【摘要】：隨著煤炭資源的不斷開采利用,采掘深度進(jìn)一步延伸,地應(yīng)力和瓦斯壓力會(huì)持續(xù)增大,因此突出發(fā)生的頻率和強(qiáng)度大幅增加,造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害程度也日趨嚴(yán)重。瓦斯突出是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,煤中瓦斯的吸附、解吸、滲流和擴(kuò)散等機(jī)理的研究尚未明確,突出機(jī)理仍處于假說(shuō)階段,因此,需要確定一個(gè)更實(shí)用、更合理的預(yù)測(cè)指標(biāo)。大量井下實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室對(duì)瓦斯突出的模擬實(shí)驗(yàn)證明,煤中瓦斯發(fā)生突出前會(huì)有溫度變化。因此本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合吸附理論、表面化學(xué)理論以及量子化學(xué)計(jì)算等手段,對(duì)氣體吸附-解吸物理過(guò)程及其溫度變化與能量轉(zhuǎn)化等問題進(jìn)行全面系統(tǒng)的探究,為煤與瓦斯突出機(jī)理的完善提供參考。主要研究結(jié)論如下:(1)采集并制備了柱狀、2~4目、4~8目、8~16目、16~30目、30~60目六種粒徑的貧煤樣品,在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)加工,增設(shè)了保溫裝置和測(cè)溫裝置。為排除氣體壓縮和膨脹作用對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤體溫度的影響,利用花崗巖樣對(duì)實(shí)驗(yàn)罐進(jìn)行了標(biāo)定,并給出了標(biāo)定的公式和擬合函數(shù)。選用了導(dǎo)熱性系數(shù)很低的氣凝膠氈作為保溫材料,并對(duì)其保溫性能進(jìn)行了測(cè)試,滿足實(shí)驗(yàn)要求�？梢暂^準(zhǔn)確測(cè)量氣體吸附/解吸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。(2)研究了不同壓力和粒徑條件下煤樣吸附解吸過(guò)程中煤體表面溫度變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)煤中二氧化碳吸附解吸過(guò)程中有明顯的溫度變化,注氣過(guò)程溫度升高,排氣過(guò)程溫度降低,說(shuō)明吸附為放熱過(guò)程,解吸為吸熱過(guò)程。2)相同注氣壓力條件下,煤樣粒徑越小,達(dá)到吸附平衡時(shí),氣體的吸附量越多,溫度變化最大值越大;同一粒徑煤樣,注氣壓力越大,達(dá)到吸附平衡時(shí),平衡壓力越大,吸附量越多,溫度升高幅度越大,變化速率也越大。3)在同一平衡壓力條件下,煤樣粒徑越小,溫度變化最大值越大;同一粒徑煤樣,吸附平衡壓力越大,溫度降低幅度越大,變化速率也越大。4)解吸過(guò)程中溫度變化量隨著煤體內(nèi)部氣體的壓力和含量的增加而增大,從這個(gè)規(guī)律來(lái)看,煤體溫度的變化值可以用來(lái)表征煤中氣體的賦存量以及預(yù)測(cè)瓦斯突出。(3)利用氣體吸附模型理論分析了氣體在煤表面的吸附機(jī)理,并結(jié)合熱力學(xué)公式、表面化學(xué)理論以及能量守恒定律等知識(shí)分析了煤中氣體吸附解吸過(guò)程引起的能量變化規(guī)律,結(jié)果表明:1)BET模型更適合描述煤對(duì)二氧化碳?xì)怏w的吸附,從而得出煤吸附二氧化碳?xì)怏w時(shí)會(huì)發(fā)生多分子層的吸附。2)總體上,煤樣的粒徑越小、平衡壓力越大,煤體吸附解吸過(guò)程中的表面自由能和熱量變化值越大;隨著平衡壓力的增大,各粒徑煤樣表面自由能降低值的增加速率逐漸變慢,說(shuō)明煤表面存在非均勻的吸附勢(shì)場(chǎng)。3)通過(guò)對(duì)比柱狀和粒狀煤樣在吸附解吸過(guò)程中熱量數(shù)據(jù)的差異,得出:吸附過(guò)程中,降低的表面自由能轉(zhuǎn)化為吸附熱和變形能,吸附熱和變形能共同導(dǎo)致煤體溫度增加;解吸過(guò)程中氣體的解吸作用和煤體的收縮變形共同導(dǎo)致煤體溫度降低。(4)利用量子化學(xué)軟件構(gòu)建了煤表面CO_2和CH_4分子的吸附模型,并計(jì)算了吸附能。結(jié)果顯示:1)CO_2與煤分子的穩(wěn)定吸附構(gòu)型為:CO_2分子以碳原子的投影與煤分子的中心碳原子重合、且CO_2分子結(jié)構(gòu)的投影與煤結(jié)構(gòu)中的一個(gè)C-C鍵重合。2)CH_4與煤分子間穩(wěn)定的吸附構(gòu)型為:CH_4分子C-H鍵的投影與煤分子的C-C鍵重合、且CH_4分子以正三角錐的形式吸附在煤分子表面。3)CO_2和CH_4分子穩(wěn)定吸附構(gòu)型的吸附勢(shì)阱值分別為-10.739 kJ/mol和-4.350 kJ/mol,均為物理吸附。CO_2分子的吸附構(gòu)型更加穩(wěn)定,證明在相同吸附條件下,CO_2在煤表面的吸附性能優(yōu)于CH_4。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD713

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