【摘要】：煤中氣體吸附擴(kuò)散行為的研究對于煤炭安全開采和溫室氣體減排具有重要意義。通過分析研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),由于煤中孔隙結(jié)構(gòu)表征手段的限制,無法獲得煤三維孔隙結(jié)構(gòu)的形貌和空間分布特征,這也就導(dǎo)致基于三維孔隙結(jié)構(gòu)對煤中氣體吸附擴(kuò)散行為的研究存在不足。本文探索了煤中三維孔隙結(jié)構(gòu)表征方法,綜合運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,基于煤三維孔隙結(jié)構(gòu)對氣體吸附擴(kuò)散行為開展了全面系統(tǒng)的研究。本文的研究目的是在應(yīng)用同步輻射納米CT獲得煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)研究氣體吸附擴(kuò)散行為,為了評估同步輻射納米CT表征孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢,本文首先探索了應(yīng)用核磁共振凍融方法表征煤中孔隙結(jié)構(gòu)的方法,核磁共振凍融方法可以直接從孔隙中液體體積與信號強(qiáng)度之間的線性關(guān)系及孔隙中被凍液體融點(diǎn)與孔尺寸的關(guān)系中獲得孔徑分布,并且核磁共振凍融從孔隙中被凍液體融化過程獲得孔隙信息,不受背景信號影響。由于在核磁共振凍融測試過程中溫度變化會影響煤樣和探頭的物理性質(zhì)進(jìn)而導(dǎo)致測得的信號強(qiáng)度與真實(shí)值發(fā)生偏差,我們研究了信號校準(zhǔn)方法。在掌握核磁共振凍融測孔的實(shí)驗(yàn)方法和信號強(qiáng)度校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上,應(yīng)用核磁共振凍融測試了六個不同變質(zhì)程度煤的孔徑分布并與低溫氮?dú)馕浇馕鼫y試結(jié)果進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)核磁共振凍融和低溫氮?dú)馕浇馕鼫y得的孔徑分布在變化趨勢上有很好的一致性,但是核磁共振凍融測得的孔體積高于低溫氮?dú)馕浇馕?通過分析發(fā)現(xiàn)低溫氮?dú)馕浇馕鼫y試中樣品干燥引起的孔隙收縮/塌陷是造成核磁共振凍融法測量的孔體積大于低溫氮?dú)馕浇馕闹饕颉T表征孔隙結(jié)構(gòu)區(qū)別與其他測孔方法的主要特點(diǎn)是可以獲得孔隙的三維結(jié)構(gòu),而這是研究煤中氣體吸附擴(kuò)散行為的基礎(chǔ)。由于實(shí)驗(yàn)室CT設(shè)備沒有單色光束也不能實(shí)現(xiàn)高X射線相干,無法獲得煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)。為了研究煤三維孔隙結(jié)構(gòu)特征,本文探索了應(yīng)用同步輻射納米CT實(shí)現(xiàn)煤納米尺度成像的實(shí)驗(yàn)方法和圖像處理方法,并實(shí)現(xiàn)了煤中不同組分(礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和孔隙)的分割。煤樣工業(yè)分析和CT圖像所測得的組分含量的一致性驗(yàn)證了本文圖像分割算法(類間方差最大(BCVM)算法)的合理性。在獲得煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對孔-喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分割,分析了煤中孔和喉的尺寸分布,也對孔隙結(jié)構(gòu)的連通性進(jìn)行了分析。同步輻射納米CT測得的孔徑分布與低溫氮?dú)馕浇馕秃舜殴舱駜鋈谶M(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)同步輻射納米CT在表征閉孔方面具有優(yōu)勢,但是在表征孔徑較小的孔隙時由于分辨率的限制存在不足。通過同步輻射納米CT的測量發(fā)現(xiàn)煤階相同的兩組煤樣孔喉尺寸分布相似。在獲得煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對定量表征孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性和孔隙各向異性的方法進(jìn)行了研究,提出了定量表征煤三維孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的新方法,該方法不受孔隙結(jié)構(gòu)測量方法和分割子塊數(shù)量的影響,LBM方法計算得到的三維孔隙結(jié)構(gòu)滲透率張量的特征值和特征向量可以定量表征煤三維孔隙結(jié)構(gòu)的各向異性。在獲得煤三維孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)分析了煤中單組分氣體吸附擴(kuò)散行為。在氣體吸附能力是在單位孔隙表面積的氣體吸附量的定義下,發(fā)現(xiàn)氣體吸附能力與煤的成分有關(guān),氣體吸附能力和灰分含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,而和鏡質(zhì)組含量存在正相關(guān)關(guān)系,這和前人的研究結(jié)果是一致的。解吸和吸附等溫線之間的遲滯程度與孔-喉結(jié)構(gòu)所占的比例有關(guān),孔-喉結(jié)構(gòu)所占的比例越大,遲滯越明顯�；诿旱娜S孔隙結(jié)構(gòu),也研究了氣體在煤中的擴(kuò)散行為,發(fā)現(xiàn)對氣體吸附能力強(qiáng)的煤中氣體擴(kuò)散系數(shù)高。在吸附過程中,氣體擴(kuò)散系數(shù)在毛細(xì)凝聚開始的壓力處達(dá)到峰值。在解吸過程中,氣體擴(kuò)散系數(shù)與氣體壓力之間存在U形關(guān)系。為研究煤中氣體吸附擴(kuò)散的動態(tài)過程,建立了基于煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)的氣體吸附與擴(kuò)散耦合模型,并對數(shù)值模擬中相關(guān)參數(shù)選取進(jìn)行了研究,數(shù)值模擬方法可視化了煤中氣體吸附擴(kuò)散動態(tài)過程。為了研究CO_2-ECBM過程中煤中甲烷被二氧化碳置換的動態(tài)過程及二氧化碳注入壓力對甲烷采收和二氧化碳注入的影響,本文建立了基于三維孔隙結(jié)構(gòu)的CO_2-ECBM模型,在該模型中,擴(kuò)展Langmuir方程用于表征二氧化碳和甲烷二元?dú)怏w系統(tǒng)的競爭吸附機(jī)制,并且實(shí)現(xiàn)了氣體吸附/解吸和擴(kuò)散的耦合。基于三維孔隙結(jié)構(gòu)的CO_2-ECBM模型和數(shù)值方法可以直接與同步輻射納米CT獲得的煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)結(jié)合以獲得CO_2-ECBM過程中煤中甲烷和二氧化碳的實(shí)時三維分布。關(guān)于二氧化碳注入壓力對甲烷采收和二氧化碳注入影響的研究發(fā)現(xiàn)二氧化碳注入壓力的增加加快了甲烷采收和二氧化碳注入速率,但隨著二氧化碳注入壓力的增加,二氧化碳注入壓力的增加對甲烷采收和二氧化碳注入速率帶來的影響逐漸減小。二氧化碳注入壓力的變化引起二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)的變化可以解釋為什么二氧化碳注注入壓力的增加可以加快甲烷采收和二氧化碳注入速率。二氧化碳注入和甲烷采收速率在不同煤樣中的差異與不同煤樣中氣體擴(kuò)散系數(shù)的差異有關(guān),氣體擴(kuò)散系數(shù)較高的煤中二氧化碳注入和甲烷采收速率相對較高。應(yīng)力對氣體在煤中吸附和擴(kuò)散的影響主要是通過引起煤孔隙的變形和破壞實(shí)現(xiàn)的。本文用煤在破壞之前抵抗變形的能力(楊氏模量)和達(dá)到破壞需要的峰值應(yīng)力(強(qiáng)度)來表征氣體吸附擴(kuò)散的應(yīng)力敏感性,本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究煤三維孔隙結(jié)構(gòu)對氣體吸附擴(kuò)散的應(yīng)力敏感性的影響�；谕捷椛浼{米CT對煤的三維孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征,通過對兩組煤樣孔徑分布的統(tǒng)計分析,得到了描述煤的孔徑分布的數(shù)學(xué)模型和參數(shù),結(jié)合改進(jìn)的四參數(shù)隨機(jī)生長法(QSGS)生成了具有預(yù)設(shè)孔徑分布和預(yù)設(shè)各向異性值的煤,基于生成的具有預(yù)設(shè)孔徑分布和預(yù)設(shè)孔隙結(jié)構(gòu)各向異性的煤研究了孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)各向異性對氣體吸附擴(kuò)散的應(yīng)力敏感性的影響,發(fā)現(xiàn)孔隙率高的煤中氣體吸附擴(kuò)散對應(yīng)力更加敏感,氣體吸附擴(kuò)散應(yīng)力敏感性的各向異性隨孔隙結(jié)構(gòu)的各向異性的增加而增加,在相同孔隙率下,如果用各向異性煤在強(qiáng)度較小的方向上的強(qiáng)度表征各向異性煤總體強(qiáng)度的話,各向異性煤中氣體吸附擴(kuò)散的應(yīng)力敏感性較各向同性煤要高,各向同性煤和各向異性煤中氣體吸附擴(kuò)散對應(yīng)力敏感性的差異隨著孔隙結(jié)構(gòu)各向異性的增加而變大。
【圖文】：

