本文選題：脫附遲滯 + 基質(zhì)體變形��； 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：煤層瓦斯災(zāi)害是制約井下采掘工作的主要危險(xiǎn)源,隨著我國(guó)煤炭采掘深度和強(qiáng)度的提高,煤層瓦斯災(zāi)害的治理也愈加緊迫。煤層瓦斯氣相驅(qū)替在瓦斯治理工作中有著重要作用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究,也提出了相應(yīng)的驅(qū)替模型,但是氣相驅(qū)替中有關(guān)氣體的脫附、滲流機(jī)制仍需要深入研究,同時(shí)在此基礎(chǔ)上也迫切需要探索煤層瓦斯高效治理的新方法。本文首先研究了驅(qū)替溫度和壓力對(duì)二氧化碳驅(qū)替瓦斯效果的影響,開(kāi)展了強(qiáng)吸附性氣體在煤中的滲流實(shí)驗(yàn)和脫附實(shí)驗(yàn),揭示了孔隙變形在煤層氣體運(yùn)移和脫附中的重要作用,重新構(gòu)建了煤體滲透率理論模型。二氧化碳能夠有效驅(qū)替出煤體內(nèi)的甲烷氣體,但是基質(zhì)體的高形變導(dǎo)致煤體滲透率下降,降低了氣體的注入量,且容易殘留大量的二氧化碳?xì)怏w,為了降低煤中混合氣體的含量提高煤層瓦斯災(zāi)害的治理,提出了實(shí)行二氧化碳驅(qū)替瓦斯后注入堿性水吸收殘留氣體的氣液兩相協(xié)同驅(qū)替方法。該方法顯著提高了注水后煤層水分的含量,大量水分侵入孔隙中置換出瓦斯,提高了煤層瓦斯的驅(qū)替能力,同時(shí)堿性溶液侵蝕下煤中礦物質(zhì)產(chǎn)生“碎裂”效應(yīng),造成孔隙二次發(fā)育,進(jìn)一步提高了瓦斯的驅(qū)替效果。借助等溫吸附裝置深入研究了驅(qū)替溫度和壓力對(duì)煤層中甲烷進(jìn)行二氧化碳驅(qū)替的影響,驅(qū)替壓力和溫度的提高有助于提高驅(qū)替效率但提高能力較弱,結(jié)果表明單純依靠提高驅(qū)替注氣壓力容易造成成本增加,得出了合適的驅(qū)替壓力為原始儲(chǔ)層壓力的一倍大小,驅(qū)替溫度的提高有助于提高煤體甲烷的驅(qū)替效果,但提高井下煤層溫度難度較大不適合大規(guī)模應(yīng)用。自制假三軸煤樣滲透率測(cè)試裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了應(yīng)力、氣壓和Klinkenberg效應(yīng)在煤體滲透率演化過(guò)程中的控制機(jī)制。恒定應(yīng)力條件下隨著氣體壓力的升高,在基質(zhì)體膨脹和Klinkenberg效應(yīng)影響下吸附性氣體滲透率先下降后升高;恒定氣體壓力條件下,煤體滲透率隨著應(yīng)力的增加呈指數(shù)型下降趨勢(shì);恒定有效應(yīng)力條件下,煤體滲透率發(fā)生指數(shù)型下降,弱吸附性氣體滲透率逐漸平穩(wěn),而強(qiáng)吸附性氣體滲透率仍持續(xù)下降,直至煤體膨脹至極限膨脹量滲透率也逐漸平穩(wěn);研究結(jié)果表明二氧化碳的注入提高了煤體的膨脹變形量降低了滲透率,將會(huì)造成二氧化碳的注入量減少。采用煤樣等溫吸附裝置開(kāi)展了不同煤樣對(duì)甲烷和二氧化碳的脫附實(shí)驗(yàn),通過(guò)改變起始脫附壓力分析了煤中氣體的脫附遲滯規(guī)律,甲烷的遲滯效應(yīng)大于二氧化碳,高變質(zhì)程度煤樣的脫附遲滯效應(yīng)較弱,同時(shí)起始?jí)毫υ酱蟮玫降淖畲笪搅坑?煤樣孔徑測(cè)試結(jié)果顯示二氧化碳吸附過(guò)后三種煤體發(fā)生膨脹造成了不可逆變形,孔徑均發(fā)生縮小,“孔口變形”僅能解釋部分煤樣的脫附遲滯現(xiàn)象,揭示了“孔口變形”為主“固溶態(tài)”甲烷為輔導(dǎo)致脫附遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制�；诿后w的應(yīng)力變形和吸附變形,重構(gòu)了煤體的滲透率和孔隙率理論模型,并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明煤基質(zhì)體本身的形變?cè)跐B透率和孔隙率中的比重極為顯著;引入分形理論,分析了煤體孔隙率的分形變化特征與絕對(duì)滲透率變化規(guī)律之間的關(guān)系,對(duì)該關(guān)系式進(jìn)行了理論驗(yàn)證,在低壓階段兩者吻合,高壓階段受到Klinkenberg效應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)值低于理論值;該研究成果能夠有效預(yù)測(cè)二氧化碳注入煤層中氣體滲透率的變化。理論分析了應(yīng)力應(yīng)變和吸附應(yīng)變對(duì)裂隙通道寬度的影響,進(jìn)而探討了氣體的Klinkenberg系數(shù)隨應(yīng)力和氣體壓力的變化規(guī)律,建立了包含可變Klinkenberg系數(shù)的滲透率理論方程,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論結(jié)果的準(zhǔn)確性;結(jié)合實(shí)驗(yàn)理論研究,二氧化碳能夠有效置換出煤體中吸附態(tài)的甲烷提高驅(qū)替效率,驅(qū)替后煤體產(chǎn)生明顯變形容易導(dǎo)致煤體滲透率下降影響氣體的注入,同時(shí)在煤體內(nèi)殘留大量的混合氣體對(duì)后期開(kāi)采造成影響。針對(duì)二氧化碳驅(qū)替瓦斯后煤中混合氣體含量增大的問(wèn)題,提出了二氧化碳驅(qū)替瓦斯后注入堿性水的氣液兩相驅(qū)替方法,有效提高了煤體水分的注入并吸收殘留的二氧化碳?xì)怏w,水分在侵入煤中孔隙的同時(shí)也能加強(qiáng)對(duì)瓦斯的驅(qū)替作用;二氧化碳驅(qū)替后煤中氣-水-煤三相接觸體系對(duì)堿性溶液的自吸能力大大提高,特別是非貫穿型裂隙的自吸效果尤為顯著,有效解決了二氧化碳驅(qū)替瓦斯后氣體大量殘留的難題。利用假三軸煤體滲透率測(cè)試裝置,分析了氣液兩相驅(qū)替的效果,相比于煤層注水,兩相驅(qū)替后煤體的含水率提高了54.8%,大大提高了煤層的注水防突效果,注水量提高的同時(shí)增強(qiáng)了瓦斯的驅(qū)替能力;采用低溫氮?dú)馕�、掃描電鏡和紅外光譜測(cè)試手段,分析了堿性溶液對(duì)煤體物化特性的侵蝕機(jī)制,堿性溶液侵蝕后煤體礦物質(zhì)發(fā)生“碎裂”,造成煤體中孔隙二次發(fā)育,提高了煤體的孔隙率;研究結(jié)果表明氣液兩相驅(qū)替方法降低了二氧化碳驅(qū)替瓦斯后煤層的含氣量,提高了煤體含水率而且增強(qiáng)了水分對(duì)瓦斯的驅(qū)替效果,同時(shí)堿性溶液對(duì)煤體造成侵蝕進(jìn)一步提高了對(duì)瓦斯災(zāi)害的治理效果。
[Abstract]:In this paper , the influence of displacement temperature and pressure on carbon dioxide displacement in coal bed is studied . In this paper , the effect of gas - liquid two - phase displacement is analyzed by means of low temperature nitrogen adsorption , scanning electron microscope ( SEM ) and infrared spectroscopy ( FTIR ) .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TD712

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