【摘 要】
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我国煤炭及煤层气资源禀赋优良,具有极大的开发利用潜力,而化石能源又是我国在相当长一段时间内不能被替代、处于重要战略地位的资源,关系到国家经济平稳健康发展和百姓安居乐业。因此,为了保证煤炭资源的安全高效开采,煤及煤层气开发及其灾害防治研究一直是学者们竞相选择的热点。目前,实验室关于煤与瓦斯突出等煤矿灾害防控的研究,大多是以大中型相似模拟或物理模拟试验为研究手段,通过从矿区带回小块原煤,磨粉后制备成型
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2018YFC0808303）；
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我国煤炭及煤层气资源禀赋优良,具有极大的开发利用潜力,而化石能源又是我国在相当长一段时间内不能被替代、处于重要战略地位的资源,关系到国家经济平稳健康发展和百姓安居乐业。因此,为了保证煤炭资源的安全高效开采,煤及煤层气开发及其灾害防治研究一直是学者们竞相选择的热点。目前,实验室关于煤与瓦斯突出等煤矿灾害防控的研究,大多是以大中型相似模拟或物理模拟试验为研究手段,通过从矿区带回小块原煤,磨粉后制备成型煤来代替原煤进行试验。但在此过程中容易出现型煤与原煤的物理力学性质相去甚远的情况,影响煤矿灾害模拟试验成果的可靠程度,难以指导煤矿安全生产。为此,本文利用自主研制的型煤热压成型设备,通过考察不同升温速率、不同炭化温度等型煤制备条件下二次炭化型煤热压成型试件的物理化学特性、吸附解吸特性、力学特性及渗流特性等的演化特征,揭示二次炭化型煤的物理力学性质随升温速率、炭化温度等条件的改变而变化的规律,以期进一步完善二次炭化热压型煤特性研究方面的基础资料,为二次炭化型煤的进一步深入研究和以型煤代替原煤开展试验研究提供支撑。其主要研究工作及取得的研究成果如下:（1）利用粉体科学研究中的Horsfield理论为载体,通过六方紧密堆积结构和异径球六方紧密堆积特征分析计算得出:当粗粒定为20～40目时,粒径配比为20～40:60～80:100～120,方差S1~2=0.000812;当粗粒定为40～60目时,粒径配比为40～60:100～120:180～200,方差S2~2=0.000004。根据方差分析法,由于方差S2~2＜＜S1~2,第二种粒径配比较优,故选择第二种配比方式。根据球的体积公式得出40～60、100～120、180～200目煤粉颗粒的体积分别为0.16146mm~3、0.01033mm~3、0.00207mm~3,异径球堆积特征表中前三次球的相对个数为1、1、2,由此计算得出型煤粒径组成为:40～60目:100～120目:180～200目=0.16146×1:0.01033×1:0.00207×2=91.77:5.87:2.35。（2）整理已有型煤相似材料研究成果,分析不同粘结剂的优劣性,最终选择腐殖酸钠有机粘结剂,并确定材料配制方案为煤粉:腐殖酸钠:水分=92:1.6:6.4,其中腐殖酸钠水溶液浓度为20%。（3）不同升温速率条件下制备的二次炭化型煤试件物理力学性质存在一定差异,但差异性比较小。表现为随着升温速率的不断增大,二次炭化型煤试件的密度及力学强度出现先增大后减小的趋势;微晶稳定性及官能团响应强度出现先增强后减弱的特征;试件中微孔的比例先增加后减少,大孔占比则先减少后增多;三轴渗流测试中主应力差表现出先升高后降低的趋势,初始渗透率表现出先降低后升高的趋势;吸附解吸等温试验表明试件内部的孔隙多为狭缝孔,且滞后环大小呈现出先减小后增大的趋势,孔结构规整度呈现先增大后减小的趋势。总体而言,升温速率为5℃/min炭化条件下的二次炭化型煤物理力学性质表现较优。（4）不同炭化温度条件下制备的二次炭化型煤试件之间、二次炭化型煤与冷压型煤之间物理力学性质差异性较大。表现为随着炭化温度升高,二次炭化热压型煤试件的密度及单轴抗压强度表现出先升高后降低的趋势,在300℃炭化温度条件下其单轴抗压强度与原煤较为接近;热压型煤与原煤的微晶结构稳定性和官能团响应强度有所差异,且在300℃和450℃炭化温度条件下其微晶稳定性及分子结构强度与原煤最为接近;相较于原煤,热压型煤孔径分布更为均匀,微孔占比少,比表面积小,且随着炭化温度升高,二次炭化热压型煤的平均孔径和比表面积呈现先降后增的趋势,并在300℃炭化温度条件下其孔径和比表面积相对最小;在三轴压缩条件下,试件的渗透率随轴压增大呈现先减小后增大的演化规律,其初始渗透率和最小渗透率均随着炭化温度升高而增大;二次炭化型煤的滞后环大小呈现出先减小后增大的趋势,在温度为300℃和450℃时,试件中的介孔相对最少。（5）二次炭化型煤相似材料制备方式在一定程度上改善了型煤的物理力学性质,增加了材料微晶稳定性和分子结构强度,提高了二次炭化型煤与原煤在强度、孔隙结构等方面的相似性,表明二次炭化热压是一种具有重要意义的相似材料制备方式。
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