發(fā)布時間：2020-09-11 08:32

　　 瓦斯,作為煤的伴生產(chǎn)物,不僅是煤礦重大災(zāi)害源和溫室氣體源,更是一種高效的清潔資源。由于我國煤層具有高瓦斯低透氣性的特點,因此探討煤體孔隙結(jié)構(gòu)的改性增滲機制對提高瓦斯抽采具有十分重要的意義。本文以微波注熱增透煤層瓦斯抽采技術(shù)為工程背景,采用實驗室研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法,分析研究了微波輻射對煤體溫度、孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀損傷等參數(shù)的影響。本文設(shè)計并搭建了微波熱損傷實驗平臺,借助數(shù)值模擬分析了影響微波加熱效果的關(guān)鍵因素,發(fā)現(xiàn)微波源的開啟方式、微波頻率、煤樣的擺放位置、煤樣的介電性質(zhì)和煤樣的尺寸均會對微波加熱效果產(chǎn)生影響,為后續(xù)實驗室研究提供了理論指導(dǎo)。而后主要依托微波熱損傷實驗平臺開展相關(guān)實驗,取得了一些結(jié)果,具體如下:首先,研究分析了不同影響因素下的煤樣溫升規(guī)律,發(fā)現(xiàn)微波功率、煤樣粒徑、含水率和礦物成分均能夠顯著改變煤樣的溫升速率,但是氧濃度對于煤樣溫升速率影響不明顯;脈動循環(huán)加熱下,一旦煤樣中水分蒸發(fā)殆盡,其溫升速率不再變化;建立了溫度、煤體質(zhì)量和微波能相互之間的函數(shù)關(guān)系,同時也給出了溫度和比熱容之間的函數(shù)關(guān)系。其次,研究了微波輻射對孔隙結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)微波加熱之后,煤體孔隙半徑增大,煤體的孔隙數(shù)目增多,孔隙度增大;束縛水飽和度隨微波能的升高而先增后減;隨著微波加熱溫度的提高,滲流孔的連通性先減后增;隨著微波功率的提高,滲流孔的連通性不斷增大;煤樣粒徑較小時,微波輻射對煤樣孔隙結(jié)構(gòu)影響有限;不同氧濃度下,微波輻射對煤樣孔隙結(jié)構(gòu)影響不大;脈動循環(huán)加熱下,煤體滲流孔始終保持較好的連通性。同時,證實了薄膜束縛水模型比小孔隙束縛水模型更適用于描述煤體中束縛水分布狀態(tài);驗證了T2分布曲線的積分面積可以表征孔隙度;建立基于T2弛豫時間劃分孔隙的標(biāo)準(zhǔn),即弛豫時間1.5 ms為吸附孔和滲流孔的臨界值;建立了基于T2弛豫時間計算束縛水飽和度和分形維數(shù)的理論公式,發(fā)現(xiàn)微波輻射對煤樣束縛水飽和度和分形維數(shù)的影響與微波能大小有關(guān)。再者,發(fā)現(xiàn)隨著微波加熱時間的增大,煤體表面裂紋會由單一裂隙擴展形成具有主裂紋和分支裂紋的裂隙網(wǎng);微波加熱后,煤樣的超聲波波速發(fā)生衰減,煤樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了一段極為明顯的非線性壓密段。最后,提出了微波注熱增透煤層瓦斯抽采的工程應(yīng)用方案,通過等溫吸附試驗和滲透率測試證實了該工程應(yīng)用方案的可行性。同時分析了微波注熱對煤體自燃傾向性和煤層水鎖效應(yīng)的影響。該研究成果有助于深入理解微波輻射下煤體溫升規(guī)律及孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,為微波注熱開采煤層瓦斯的工程應(yīng)用提供了理論支撐。攻讀博士學(xué)位期間,共發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇,其中發(fā)表SC論文6篇,EI論文2篇。此外,授權(quán)國家發(fā)明專利10項。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TD712


本文編號：2816449