学报 ，2 0 0 4 ， 1 9 2 4 7 5 1 ． F ANG X，J I X． B i d i r e c t i o n a l p o we r f l o w Z s o u r c e d c d c c o n v e r t e r [ c ] ／ ／I E E E Ve h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n Co n f e r e n c e ，B e i j i n g，2 0 0 8 1 - 5 ． COS TI NE TT D J ． An a l y s i s a n d d e s i g n o f h i g h e f f i c i e n c y ， h i g h c o n v e r s i o n r a t i o ，DC DC p o we r c o n v e r t e r s [ D] ． Mi c h i g a n Mi c h i g a n T e c h n o l o g i c a l Uni v e r s i t y，2 01 3． [ 4 ] 梁 ，欧阳名 三． 基于 S G 3 5 2 5 矿用直流变换器控制 电 路 的设计E J ] ． 电源技术 ， 2 0 1 2 ，3 6 2 2 4 5 2 4 7 ． r 5 ] PHAM C T， S HEN A， DZ UNG P Q， e t a 1 ． A c o m p a r i s o n of c o nt r ol me t h ods f o r Z Sou r c e i nv e r t e r [ J ] ．E n e r g y a n d P o we r E n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ，4 4 l 8 7 1 95 ． [ 6 ] 王利 民 ， 钱照明 ， 彭方正． Z源升压 变换器[ J ] ． 电气传 动 ，2 0 0 6，3 6 1 2 8 2 9 ． 1- 7 3 王利 民 ， 钱照 明， 彭 方正． z源直 流变换 器[ J ] ． 电气应 用 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 1 2 3 1 2 4 ． I- 8 ] 张杰 ， 葛静 ， 吴朋 ． Z源直流变换器 电感 电流断续工作 模 式分析I- J ] ． 湖北工业大学学报 ， 2 0 1 0 ，2 5 5 7 - 1 0 ． ∞ 化 m ∞ 动 自 d 矿 工_耋 d k 5 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 表 1 实验煤样 的工业分 析参 数 根据 AQ 1 0 8 0 -- 2 0 0 9及 wT一1型瓦 斯 放散 初 速度测定仪要求 ， 将所取煤样粉碎 ， 用不同 目数的筛 子筛 取不 同粒径 范 围 的煤 样各 5 0 0 g ， 粒 径分 布为 小 于 7目、 7 ～1 0目、 1 0 ～1 8目 、 1 8 ～3 5目、 3 5 ～ 6 0目。 将 每 一个 粒径 范 围的煤样 分 为 2 份 ， 一 份 自然风 干 ， 另一份 放 人烘箱 烘 干 5 h制成 干燥 煤 样 。取各 粒 径 的烘 干煤 样 6 0 g ， 平均 分为 3份 ， 用 喷雾 器 向每份 烘 干煤样 喷少量水 雾 并 搅 拌 均 匀 ， 将 制备 好 的煤 样 放 人密闭容器内浸润 1 0 d ， 使水充分浸润煤样 ， 制得各 粒径 水 分含量 分别 为 3 ， 5 9 ／ 6 ， 7 ％的煤 样 。 2 实验 方案及 结 果分 析 2 ． 1 买 验 方 案 设图 1中 wT一 1型瓦斯放散初速度测定仪 的 煤样 罐从 右 至左分 别 为 1号 、 2号 、 3号 、 4号 、 5号 、 6号 ， 每种煤 样罐 放置 3 ． 5 g煤 样 ， 其 中 1 号 和 2号 、 3号 和 4 号 、 5号 和 6 号 分别 为一 组平 行实 验 。