意義長一段勢非常，礦井加，在的防治段時間仍將是常嚴(yán)峻，當(dāng)前井開采深度以在煤炭開采過治離不開對氣1 緒論1 緒論是我國的主前我國煤礦以每年近 2過程中發(fā)生氣體在煤中主體能源，如礦的平均開采20m 的速度生的諸多事中的吸附擴(kuò)散如圖 1.1 所示采深度已達(dá)度在向深部延故中，很大散規(guī)律的研示達(dá)到延大研究

開對場所中氣三維1.2是孔的尺同尺了總對煤結(jié)構(gòu)的深所，而且煤中氣體吸附擴(kuò)散維孔隙結(jié)構(gòu)出不同尺度本文雖然是孔隙尺度下的尺度分為在采尺度下的煤結(jié)總結(jié)。中深入認(rèn)識，，中的孔隙結(jié)散的研究需出發(fā)來對煤度煤結(jié)構(gòu)特是從煤的孔的結(jié)構(gòu)特征采場尺度、結(jié)構(gòu)開展了中國礦業(yè)大學(xué)煤是一種多結(jié)構(gòu)對于氣體需要對煤孔隙煤中氣體吸附特征研究現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)出發(fā)征只是煤結(jié)構(gòu)微觀裂隙尺了大量的研究學(xué)（北京）博多孔介質(zhì)，體在煤中氣隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行附擴(kuò)散進(jìn)行現(xiàn)狀發(fā)對煤中氣構(gòu)的一部分尺度和孔隙究，本節(jié)對博士學(xué)位論文煤中的孔氣體的擴(kuò)散行深入的研行研究的原因氣體的吸附分，關(guān)于煤隙尺度，如圖對不同尺度文隙結(jié)構(gòu)是氣有很大的影究，這也是因。擴(kuò)散行為進(jìn)的結(jié)構(gòu)的可圖 1.2 所示。下煤結(jié)構(gòu)的氣體賦存的影響，所以是本文要從進(jìn)行研究的可以從研究。而且前人的研究現(xiàn)狀的主要以對煤從煤的的，但究對象人對不狀進(jìn)行
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD712

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3 �？傡�;嚴(yán)衡文;魏鄭鐵;;利用測井資料解釋砂巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的方法[J];石油學(xué)報;1988年02期

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本文編號：2632455