冲击和振动

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技术、研究和前景深部开采的煤岩动力灾害

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体积2021年| 文章的ID5587592| https://doi.org/10.1155/2021/5587592

机械振动的影响与不同频率在贫煤孔隙结构和分形特征

Maoliang沈 ,¹ Xuexi陈 ,² 和永许 ³

学术编辑器: 以便Lallart

收到了 2021年2月18日

接受 2021年9月03

发表 2021年9月22日

文摘

机械振动引起的地下操作可以很容易地导致煤矿煤与瓦斯爆发。我们设计使用MVGAD-I实验平台,原煤(0 Hz)是处理振动频率的25岁,50岁,75年,和100赫兹,煤样品用不同的频率振动。总孔隙体积(冠捷)、比表面积(SSA),孔隙大小分布,孔隙分形维数(PFD)五个煤炭样本分析汞入侵porosimetry和低压氮吸附数据。我们发现冠捷、SSA和PFD的煤样品波动随着振动频率的增加。冠捷的变化和SSA的煤炭样本接受25和75赫兹振动明显大于那些受振动的50和100赫兹。与原煤(0 Hz)相比,大孔隙的冠捷和SSA,中孔和微孔隙增加了大多数在75 Hz振动煤炭样本。因此,75 Hz振动激励可以提高身体的渗透率的煤炭质量和有利于煤层气的扩散和渗流及其生产. .冠捷25 Hz振动的影响,SSA大孔隙和中孔不明显,但冠捷和SSA minipores和微孔隙明显减少,不利于气体扩散和吸附。此外,25和75赫兹振动明显受损的中孔和微孔隙的分形特征,导致气体吸附和扩散能力的变化。合理使用一个75 Hz的振动有利于天然气的生产和预防爆发,而25 Hz应避免振动。 The results are expected to reveal the microscopic mechanism of a vibration-induced outburst and provide theoretical guidance for employing the appropriate frequency of vibration to improve the rate of gas drainage and reduce the risk of outbursts.

1。介绍

煤炭和天然气爆发的主要灾害之一,威胁着煤矿的安全生产(1- - - - - -3]。在记录突发事故,绝大多数是由“小扰动”,反过来,在矿山、隧道和爆破产生的钻井(4- - - - - -9]。这些“小扰动”通常为气体解吸提供能源,煤炭的粉碎,弹射的气固混合物在不同频率振动的形式(氟乙烯)[10]。作为一种复杂的多孔介质,煤双孔隙度系统,影响气体的吸附和扩散在煤和煤的力学性能11- - - - - -14]。通常,煤和天然气爆发发生在区域已经被构造作用,然后在这些地区煤炭的身体特征和皱巴巴的了(15]。“小扰动”引起的振动可能导致煤的孔隙结构的变化,对其磁导率有重要影响,煤强度、弹性模量、气体吸附和扩散16- - - - - -20.]。因此,研究振动如何影响具有重要意义在煤孔隙和裂缝的发展揭示了“小扰动”的微观机理,影响煤的不稳定岩石和煤层的气体吸附和扩散特征。

目前,一些学者进行了研究振动造成的影响“小扰动”在煤炭和天然气的储存和运输煤的渗透率和力学性能。李等人。5]得出振动可以减少煤炭吸收气体的能力,但没有考虑振动频率造成的差异在他们的研究。此外,一些学者以振动频率为重要参数进行气体在煤的吸附和解吸实验。李等人。7,21,22)得出结论:0∼30赫兹的低频机械振动是不利于煤炭和天然气的吸附和解吸将减少煤的渗透率和阻碍气体扩散和渗流。换句话说,频率越高,越会引起当地爆发的可能性。相比之下,陈等人。23)得出结论,影响剪切力和热的30 - 100 Hz机械振动在气体分子可以促进气体解吸和扩散。而影响煤吸附和解吸能力的气体,产生的应力波振动还可以加快发展煤岩体内部裂缝,导致煤岩的渗透性增加(24- - - - - -26),磁导率随频率的增加呈指数增长(27]。此外,从断裂力学的角度来看,李et al。5)断言,振动将扩大裂缝在煤体内,形成大面积裂纹,这将减少煤炭的身体的力量,反过来,将更容易不稳定,从而增加爆发的风险。与此同时,任和锅等。28- - - - - -30.)还发现,当初始应力水平达到某个临界状态,振动有明显的开裂影响煤的身体,身体的抗压强度和弹性模量的煤炭显著减少。此外,李和太阳等。31日,32)认为,煤和岩石的强迫振动频率越接近自然振动频率,煤岩体将越有可能被破坏,因此,变得不稳定。有一些研究在毛孔的大小的进化从微-纳米pores-caused coal-ranging振动。然而,南和微尺度孔隙和裂缝也直接关系到气体解吸和扩散的煤和煤的力学性能(16,33,34]。因此,有必要描述pore-fracture演化的过程与氟乙烯煤定量的范围从微-纳米孔的大小。

