本文關(guān)鍵詞：外加氮氣在低滲煤層中流動的溫度效應(yīng)及瓦斯增產(chǎn)機理，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害的主要技術(shù)措施。然而,中國超過70%煤層滲透率小于1m D,隨著開采深度的逐漸增加,煤體滲透率將更低,故瓦斯抽采效果并不理想�；诖�,本文以提高低滲煤層瓦斯抽采率為切入點,對外加氮氣在煤體中流動溫度效應(yīng)及瓦斯增產(chǎn)機理進行研究。主要成果如下:試驗研究了不同煤階煤體破壞過程中能量演化機制:(1)循環(huán)應(yīng)力加載作用下,焦煤和無煙煤的最大偏應(yīng)力分別為41.3MPa和120.8MPa,其對應(yīng)的應(yīng)變分別為14.4×10-3和10.8×10-3;(2)無煙煤的儲能極限是焦煤的2.69倍,無煙煤最大耗散能密度是焦煤的3.19倍;(3)無煙煤初次能量釋放為92.8%,而焦煤為39.5%;基于此,確定了焦煤和無煙煤的注氣試驗方案。采用三軸伺服滲流裝置研究了外加氮氣在低滲焦煤中的流動特性:(1)煤體的三軸抗壓強度、殘余強度和彈性模量隨氮氣溫度和壓力升高而下降,但變化趨勢不同;(2)外加氮氣注入煤體過程中,滲透率隨時間先出現(xiàn)一定幅度減小,然后突然增加到特大值后維持基本穩(wěn)定;氮氣溫度越高、氮氣壓力越大,煤體的最大滲透率比越大;(3)多循環(huán)氮氣注入有利于煤體的裂紋再次擴展,其增加滲透率效果強于單次氮氣注入。采用單軸氣動致裂裝置研究了外加氮氣在低滲無煙煤中的流動特性:(1)連續(xù)常溫外加氮氣作用下,軸壓越大,煤體起裂壓力越大,起裂時間越短;(2)外加氮氣分級注入條件下,電阻率隨時間出現(xiàn)先減小再增大最后跳躍和先緩慢增大最后跳躍的兩種情況;煤體的起裂壓力隨氮氣溫度的升高呈近線性減小;(3)煤體吸附氮氣能降低電阻率,煤體的電阻率隨溫度的升高呈下降趨勢,裂隙擴展能有效地切斷煤體的導電通道,提高煤體的電阻率;(4)外加氮氣在煤體流動過程中,電阻率先下降是由于煤體對氮氣的吸附作用和煤體升溫作用綜合引起電阻率降低的效果大于氮氣對煤體裂隙擴展引起電阻率升高的效果,煤體電阻率緩慢上升則恰恰相反;電阻率的跳躍,是煤體破裂阻礙導電通道的結(jié)果。建立了外加氮氣在煤體流動過程中的熱-流-固耦合數(shù)學模型,以平頂山礦區(qū)井下穿層鉆孔為例,研究了外加氮氣注入各因素對滲流溫度效應(yīng)的影響:氮氣溫度、注氣時間和鉆孔直徑對氮氣滲流的溫度效應(yīng)影響顯著,而氮氣壓力和煤體初始滲透率對氮氣滲流的溫度效應(yīng)影響甚微。對標準煤樣(φ50mm×100mm)進行了外加氮氣驅(qū)替瓦斯效果的模擬計算:(1)氮氣溫度越高,甲烷的回收率增加越快,回收率越大,氮氣的溫度效應(yīng)顯著;(2)氮氣壓力越大,甲烷產(chǎn)氣量極值越大,回收率增加速度越快;(3)從煤體回采的安全性和瓦斯利用的經(jīng)濟性出發(fā),得出本案例氮氣最佳溫度-壓力配比。研究成果有利于指導60~100℃氮氣注入煤體方法在現(xiàn)場應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：低滲煤層 氮氣注射 流動特性 溫度效應(yīng) 瓦斯增產(chǎn)
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-23
• 變量注釋表23-27
• 1 緒論27-39
• 1.1 研究背景及意義27-29
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀29-37
• 1.3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線37-39
• 2 不同煤階煤破壞過程中的能量演化39-57
• 2.1 煤體破壞過程中的能量種類39-42
• 2.2 煤體破壞和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系42-46
• 2.3 煤體能量演化的煤階效應(yīng)46-53
• 2.4 不同煤階煤體的氮氣注入壓力53-56
• 2.5 本章小結(jié)56-57
• 3 外加氮氣在低滲焦煤中的流動特性57-77
• 3.1 試驗系統(tǒng)57-59
• 3.2 外加氮氣對煤體力學參數(shù)的影響59-64
• 3.3 外加氮氣對煤體滲透率的影響64-76
• 3.4 本章小結(jié)76-77
• 4 外加氮氣在低滲無煙煤中的流動特性77-93
• 4.1 試驗系統(tǒng)及方案77-80
• 4.2 軸壓對外加氮氣致裂的影響80-83
• 4.3 外加氮氣溫度對煤體裂隙擴展的影響83-88
• 4.4 煤體裂隙擴展相關(guān)性因素分析88-92
• 4.5 本章小結(jié)92-93
• 5 外加氮氣在煤體中流動溫度效應(yīng)的數(shù)值模擬93-113
• 5.1 數(shù)學模型控制方程93-98
• 5.2 數(shù)值計算模型及方案98-103
• 5.3 氮氣參數(shù)對流動溫度效應(yīng)的影響103-106
• 5.4 初始滲透率對流動溫度效應(yīng)的影響106-107
• 5.5 注氣時間對流動溫度效應(yīng)的影響107-108
• 5.6 鉆孔直徑對流動溫度效應(yīng)的影響108-109
• 5.7 溫度效應(yīng)對瓦斯回收的影響109-110
• 5.8 合理注氣時間計算模型110-111
• 5.9 本章小結(jié)111-113
• 6 外加氮氣驅(qū)替煤體瓦斯的數(shù)值模擬113-129
• 6.1 數(shù)值計算模型及方案113-114
• 6.2 氮氣參數(shù)對驅(qū)替瓦斯效果的影響114-124
• 6.3 氮氣最佳溫壓配比124-127
• 6.4 本章小結(jié)127-129
• 7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點及展望129-132
• 7.1 主要結(jié)論129-130
• 7.2 創(chuàng)新點130-131
• 7.3 研究展望131-132
• 參考文獻132-143
• 作者簡歷143-147
• 學位論文數(shù)據(jù)集147

  本文關(guān)鍵詞：外加氮氣在低滲煤層中流動的溫度效應(yīng)及瓦斯增產(chǎn)機理，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：252630