【摘 要】
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我国煤层赋存条件极其复杂,瓦斯事故一直是威胁煤矿安全生产的重要灾害之一。诸多煤与瓦斯突出实例表明,低频机械振动是诱导突出的一个重要因素。为了探究低频机械振动作用下煤粒孔隙结构演化和瓦斯解吸扩散的特性。本文利用自主研发的机械振动条件下恒温瓦斯吸附解吸实验平台,首先对低频机械振动作用前后颗粒煤的孔隙结构进行精细化定量表征,获得了低频机械振动作用下煤粒孔隙结构的演化特征,并结合断裂力学相关理论分析了其演
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我国煤层赋存条件极其复杂,瓦斯事故一直是威胁煤矿安全生产的重要灾害之一。诸多煤与瓦斯突出实例表明,低频机械振动是诱导突出的一个重要因素。为了探究低频机械振动作用下煤粒孔隙结构演化和瓦斯解吸扩散的特性。本文利用自主研发的机械振动条件下恒温瓦斯吸附解吸实验平台,首先对低频机械振动作用前后颗粒煤的孔隙结构进行精细化定量表征,获得了低频机械振动作用下煤粒孔隙结构的演化特征,并结合断裂力学相关理论分析了其演化机理;然后,对不同粒径和不同吸附平衡压力的颗粒煤开展了不同频率机械振动条件下的瓦斯解吸实验,分析获得了颗粒煤受低频机械振动时的瓦斯解吸扩散特性及其影响机理;最后,从能量守恒的角度分析了低频机械振动作用下瓦斯解吸产生的瓦斯膨胀能对突出的作用,从瓦斯能量角度阐明了振动诱导和激发突出的原因。同时,分析了低频机械振动对区域突出预测采用的钻屑法直接测定瓦斯含量结果可靠性的影响。主要的结论与认识如下:（1）低频机械振动整体上促进了煤中孔隙的发育,导致煤中孔隙的孔容和比表面积增大。低频机械振动对粒煤中小孔和微孔的孔隙形态和孔隙连通性影响不明显,但导致粒煤孔隙率增大,孔隙通道迂曲度降低,孔隙通道更加平直,有利于瓦斯的扩散运移。煤中大孔和微孔孔隙结构受机械振动影响的程度高于中孔和小孔。（2）煤中孔隙结构具有显著的单重分形和多重分形特征。低频机械振动对煤中孔隙分布的局部密集程度、异质性、空间复杂程度、表面粗糙程度都有明显影响。低频机械振动整体上导致煤中大孔和中孔的复杂程度和表面粗糙程度增大;导致小孔和微孔的空间复杂程度增大和表面粗糙程度降低;整体上导致煤粒大孔的局部集中程度、孔隙异质性降低;导致中孔的分布波动性增大、异质性增强。虽然粒煤小孔和微孔分布的非均质性和局部密集程度、局部差异性受机械振动影响较大,但并未呈现出统一的规律。多重分形Hurst指数表明,低频机械振动对煤中孔隙连通性虽有影响但不显著,且不同种类颗粒煤的不同尺度孔隙的连通性变化存在较大差异。（3）根据断裂力学相关理论,在周期性的机械振动应力作用下,煤体中已有裂隙和孔隙尖端的应力强度因子增加,更容易达到断裂准则,促使裂隙和孔隙的进一步拓展和发育;同时,煤中实体骨架也会随之变形和断裂,从而引起孔裂隙体积、连通性、孔隙开闭状态等特征的变化。（4）低频机械振动增强了粒煤中瓦斯的解吸扩散能力。受振动粒煤的瓦斯解吸量、解吸率、解吸速度、初始瓦斯扩散系数D0、初始有效扩散系数De均大于不振动煤样,且整体上均随着振动频率的增大而增大,但存在某特征频率导致煤粒受振动时解吸扩散能力突增。整个扩散过程中,相同时刻受振动煤样的瓦斯扩散系数始终大于不振动煤样。（5）低频机械振动导致煤中孔隙孔容增大、大孔和中孔的连通性增大,孔径分布集中程度降低等变化特征,都有利于瓦斯的解吸扩散。另外,低频机械振动对瓦斯分子的“摩擦”和“甩脱”作用、机械振动过程中的能量转化、机械振动过程中的“摩擦带电”效应、机械振动对煤粒产生的损伤破碎作用均能影响瓦斯的解吸和扩散运移。机械振动导致煤中瓦斯解吸扩散能力的提升是以上因素的耦合叠加效果。（6）煤样暴露阶段受振动影响时的实际瓦斯损失量显著大于不受振动煤样;利用t法和幂函数法计算得到的瓦斯损失量与实际损失量之间的误差率,暴露阶段振动煤样显著大于不受振动影响时的误差率。煤样暴露阶段受振动影响会导致瓦斯含量损失量计算产生较大误差,测定结果的准确性和可靠性降低,给区域突出预测指标的确定带来较大误差。（7）低频机械振动提高了颗粒煤初始瓦斯解吸量的占比,增大了瓦斯膨胀能,提高了瓦斯对煤体的输运能力,瓦斯膨胀能整体上随着振动频率的增大而增大。受振动颗粒煤比不受振动时具有更大的突出临界平均粒径,且临界粒径随着振动频率的增大而增大。低频机械振动作用下颗粒煤具备在更大粒径下激发突出且能满足输运煤体所需解吸速度的要求。图[78]表[37]参[207]
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