到目前为止,定性和定量的方法表征煤的孔隙结构包括汞入侵porosimetry (MIP)、低压氮气吸附(LPNA),扫描电子显微镜(SEM)、核磁共振(NMR)和小角x射线散射(35- - - - - -39]。研究人员通常使用的表征方法的组合MIP和LPNA测试分析微观和纳米孔和骨折的特点(14,37,40- - - - - -42),然后分析不同pore-fracture特征对吸附的影响,解吸和扩散的气体在煤43,44]。

分形几何是一个强大的工具来定量描述孔隙和裂隙的形态煤样品(20.,42,45]。煤的分形特征也影响吸附的重要因素之一,解吸和扩散的气体在煤基质(13,37,46]。振动对煤样的pore-fracture结构将不可避免地导致的表面形态特征的变化pore-fractures [38,47]。然而,一些研究利用分形几何来定量描述的复杂性pore-fracture煤炭样本在氟乙烯的表面形态。

基于现有研究的缺陷,我们选择了构造煤的突出危险煤层为研究对象,用MIP和LPNA定量描述的方法的总孔隙体积(冠捷)、比表面积(SSA)和孔隙大小分布(PSD)的煤样在氟乙烯。基于门格尔和Frenkel-Halsey-Hill (FHH)模型,孔隙的分形维数与计算得到的不同的孔隙大小在氟乙烯MIP和LPNA数据。,为了揭示振动影响透气性和扩散机制的煤炭,本研究深入探讨了煤炭样品的孔隙结构的进化特征引起的振动是由“小扰动引起的。“这深深理解中起着重要的作用的机理天然气储运煤和煤的力学改变振动的影响下,为实施工程措施提供理论指导与不同的振动频率降低煤与瓦斯突出事故。

2。材料和方法

MVGAD-I实验装置设计准备煤与氟乙烯样品。煤的孔隙和裂缝分布特征样本定量的特点是高压压汞和低温液氮吸附。煤样的孔隙分形维数是分形理论计算结合MIP和LPNA数据。本研究的流程图如图1。

2.1。煤炭样品的描述

收集实验中使用的煤样在Wangxingzhuang煤矿15021工作面在河南省。煤炭样本属于贫煤的特点是柔软和破碎。根据标准GB / T23561.1∼200948,49),新鲜煤工作面采集标本;运送到实验室;筛选,0.25∼0.5毫米煤样品;干在真空中45°C 8 h;实验样品准备,1500克。煤炭样品的准备后,在不同的频率进行振动实验。然后,煤炭样本分为五部分,每200克;剩下的煤炭样本保留;和所有煤炭样本密封。

2.2。设备

MVGAD-I实验设备,可进行气体吸附和解吸实验在不同的振动条件下(频率和振幅),在实验室独立设计。平台是由天然气供应子系统,真空脱气子系统,等温adsorption-desorption子系统,机械振动发电子系统、数据采集子系统。原理图如图2。

设备振动激励不仅可以适用于煤炭样本还开展气体吸附和解吸实验煤样在振动条件下在一个恒定的温度。它具有以下特点:(1)振动条件下可调。设备采用HX / ZD-TF电磁振动台和一个可调振动频率(0∼600 Hz)和振幅(0∼5毫米)。(2)数据自动测量和采集:设备可以实时测量并收集温度(精度小于0.5%)和压力(精度小于0.5%)和气体流量和速度(精度小于0.5%)。(3)温度可控。温度控制(10∼75°C)在一个恒定的温度是通过实现一个自动加热带和隔热层。

2.3。振动激发实验煤样

煤矿现场的振动频率范围造成的“小扰动,如爆破、钻孔、煤炭切割希勒,隧道,是5∼100赫兹(6,50,51]。描述的影响氟乙烯冠捷,SSA,和PSD的煤样品,机械振动的频率0,25、50、75和100赫兹被选煤样品振动实验。

在实验之前,振动频率(0∼100 Hz)和振幅(1毫米)设定的控制面板,和停电后的参数设置。然后,我们把煤样质量的100 g后真空干燥煤样罐,打开电源进行不同频率的振动测试煤样品,并设置振动时间20分钟。最后,在不同频率下振动,煤炭样本倒出的煤样罐放入一个密封袋,密封保存,进行孔隙和裂缝表征实验。

2.4。米兰理工大学管理学院

根据ISO 15901∼1: 2005 (PSD和坚固的材料的孔隙度汞孔隙度仪和方法吸附,第1部分:汞孔隙仪)(48,49),为9500年第四MicroAutoPore汞入侵工具(测试光圈范围d> 3海里,水银注入压力0.1∼413.05 MPa)被用来进行煤炭的MIP测试样本的频率0赫兹(S₀),25 Hz (S₂₅),50赫兹(S₅₀),75赫兹(S_75年)和100赫兹(S_{One hundred.}),分别获得冠捷,SSA和PSD pore-fissures数据。

的分形维数D₁煤中孔隙的计算公式(1根据压汞数据)和使用门格尔模型和热力学方法20.,37,47]: 在哪里V_p代表累积注入量在给定压力P, mL / g;P代表了绝对的注射压力,MPa;和D₁代表孔隙的分形维数。

2.5。LPNA

根据标准IOS15901∼3: 2007 (PSD和孔隙度的固体材料的汞吸附和气体吸附,第3部分:分析气体吸附的作用[15,49),为尽快MicroActive软件2460仪器被用来证实氟乙烯煤的孔隙结构特征样本的温度77 K和相对压力(P/P⁰0.01∼0.99)。仪器的孔径测试范围为1.3∼300海里。密度泛函理论(DFT)应用于量化adsorption-desorption等温线,冠捷,SSA和PSD minipores和作用进行了分析。

目前,FHH分形模型广泛应用于计算LPNA的吸附数据和获取孔隙分形维数20.,37,42]: 在哪里P代表了平衡压力,MPa;P₀代表了甲烷气体的饱和压力,MPa;V代表体积平衡吸附气体的压力p,cm³/ g;C代表一个常数;一个双对数曲线的斜率代表ln V和ln (ln (P⁰/P))。

到目前为止,煤样的孔隙分形维数可以获得通过使用公式(3)和(4)基于FHH模型计算LPNA数据(20.,46]: 在哪里D₂分形维数。

在中低压力地区(P/P⁰< 0.5),毛孔吸附界面和之间的主力N₂是范德华力(VDWF)。公式(3)代表之间的关系D₂和一个。在实验高压区域(P/P⁰≥0.5),煤孔隙发生毛细凝聚、吸附机制的变化,和之间的关系D₂和一个同步变化,满足公式(4)。大部分的D₂值通过公式(3)小于2,这违反了煤孔隙的分形维数的几何意义;也就是说,D₂应该在2和3之间(37,52]。相对而言,D₂通过公式(4)有实际的几何意义。因此,FHH煤样孔隙的分形维数(d一致通过公式(< 100海里)4)[42]。

3所示。结果与讨论

根据博Hotdot孔径分类系统,煤基质孔隙可分为四类:微孔孔径d< 10 nm), minipore (10 nm <d< 100海里),中孔(100 nm <d< 1000海里),和大孔隙(d(> 1000海里)37]。其中,minipores和微孔隙的主要存储空间提供气体吸附,而大孔隙和中孔将提供气体扩散的主要路径和流体流动37,46]。

3.1。MIP结果煤样不同的振动频率

图3显示了煤炭的MIP入侵和挤压曲线和样品在不同频率振动。当水银注入压力低于0.1 MPa (D≈10000海里)、汞主要渗透晶间孔(52),当水星注射压力大于10 MPa (D≈120海里),煤炭矩阵压缩和变形导致孔隙损伤(42]。因此,MIP主要用于分析中孔的结构特点和大孔隙。

之间有一个明显的磁滞回线的MIP入侵和挤压曲线氟乙烯煤炭样本。磁滞回线的形成的可能原因是不同的接触角之间的煤中汞入侵和挤压,汞和存在的一个“瓶颈”洞煤(49]。此外,水星侵入形成的磁滞回线和挤压曲线反映了pore-fracture网络结构的连接(34]。广泛的滞后循环显示良好的孔隙连通性。与原煤样相比,磁滞环的宽度_75年显著增加,这表明75 Hz的pore-fracture结构振动引起的煤样扩张和发展,然后提升的最大增加连接。除了年代_75年没有明显的变化,煤炭样品的磁滞回线的宽度,这表明孔隙连通性变化不大。

图3表明氟乙烯的总汞侵入体积煤样品先增加然后随振动频率的增加而减小。在高378.89 MPa的压力,最大的汞入侵的年代₀,年代₂₅,年代₅₀,年代_75年,年代_{One hundred.}0.0587 ml / g、0.0621 ml / g, 0.0627 ml / g、0.0629 ml / g,分别和0.0596 ml / g。年代_75年是最大和年代₀最低量。相比之下,年代₀,年代_75年水星侵入体积增加了7.16%。原因有两种可能的振动引起的压汞体积的增加。首先,当振幅是常数,频率越大,越大的振动加速度和力煤炭矩阵(21,22]。煤炭矩阵是摧毁,由于机械挤压变形,导致孔隙和微裂隙的扩张和发展。第二,振动频率的增加使煤颗粒之间的碰撞的数量增加,导致微裂隙的扩展和发展煤炭颗粒表面。最大的孔隙体积的原因_75年的振动频率75赫兹接近原煤的固有频率,然后发生共振。四频振动煤样品,S的孔隙体积_{One hundred.}是最低,这可能是由于煤炭的毁灭和崩溃的骨架矩阵由于巨大的挤压应力,和一些孔隙通道受阻。

图4显示了PSD的大孔隙和中孔氟乙烯煤样品先增加然后减少孔隙大小的减少。随着振动频率的增加,大孔隙的体积先增加然后减少,年代的价值_75年的值是最大的,年代₀是最低的;中孔的体积显示了一个波浪首次下降的趋势,然后增加,之后随振动频率的增加,年代的价值_75年的值是最大的,年代₂₅是最低的。大孔隙的总量的变化范围与振动频率明显比中孔。相比之下,年代₀,大孔隙体积的年代_75年拥有最大的增加,达到25.44%。并与年代₀,中孔体积的年代₂₅减少了2.33%,中孔体积的年代_75年增加8.78%。振动的影响大孔隙的总量明显强于中孔,和75赫兹振动的影响大孔隙的总量和中孔是最重要的。歌等。24- - - - - -26使用CT扫描技术来得出结论,振动促进煤岩裂缝的扩张和新裂缝的发展,导致渗透率增加。这一结论也证明了上面的结果,在某种程度上。

孔隙大小的减少,PSD的煤样品先增加然后减少(图4)。在2000∼10000海里的范围,振动煤样的孔隙大小分布明显不同于原始煤样。相比之下,年代₀孔隙体积的年代₂₅,年代₅₀,年代_75年,年代_{One hundred.}增加了14.43%,19.99%,36.36%,和21.32%,分别。结果表明,振动导致孔隙大小的增加在2000∼10000海里的范围;除了75 Hz振动,振动频率越高,孔隙体积的增加越明显。在800∼2000海里的范围,五个煤样的PSD是接近,这表明振动在孔隙大小的影响不明显。相比之下,年代₀孔隙体积的年代₂₅,年代₅₀,年代_75年,年代_{One hundred.}分别增加了6.45%、10.47%和1.13%,在100 - 800纳米的范围,但孔隙体积的年代₂₅下降了1.96%。25 - 100 Hz振动对中孔的体积影响甚微的孔隙大小范围100∼800海里。振动在75赫兹对中孔体积在这个范围内产生重大影响。这个孔隙大小范围内,与孔隙大小的减少,煤的孔隙大小分布和样品不同频率波动很大程度上与原煤样品相比,显示出一个和multipeak分布。这表明振动有很大影响的孔隙大小分布在这个范围内。年代的孔隙大小分布₅₀和S_{One hundred.}明显波动。并与年代₀孔隙体积微分的年代₅₀显著增加为226.88 nm, 433.44 nm,和676.43 nm,孔隙体积的分化_{One hundred.}在151.08和283.81 nm显著增加。的孔隙体积分布_75年增加与减少孔隙大小均匀,孔隙体积差为151.17 nm明显大于其他煤炭样本。这表明共振对煤孔隙结构的影响更加明显。PSD的年代₂₅是最均匀,没有大的波动。然而,孔隙大小的年代₂₅减少100∼800海里的范围由于25 Hz振动。

有两个原因的影响振动的PSD和冠捷变化大孔隙和中孔煤样品。首先,周期性振动所产生的挤压应力使煤基质骨架antiextrusion较弱的部分能力崩溃或骨折,和孔隙体积减少由于煤基质骨架的崩溃阻塞毛孔。同时,孔隙体积增加由于孔隙的扩张和发展造成的骨折骨折煤炭矩阵的骨架。其次,矩阵毛孔挤压是由于变形引起的煤基质骨架的一部分周期性的挤压应力,导致孔隙表面的凸起或抑郁。振动频率越大,挤压压力越强的煤炭矩阵(22),因此,煤炭矩阵框架的变形和破坏的可能性更大。当振动条件共鸣煤试样的固有频率,振动最强的影响煤的破坏和变形矩阵框架(29日]。煤孔隙结构的变化引起的振动是由叠加引起的崩溃和骨折的煤基质骨架和一些地区的凹凸变形,最终导致大孔隙的孔径的增加,中孔,然后增加煤层的渗透率。

PSD和冠捷煤炭样本变化由于振动,这不可避免地导致孔隙SSA的变化。图5显示大孔隙的分布和中孔SSA的氟乙烯煤炭样本。

图5表明,中孔的总SSA远远大于大孔隙。随着振动频率的增加,中孔的SSA先降低,然后增加,然后降低。SSA的年代₂₅的年代相比下降了1.95%₀,年代_75年的年代相比增加了13.16%₀。大孔隙的SSA先增加,然后随着振动频率的增加减少。相比之下,年代₀,总比表面积大孔隙的年代_75年改变最多,达到了16.72%。从变化的角度量,振动的影响大孔隙的SSA大于中孔。上面的结果是一致的大孔隙的总量的变化趋势,在图中孔4。由于孔隙体积增加,相应的孔隙比表面积增加。

孔隙SSA分布在图5显示所有煤样的孔隙比表面积微分随孔径的减小。微分大孔隙比表面积的增长缓慢,和比表面积的值在0和0.01之间²/ g。中孔比表面积的微分增长迅速;SSA的年代₂₅在这一地区增加均匀;和S_50岁,年代_75年,年代_{One hundred.}的过程中增加该地区显示不同程度的波动。波动范围所有煤样的孔隙比表面积分布基本上是一致的,在图4。振动导致孔隙体积和孔隙表面形态的变化。煤基质骨架的变形和破坏导致孔隙凸变形或崩溃,比表面积的大小变化。此外,振动可能导致剥离或剥落的矿物质附着在孔隙表面,导致比表面积的变化。

振动的影响在冠捷、SSA和PSD的大孔隙和中孔煤样品将不可避免地导致孔隙和裂缝的表面形态特征的变化。分形几何是一种强大的定量表达方法,因此分形维数来定量描述其表面形态。大孔隙的分形维度和中孔被定义为D₁₁和D₁₂分别如图9。

3.2。LPNA结果不同振动频率煤炭样本

LPNA的孔隙测量范围是1.3∼300海里,这是常用的分析微孔隙和minipores [20.,34,42]。氟乙烯的吸附和解吸等温线煤炭样本是相似的形状和磁滞回路(图6)。根据磁滞回路(IUPAC分类40),所有煤炭样品的磁滞回路分为H3类型,表明有slit-like毛孔煤炭样本。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

0 <相对压力时P/P⁰< 0.45,吸附等温式增长缓慢(图6),这表明单层和多层吸附形成微孔隙和minipores。0.45 <相对压力时P/P⁰< 1时,气体分子的吸附能力增强是由于毛细凝聚。图6(d)表明,S_75年在较低的相对压力下煤样例呈现明显的滞后环,这可能是由于不可逆吸收气体分子之间的、不可逆的化学反应气体和孔隙表面,或由于存在一些安装孔(包括圆柱孔两端开放平毛孔有四个边平行)或瓶颈毛孔_75年(53]。75赫兹振动导致的增加的数量在煤样品打开毛孔。

图6显示所有煤样的吸附和解吸等温线分为两个区域P/P⁰≈0.45作为分割点,表明这两个区域的吸附机理是不同的。因此,在分形维度的分析,吸附和解吸等温线应该分为两个区域:0 <P/P⁰< < 0.45和0.45P/P⁰< 1,这两个地区的分形维度定义为D₂₁和D₂₂,分别。DFT方法是一种强大的工具获取微孔隙的分布特点和使用LPNA minipores数据(20.,49]。探索与不同频率振动的影响在冠捷和SSA的微孔隙和minipores煤样品,PSD和孔隙SSA分布1.3∼100海里绘制,如图7和8。

图7表明,S的孔隙体积₀,年代₂₅,年代₅₀,年代_75年,和S_{One hundred.}由minipores主导,也反映在minipores和微孔隙的孔隙体积分布曲线。相比之下,年代₀,minipores体积的年代₂₅下降最显著,达到了13.71%。minipores体积的年代₅₀略低于的年代吗₀。然而,相比之下,S₀,minipores体积的年代_75年和S_{One hundred.}并没有显著改变。相比之下,年代₀的微孔隙体积_75年增加了157%,S₂₅下降了10.21%。结果表明,一个75 Hz的振动有明显的扩张效应微孔隙,孔隙的大小增加,和气体吸附空间增加,而25 Hz振动导致的减少微孔体积和气体吸附空间。振动的影响作用大于minipores。25赫兹的低频振动产生较小的挤压应力,和煤基质骨架的变形和破坏主要导致孔挤压和堵塞和减少孔隙体积;75赫兹振动共鸣煤炭矩阵,从而导致的严重变形和破坏煤基质骨架和促进作用的扩张和发展。

与孔隙大小的减少,五个煤样的孔隙体积分布曲线的范围1.3∼100海里先降低,然后增加,然后降低。孔隙大小的减少,PSD的年代₀,年代₅₀,年代_{One hundred.}相似,这表明很少有50到100 Hz振动对PSD的微孔隙和毛孔。然而,PSD的年代₂₅和S_75年显然是不同于其他煤炭样本,这表明25和75赫兹在PSD有很大的影响。在8∼100海里的范围和1.3∼3 nm,孔隙体积微分的年代₂₅很明显小于其他煤炭样本,这表明孔隙体积和孔隙大小的年代吗₂₅减少振动下25 Hz。然而,当孔隙大小在1.3∼30 nm,孔隙体积微分的年代_75年明显大于其他煤炭样本,这意味着一个75 Hz的振动导致孔隙大小的增加和扩张的效果是显而易见的。可能的原因如下:第一,75 Hz振动共鸣煤炭矩阵,从而导致的严重变形和破坏煤基质骨架,这样毛孔小孔隙大小的一些开发和扩展到毛孔较大的孔隙大小,而25 Hz的振动主要是导致煤的变形矩阵,从而挤压小洞和微孔隙。上述结果表明,体积和孔隙大小显著降低振动频率时25赫兹,但孔隙大小和体积增加在75 Hz的振动。

图8表明孔隙(1.3∼100海里)SSA的氟乙烯煤炭样本是由微孔隙。随着频率的增加,总minipores SSA和微孔隙减少,然后增加,然后降低。总minipores SSA的年代₂₅,年代₅₀,年代_{One hundred.}分别下降了17.23%、6.30%和1.26%,与之相比₀,年代_75年增加了9.24%。相比之下,年代₀,总作用SSA的年代_75年和S₅₀分别增加了76.74%和2.71%,而年代_{One hundred.}和S₂₅分别下降了2.71%和24.22%。25 Hz振动显著减少的总SSA微孔隙和minipores,虽然75赫兹的频率显著增加的总SSA微孔隙和minipores。

从SSA分布曲线可以看出,所有煤样的minipore SSA大致分布在0.003∼0.015米的范围²与孔隙大小的减少/ g,变化不明显(图8)。的minipores SSA分布₀,年代₂₅,年代₅₀,年代_{One hundred.}第一次略有增加,然后慢慢减少孔隙大小的减少;的minipores SSA分布_75年逐渐增加孔径的减小。然而,SSA微分作用降低,然后增加的孔隙大小减少。的微孔隙SSA分布₂₅和S_75年显然是不同于其他煤炭样本。的微孔隙SSA分布_75年增加缓慢,然后迅速的减少孔隙大小,然后迅速达到峰值后降低约2.5纳米。此外,SSA微分的年代_75年2∼10 nm范围明显大于其他煤炭样本。年代的SSA微分₂₅3∼10 nm范围接近的年代₀,年代₅₀,年代_{One hundred.},但没有明显的改变。然而,在1.3∼3海里的范围,SSA微分的年代₂₅明显低于其他煤炭样本。

根据上述结果,我们可以得出这样的结论:振动的影响作用大于minipores。其中,一个75 Hz的振动显著增加了冠捷和SSA微孔隙,导致气体吸附空间的增加。然而,冠捷和SSA minipores和微孔隙气体存储空间减少由于25 Hz振动,在一定程度上解释了为什么低频振动抑制气体吸附(7]。

3.3。孔隙和裂缝的分形维氟乙烯煤炭样本

基于MIP和LPNA数据,分形维度D₁₁,D₁₂和D₂₁,D₂₂计算公式(1)和(4),分别。分形维数越大,孔隙结构越复杂,粗糙,孔隙表面(20.,39,42,43]。

3.3.1。基于MIP的中孔和大孔隙的分形维度

数据9(一个)- - - - - -9 (e)表明,分形维度D₁₁和D₁₂有良好的拟合,R²值0.93275∼0.97352和0.88237∼0.94406,分别。氟乙烯煤样的孔隙结构在试验范围内具有显著的分形特征。MIP的分形曲线数据的所有煤炭样本显然是由两个点分成三个部分:一个点附近lnP = 1和相应的孔隙大小范围约433.4∼435.4海里;lnP = 4附近的其他点和相应的孔隙大小范围约26.31∼26.33海里。当inp > 4,压汞数据是离散的,这可能是由于高汞入侵失败导致煤炭矩阵变形和孔隙压力。和高压压汞测量的压力由MIP压缩孔矩阵,从而导致实验结果错误。因此,高压部分的数据不能用于获得分形维度(34]。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

3.3.2。基于LPNA Minipores和微孔隙的分形维数的结果

数据10 ()- - - - - -10 (e)表明,分形维度D₂₁和D₂₂有良好的拟合,R²值是0.97739∼0.99852和0.94367∼0.97162,分别。氟乙烯煤样的孔隙结构具有明显的分形特征在整个范围的相对压力测量。所有煤炭样品的分形曲线LPNA,分为两个地区对ln (lnP / P⁰))= - 0.225 (P / P⁰= 0.45),孔隙大小和相应的转折点是在3.52∼3.69纳米的范围。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

从图可以看出10 (f)随着振动频率的增加,D₂₁提出了一种“M”形波动趋势,先增加,然后下降,增加后,最后将逐渐减弱,而D₂₂提出了一个“W”波动趋势相反D₂₁。的价值D₂₁在一个小范围的波动2.589∼2.663D₂₁价值的年代₀是最小的,D₂₁价值的年代_75年是最大的。这表明,振动导致毛孔表面形态(3.5∼100海里)是复杂的,但收效甚微。的值D₂₂在大范围从2.106到2.473,波动D₂₂价值的年代_75年是最小的,D₂₂价值的年代₀是最大的;它表明,振动引起的表面微孔隙与孔隙大小小于3.5 nm流畅,和25和75赫兹振动可以极大地损害作用的表面形态与孔隙大小小于3.5纳米。的变化范围D₂₁显然是比小一点的吗D₂₂,表明振动更重要影响作用的表面形态复杂性与孔隙大小小于3.5纳米。

有三个主要原因的破坏引起的振动孔隙表面形态特征:首先,煤炭矩阵变形引起的振动会导致孔隙表面的凹凸变形在不同孔隙大小范围;第二,煤基质损害引起的振动会引起孔隙在不同孔隙大小范围内发展和扩张;第三,振动导致松动,脱落,脱落的矿物质附着在孔隙表面。

3.4。分析影响气体扩散和流在氟乙烯煤炭样本与孔隙结构的变化

75赫兹振动增加了冠捷和微孔隙和minipores SSA,所以气体的吸附和扩散空间增加,孔隙表面和气体浓度的增加,这有利于气体的迁移沿孔壁向中孔和大孔隙。此外,增加的D₂₁也表明,扩散路径和他们的表面是更复杂的,和扩散路径数量的增加。冠捷的增加和SSA大孔隙和中孔直径和气体扩散的路径数量增加到外面的环境,这有利于气体扩散和流动的外部环境。的增加D₁₁值表明,大孔隙和表面更复杂,气体扩散的路径增加,孔隙连通性增强。的减少D₁₂值表示,中孔表面平滑,更直,和大孔隙的气体流动阻力降低。因此,75 Hz振动有利于生产的气体在煤层和有助于增加气体萃取率和预防煤和天然气爆发。

25 Hz振动导致冠捷的减少和SSA minipores和微孔隙,减少气体的吸附和扩散空间,孔隙表面气体浓度的减少,不利于气体扩散。增加大孔隙的冠捷和SSA,自由气体很容易由一个较大的解吸初始速度。减少间隙孔的冠捷和SSA意味着大孔隙气体的流动路径是减少和路径是缩小,这不是大孔隙有利于气体的扩散和外部环境。的增加D₁₂值还表明,中孔的复杂性增加,气体的流动路径的大孔隙更曲折。电阻的自由气体从minipores流向中孔很大,这很容易在短时间内大量积累,导致当地的气体压力和浓度的增加。因此,25赫兹的低频振动不利于扩散和气体流动,这很容易导致当地煤气体累积,与当地诱导煤与瓦斯突出的风险。

4所示。结论

本文突出煤层中的贫煤为研究对象,和五个振动频率(0、25、50、75和100赫兹,分别)。基于MIP和LPNA数据,门格尔和FHH模型是用来定量描述孔隙表面形貌的分形特征,和分形维度记录D₁₁,D₁₂和D₂₁,D₂₂,分别。结论如下:(1)每个振动煤样例的总孔隙体积比的非\振动煤炭样本。振动的影响总孔隙体积和总比表面积大孔隙比的中孔。和振动使间隙孔的孔隙大小分布更为复杂。75赫兹振动提高孔隙连通性和大孔隙体积和比表面积的增加,中孔煤样品明显。(2)孔隙体积、比表面积和孔隙大小分布的微孔隙和minipores 25 - 75 Hz的振动影响。minipores的总量和比表面积和微孔隙减少振动频率时25 Hz。75赫兹振动主要导致微孔体积和比表面积的增加和气体吸附的增加空间。(3)振动导致煤中孔隙的分形维数的变化,煤中孔隙的复杂性与孔隙大小26∼433 nm和小于3.5 nm)显著变化。其中,25 - 75 Hz振动最明显的影响了煤孔隙的表面特征。(4)在煤孔隙结构的变化引起的振动导致气体扩散的路径和流动阻力和流量变化。在本文的研究中,75 Hz振动增加气体扩散和流动的路径,减少流动阻力,有利于气体的扩散和流煤。但25赫兹的低频振动增加气体的扩散阻力,导致气体的缩小和更曲折的流动路径。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢金融支持中国的国家自然科学基金(51574124)。他们感谢TopEdit (http://www.topeditsci.com)的语言帮助在准备这个手稿。

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