按照 实验要求， 每种煤 样需取 2个 试样做平行 实验， 设 2个试 样 瓦斯 放 散初 速 度 △ P 分别 为 A P1和 A P 2 ， 则 当 A P1 一△ P 2时 ， △ P取 △ P1 ； 当 l △ P1 一A P2 l ≤ 1 mL ／ s 时 ， △ P取 二 者 最 大 值 ； 当 I △ P1 ～ △ P 2{ 1 mL ／ s 时， 为不合格 ， 应重新装样测试 ] 。 为 了分 析粒 径 对 煤 中 瓦斯 放散 初 速 度 的影 响 ， 分 别 测试 了在 不 同含 水 率 ] 、 不 同粒径 配 比情况 下 煤 中瓦斯放散初速度与粒径的关系。 2 ． 2 不 同含 水 率 煤 样 瓦斯 放 散 初 速 度 与 粒 径 的 关 系 实 验方 案 取 含水 率不 同的 5 种 煤样 分别 为 自 然风干 、 烘 干 5 h 、 3 含 水 率 、 5 含 水 率 、 7 含 水 率 ， 每种煤样又分为粒径小于 7目、 7 ～l O目、 1 o ～ 1 8目、 1 8 3 5目这 4组 ， 分别 装入 WT一 1型 瓦斯 放 散初速度测定仪的煤样罐 ， 在外界温度 、 压力等条件 相 同的情 况 下 ， 测 定 瓦 斯 放 散 初 速 度 △ P。实 验 结 果如 图 2所示 。 从 图 2可看 出 ， 随着粒 径 不 断减 小 ， 5种 不 同含 水率的煤样瓦斯放散初速度不断增大 ， 且粒径越小 ， 增大 的趋 势越 明显 ； 烘 干 5 h的煤 样 各 粒 径 范 围 内 的瓦斯放散初速度大于其他含水率 的煤样 ， 含水率 为 7 的 煤 样 各 粒 径 范 围 内 的 瓦斯 放 散 初 速 度 最 小 。造成 煤样 瓦斯 放散初 速 度随粒 径减 小而 不 断增 图 2 不 同含水率煤样瓦斯放散初速度 与粒径关 系 大 的原 因主要 包 括 1 煤 中瓦斯 以吸 附和游 离 2种 状 态 赋存 在煤 层 中 ， 通常 吸附 状态 的瓦 斯 占煤 中 总 瓦斯 量 的 1 O ％ 左 右 ， 游离 状 态 的 瓦斯 占煤 中 总 瓦 斯 量 的 9 0 左 右[ ” ] 。粒径对煤 吸附瓦斯量 的影响主要在 于粒径 导致煤 孔结 构发 生 改 变 ， 影 响 了孔容 ， 粒 径越 小 ， 孔 容越大 ， 吸附瓦斯 越 多 ， 瓦 斯放 散初 速度越 大 。 2 随着 煤样 粒径 不 断减 小 ， 煤 中 瓦斯 的 扩散 阻力减 小 ， 相 同时 间内煤 中瓦斯 的解 吸量 增加 ； 随着 煤 样粒 径不 断减 小 ， 在 煤 基 质 内部 和孔 隙 表 面 的 瓦 斯分子分布更加均匀 ， 分子密度更大， 相同时间内煤 中瓦斯 的解 吸量 增加 ； 随着 煤样 粒径 不断 减小 ， 煤样 的孔 隙 比表面 积 、 孔 隙体 积增 加 ， 参 与解 吸 的瓦斯 分 子增 多 ， 瓦斯分 子 的浓度 增大 ， 煤 中吸 附瓦斯 的解 吸 速度增 加 。可见 ， 随着煤 粒径 的不 断减 小 ， 煤 中吸附 瓦斯 的解 吸量 和解 吸速 度增 加 ， 使得 煤 中 瓦斯 放 散 初速度 不 断增加 。 对图 2中的实验数据进行拟合 ， 可得到不 同含 水率煤 样粒 径 z与煤 样瓦 斯放 散初 速度 △ P 的拟 合 方程 ， 见 表 2 。 表 2 不 同含水率煤样粒径与煤样 瓦斯放 散 初速度 的拟合关 系式 根 据表 2可 知 ， 在 实 验 所 选 粒 径 范 围 内， 烘 干 5 h和 自然 风干煤 样 瓦斯 放 散 初 速度 与 粒 径 的拟 合 关 系为 △ P C1 I e x p 一 C2 z 1 式 中 C ， C 为 由瓦斯 压 力 、 煤 样 的含 水 率等 确 定 的 2 0 1 6年第 9期 杨 萌萌等 粒径对煤 中瓦斯放散初速度影响实验研究 5 9 常数 项 。 含一定水分的煤样瓦斯放散初速度与粒径的拟 合关 系 为 △P e x p C3 z 2 式中 C 。 为常数 ， 其值随含水率的增大而减小。 由图 2和 表 2可看 出 ， 不 同含 水 率 的煤 样 瓦 斯 放散初 速 度与 粒径 的关 系 不 同 ， 主要 原 因是 煤 样粒 径变化会改变煤样中水分 的分布 ， 使得粒径变化对 含水煤样 中瓦斯的吸附、 解吸、 扩散 、 渗透和运移规 律 的影 响与 干燥 煤样 不 同 ， 粒 径对 含 水 煤 样 瓦 斯 放 散初 速度 的影 响机 理更 为 复杂 。 