混合煤样吸附特征影响因素及热力学特性实验研究

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构造煤分布广,储量大,开采频繁。研究构造煤的吸附及热力学特性对防治煤与瓦斯突出具有重要意义。为了研究不同质量比构造煤对混合煤样吸附瓦斯及其过程中热力学特性的影响,选用山西天池煤矿的原生质煤及构造煤,开展了理论分析及实验研究。(1)通过实验室测得原生质煤坚固性系数为1.51,构造煤坚固性系数为0.44。探究得到不同破坏程度煤孔隙发育特征,发现气孔和角砾孔分别主要存在原生质煤以及构造煤中,而摩擦孔多发育于混合煤样中。构造煤的平均孔径最小,比表面积最大的构造煤是混合煤样的1.08倍,比表面积为1.445~1.560 m2·g-1。孔隙体积是混合煤样的最小,仅为构造煤的83.3%,孔隙体积范围为0.254~0.305cm3·g-1。(2)采用WY-98A进行等温吸附测试,通过实验得到随着构造煤质量比的增大,煤样的吸附量、吸附常数a值呈现先上升后下降的抛物线变化趋势,在构造煤质量占比达到50%时达到最大值;而吸附常数b值随构造煤质量占比的增加呈现与吸附常数a值相反的变化规律。(3)通过研究不同影响因素(温度、粒径、含水率)对瓦斯吸附量的影响,发现30℃时的同比混合煤样的吸附量分别是40℃、50℃的1.06及1.13倍,实验煤样粒径在20目~100目(即0.83mm~0.15mm)时,随粒径变小吸附量增加,实验煤样的吸附量在不同含水率条件下有一定波动。吸附常数a值随着温度的升高呈现直线下降趋势,随含水率、粒径的变化呈抛物线形式变化。通过分析得到各因素对同比混合煤样瓦斯吸附量规律敏感性最高的是粒径,含水率次之,温度的敏感性最低。(4)基于PCT-C80吸附量热实验系统测定得到煤样瓦斯吸附热数据,得到混合煤样的吸附焓ΔHad和吸附熵ΔS随着构造煤的质量比增加呈现先增大后减小的趋势,而吸附热Qst和Gibbs自由能随质量比的增加呈现相反的抛物线变化趋势,在构造煤质量占比为50%时达到最值。因此,当混合煤样中构造煤与原生质煤质量相等时,煤体受到扰动,会导致瓦斯大量涌出。研究得到当混合煤样中原生质煤与构造煤质量相等时,容易发生煤与瓦斯突出,应采取相应措施预防突出事故发生,保障了煤矿安全生产,提高了煤矿生产效益,对现场实践有重要参考意义。
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