煤層瓦斯是影響礦井正常安全開采的主要因素之一,煤層瓦斯抽采是治理煤層瓦斯的主要方法,但我國很多煤層存在滲透率低導(dǎo)致瓦斯抽采較為困難等問題。近年來采用煤層瓦斯驅(qū)替的辦法解決煤層瓦斯抽采問題被廣泛關(guān)注。采用煤層注液氮驅(qū)替瓦斯技術(shù)既可以利用液氮的低溫特性使煤體進(jìn)行凍融損傷,增加煤體裂隙,液氮相變?yōu)榈獨庖部梢愿行У膶p傷后煤層內(nèi)的瓦斯驅(qū)替出來。因此,本文在考慮含水率的情況下研究煤體凍融損傷效應(yīng),通過實驗以及理論分析,研究不同含水率的煤體在經(jīng)過液氮凍融損傷之后煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響,以及煤體對瓦斯吸附、解吸和滲流等特性的變化規(guī)律,理論分析了煤層注液氮驅(qū)替瓦斯過程及液氮凍融損傷作用機(jī)制。選用山西沁城煤礦無煙煤,制作不同含水率煤樣,然后對煤體進(jìn)行液氮凍融處理。對凍融損傷前和損傷后的煤樣,采用低溫氮吸附的方法研究煤體內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)的變化,以及煤體中水分對凍融損傷作用的影響,并結(jié)合分形理論研究煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。凍融損傷處理后,煤體中的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞,比表面積、微孔體積隨著含水率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加后迅速減小的變化規(guī)律,總孔體積、平均孔直徑增大,微小孔結(jié)構(gòu)得到延伸和擴(kuò)展,變?yōu)榭讖礁蟮目?凍融損傷作用對煤體有增孔和擴(kuò)孔的作用,煤樣含水率越大,經(jīng)凍融處理后各項孔隙結(jié)構(gòu)特征變化越明顯。對實驗煤體進(jìn)行瓦斯等溫吸附實驗,對實驗數(shù)據(jù)利用常見的吸附模型進(jìn)行擬合,得到實驗煤樣的瓦斯吸附等溫線公式,并結(jié)合熱力學(xué)理論計算各煤樣的表面自由能變化值,得到了凍融損傷作用對不同含水率煤體吸附特性的影響規(guī)律。對比分析了吸附常數(shù)a、b值的變化,煤體經(jīng)凍融損傷后a值增加,即飽和吸附量增大,但是吸附常數(shù)b值減小,在相同瓦斯壓力下的瓦斯吸附量低;凍融后的煤體吸附瓦斯后表面自由能的變化值增大,單位面積甲烷吸附量增加,但煤體比表面積減小,所以在相同瓦斯壓力下瓦斯吸附量減少,并且含水率越高,特性變化越明顯。進(jìn)行瓦斯等溫解吸實驗,得到瓦斯等溫解吸曲線,分析凍融損傷作用對煤體瓦斯解吸量、解吸速率的影響規(guī)律。處理后煤樣的極限解吸量減小,在解吸開始的一段時間內(nèi),處理后煤樣的瓦斯解吸量大于處理前煤樣,隨著解吸時間的增大,處理后煤樣的解吸量逐漸小于處理前煤樣,并且煤體含水率越高,相同解吸時間下瓦斯的解吸量越大。進(jìn)行瓦斯?jié)B流實驗,分析凍融損傷作用對煤體內(nèi)瓦斯?jié)B透率的影響規(guī)律。損傷處理后煤體的滲透率大幅度增大,凍融損傷處理后煤體的孔隙結(jié)構(gòu)得到簡化,增大瓦斯的運移通道,瓦斯更容易流動。分析了液氮對煤體的凍融損傷機(jī)制,分析煤層注液氮驅(qū)替瓦斯的過程,凍融損傷的增透致裂作用是溫度應(yīng)力、凍脹力和膨脹力三種作用力的綜合作用結(jié)果,注液氮驅(qū)替瓦斯是由氮氣裹挾、氣體分壓擴(kuò)散和置換解吸三種方式共同作用下的綜合作用過程,液氮凍融損傷后煤體孔隙結(jié)構(gòu)以及儲運特性的改變使煤體內(nèi)瓦斯更易于被驅(qū)替出來。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

1 緒論驗以及瓦斯?jié)B流實驗，研究液氮凍融損傷作用對不同含水率煤樣在不同平衡壓力條件下瓦斯解吸特性以及瓦斯?jié)B流特性的影響。（4）鉆孔注液氮驅(qū)替煤層瓦斯研究根據(jù)上述實驗研究內(nèi)容，結(jié)合液氮凍融損傷對煤體特性的影響，分析研究煤層鉆孔注液氮對煤體凍融損傷的作用機(jī)理，煤層鉆孔注液氮驅(qū)替瓦斯的作用過程，以及煤體經(jīng)液氮處理后其某些特性的改變對驅(qū)替瓦斯的影響。技術(shù)路線圖如下：

分析煤體的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，為后續(xù)研究凍融損傷對瓦斯吸附、擴(kuò)散、滲流等提供研究基礎(chǔ)。2.1 實驗煤樣（Experimental Coal Sample）2.1.1 實驗煤樣選取本實驗所用煤樣均取自山西省晉城市沁水縣沁城煤礦 2 煤，沁城煤礦位于山西省沁水煤田西南部，區(qū)域構(gòu)造總體形態(tài)為傾向西北方向、走向東北方向的單斜構(gòu)造，井田內(nèi)共五條斷層，總體地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單[38]。穩(wěn)定可采煤層為 2 煤層、15 煤層，其中 2 煤層厚3.08-6.25m，平均 4.37m，為高熱值無煙煤，經(jīng)鑒定具有突出危險性。2.1.2 煤樣的基本性質(zhì)采用全自動分析儀測定煤樣工業(yè)分析相關(guān)參數(shù)，采用顯微鏡光度計（microscophotometer，用于測量煤樣可見光譜反射比和吸收比）測定煤樣鏡質(zhì)組，煤樣基本參數(shù)測定實驗均在北京貝士德科技有限公司測定。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表 2-1、2-2 所示。

1.3 7.20 82.2 0.39 4.39 90.4 3.44 1.2傷前后煤體孔隙結(jié)構(gòu)測定（Detebefore and after freezing and thawing li構(gòu)類型其復(fù)雜的多孔介質(zhì)，內(nèi)部存在發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)聯(lián)通類型可以分為通孔、交聯(lián)孔、半封閉空和墨水性孔、間隙孔、柱狀孔和層狀孔，根據(jù)煤和次生孔[39]。根據(jù)孔的大小進(jìn)行劃分，國際理將孔分為微孔、中孔、大孔和巨孔，其中，微存空間，大孔為滲流孔，是吸附氣體擴(kuò)散和運介于二者之間[40, 41]。桑樹勛[42]等將孔徑分為微類標(biāo)準(zhǔn)如表 2-3 所示。煤中孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜描等現(xiàn)代測試手段可以檢測出煤體比表面積、結(jié)構(gòu)及其測定方法如圖 2-2 所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2889317