2 ． 3 不 同粒 径 配 比煤 样 瓦斯 放 散 初 速 度 的 变 化 规 律 实验方案 根据煤层中不 同粒径煤样混合分布 的实 际情况 ， 针 对 自然风 干 和烘 干 5 h这 2种煤 样 ， 分别设 置粒 径组合 为小 于 7目与 3 5 ～6 O目、 7 ～ 1 O目与 3 5 ～ 6 O目、 1 O ～ 1 8目与 3 5 ～ 6 0目， 每一 种 粒 径组 合设 置 6 种 配 比 ， 分 别为 6 1 ， 5 2 ， 4 3 ， 3 4 ， 2 5 ， 1 6 。将不 同粒径配 比的煤样 分别装入 WT一 1型瓦斯放散初 速度测定 仪的煤样罐， 测定 瓦斯放 散 初速 度 △ P。实 验 结果 如 图 3所示 。 a 自然风干煤样 b 烘干 5 h煤样 图 3 不 同粒径配 比煤样瓦斯放散初速度 的变化曲线 从图 3可看出 ， 3 组不同粒径配 比的煤样 ， 随着 3 5 6 0目煤样 的不断增多， 煤 中瓦斯放散初速度不 断增加 ， 说 明煤层 中粒 径小 的煤 颗粒 占的比重越 大 ， 煤 中瓦 斯放 散初 速 度越 大 ， 煤 层 发 生 突 出事 故 的 可 能性越大 ； 不同粒径 的煤样混合 ， 混合粒径都 较小 时， 瓦斯放散初速度较大， 符合前文得出的不 同含水 率煤样瓦斯放散初 速度随粒径减小而不 断增加 的 结论 。 3 结 论 1 随着粒径不断减小 ， 不 同含水率 的煤样 瓦 斯放散初速度不断增大 ， 且粒径越小 ， 煤样瓦斯放散 初 速度 增大趋 势 越 明显 。主 要原 因 粒 径 导 致煤 孔 结构 发 生 了改 变 ， 影响 了孔容 ， 粒径 越小 ， 孔容 越大 ， 吸附瓦斯越多 ， 瓦斯放散初速度越大； 随着煤粒径的 减小 ， 煤 中吸 附瓦斯 的解 吸量 和解 吸速度 增加 ， 使得 煤 中瓦 斯放散 初速 度增 加 。 2 煤层 中粒径小的煤颗粒 占比越大 ， 煤 中瓦 斯放散初速度越大 ， 煤层发生突出的可能性越大。 参 考 文 献 徐乐华 ， 蒋承林． 煤的坚固性系数 和瓦斯放散初速度 测定 过 程 的 影 响 因素 分 析 [ J ] ． 煤 炭 技 术 ，2 0 1 2 ， 31 1 9 3 94 ． 贾东旭 ， 孙景来． 不 同变质程度煤体破 碎度对瓦斯 放 散初速度的影 响 [ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ，2 0 1 3 ，4 1 8 6 8 7 O． 刘彦伟 ， 刘 明举． 粒度对 软硬煤粒 瓦斯 解吸扩散差异 性的影响[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 5 ， 4 0 3 5 7 9 5 8 7 ． 刘 彦伟 ． 煤粒 瓦斯放散 规律 、 机 理与动力 学模 型研究 [ D ] ． 焦作 河 南理 工大学 ， 2 0 1 1 ． 吴 鑫 ， 隆泗． 不同煤粒 粒级配 比下 的煤 与瓦斯 突 出实 验研究[ J ] ． 中国安 全 生产 科 学 技术 ， 2 0 1 2 ，8 1 2 1 6 2 O． 许 江 ， 刘东 ， 彭守建 ， 等． 煤样粒径对煤 与瓦斯 突出影 响的 试 验 研 究 [ J ] ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ，2 0 1 0 ， 2 9 6 1 2 3 1 - 1 2 3 7 ． 郑 迎春 ， 宋聪聪 ． wT一1 型 瓦斯放散初 速度测定 仪 的 应用 [ J ] ． 中国新技 术新 产品，2 0 1 0 1 7 7 ． 袁梅． 含瓦斯煤渗透特性影响因素与煤层瓦斯抽采模 拟研究 [ D ] ． 重庆 重庆大学 ，2 0 1 4 ． 李耀谦 ， 刘 国磊． 煤 中水含量对 瓦斯吸 附与解 吸特性 影响规律研究[ J ] ． 工矿自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 6 7 4 7 7 ． 李文璞． 采动影响下煤岩力学特性及 瓦斯运 移规律研 究 [ D ] ． 重庆 重庆 大学 ，2 0 1 4 ． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [