含瓦斯煤解吸过程红外热像特征及热动力学效应研究

The working face temperature would change when coal and gas outburst. Based on the academic thought, the applicant, break through the traditional ideas that to predict gas outburst based on the traditional forecasting index, put forward to research on the mechanism of infrared radiation signal characteristics and thermal dynamic effect of coal-gas desorption process from the gas power disaster essentially of coal temperature change that leaded by mining stress disturbance induced gas desorption. The main research contents include design and machine high pressure non-metallic gas adsorption cylinders which contain Ge single crystal, establish and perfect the experiment system of infrared radiation measurement, observat the coal surface thermal infrared images of gas desorption diffusion dynamic process with infrared thermal imager, deal with infrared thermography with SAT software and Hilbert-Huang analysis, quantitative analyze the Infrared radiation signal characteristics of gas desorption process under different conditions and get the temperature field change rule. The microscopic mechanism of gas desorped in coal was researched using the surface physical chemistry, engineering thermodynamics and heat transfer combined with the experimental result. The effect of adsorbed and free gas in gas outburst process and the effect on the temperature field of coal surface change in gas outburst process were analyzed. The research results can provide theoretical basis and technical means for reveal the coal and gas outburst mechanism and real-time dynamic forecast on face gas outburst dynamic disaster.

煤与瓦斯突出时工作面会产生温度变化。基于上述学术思想，申请者突破以传统预测指标为依据进行瓦斯突出预测的传统思路，提出从开采应力扰动诱发瓦斯解吸导致煤体温度变化的瓦斯动力灾害本质出发，应用红外热像技术对含瓦斯煤解吸过程红外热像特征及热动力学效应进行研究。主要研究内容有：设计加工含有锗单晶的高压非金属瓦斯吸附缸，建立完善瓦斯解吸过程红外辐射测试实验系统；应用红外热像仪测量得到瓦斯解吸扩散动态过程的煤体表面红外热像图，采用SAT软件及希尔伯特黄分析对红外热像图进行解读，定量分析瓦斯解吸过程红外辐射信号特征及煤体表面温度场变化规律；结合实验结果，利用表面物理化学、工程热力学、传热学等理论深入研究煤体瓦斯解吸的微观机理；分析瓦斯突出过程吸附和游离瓦斯的作用，以及突出过程瓦斯解吸对煤体表面温度场的影响。研究成果可为瓦斯突出机理的揭示及工作面瓦斯突出动力灾害的实时动态预测提供理论基础与技术手段。

随着煤矿开采水平的进一步延伸，煤与瓦斯突出的强度和频率会继续增大，不但突出矿井的数目急剧增加，突出发生的次数也更加频繁。煤与瓦斯突出过程常伴随有温度异常现象的产生，对这些现象的产生以及在煤与瓦斯突出过程中的作用的研究对预测预报煤与瓦斯突出是很有必要的。.采用理论分析与实验研究相结合的方法对不同条件下含瓦斯煤解吸过程温度变化规律进行了实验研究。研究结果表明：煤体瓦斯解吸过程为吸热过程，其温度变化的幅度与煤的变质程度、瓦斯吸附平衡压力、煤的粒径等条件相关，温度变化曲线符合指数函数。对煤体瓦斯解吸过程进行了热力学与能量耗散规律分析，建立了煤体瓦斯解吸过程温度—解吸量模型；对多变指数进行了理论计算，建立了基于修正的多变指数的煤体瓦斯解吸过程温度变化模型。论文的研究结果将为应用煤体温度进行矿井工作面煤与瓦斯突出的预测及诊断提供理论及实验基础，对煤与瓦斯突出的预测预报具有重要的意义。.一、 不同条件下瓦斯气体在煤体中的吸附解吸规律.开展不同条件下含瓦斯煤吸附解吸实验，并应用红外热像仪进行解吸动态过程的红外辐射信号测量，得到表达煤体表面温度场的红外热像图。研究不同条件下瓦斯气体在煤体中的吸附解吸规律与特征。.二、 含瓦斯煤解吸过程红外热像特征.对实验所得红外热像图进行解读与测量，研究不同条件下含瓦斯煤解吸过程红外热像特征，定量分析解吸动态过程煤体红外辐射规律及其表面温度场的变化规律；.三、 含瓦斯煤解吸动态过程能量耗散规律及热动力学效应.结合实验结果，应用工程热力学、传热学、流体力学等理论对含瓦斯煤解吸过程的能量耗散规律与热动力学效应规律进行分析，在基于瓦斯解吸方程的基础上建立含瓦斯煤解吸过程温度—解吸量模型与含瓦斯煤解吸过程热动力学效应模型；分析瓦斯突出过程中瓦斯对温度场变化的作用，为揭示煤与瓦斯突出机理和应用煤体温度进行工作面煤与瓦斯突出预测预报提供理论基础及技术手段。