软煤体孔隙结构及其瓦斯吸附特性研究

发布时间：2017-10-11 05:17

  本文关键词：软煤体孔隙结构及其瓦斯吸附特性研究

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【摘要】：软煤层因其煤体强度低、透气性差、瓦斯放散能力强而易诱发瓦斯事故灾害,软煤层孔隙结构特征及其中瓦斯运移规律是掌握软煤层瓦斯涌出规律的前提,也是实现煤与瓦斯安全共采的基础。本文系统总结了煤体孔裂隙结构特征和瓦斯吸附特性的诸多研究成果,从理论上分析了多孔介质的基本特征及煤体孔隙性的影响因素,以澄合矿区软煤为研究对象,应用压汞实验、低温氮吸附实验、扫描电镜实验、X射线衍射实验,得出软煤内孔隙主要以小孔、微孔为主,微孔中吸附力场的叠加作用使得软煤吸附势能增强,一端几乎封闭的不透气性孔及细颈瓶状孔等孔型有利于瓦斯的吸附聚集,不利于瓦斯的扩散运移,构造应力提高了软煤中中孔和大孔的连通性,软煤分子结构的芳核层间距d002小于硬煤,芳核延展度La和芳核堆积厚度Lc大于硬煤。分析了软煤孔隙结构分形特征规律,阐述了软煤体特征分维度的定义,总结了软煤体特征分维度变化规律。通过物理实验和分子模拟,考察了软煤在不同温度条件下吸附瓦斯特性规律,构建了软煤体分形吸附模型,得出软煤对温度的变化更为敏感,在相同温度梯度变化下,软煤吸附常数a值和b值的变化幅度均大于硬煤,分析了等量吸附热随吸附量的变化规律,验证了煤表面能量的不均性。基于煤层瓦斯流动理论,建立瓦斯流动数学模型,对钻孔周围瓦斯流动进行有限元分析,确定出符合澄合矿区软煤层特点的瓦斯抽采钻孔布置方案。研究结果对优化软煤层瓦斯治理技术、实现煤与瓦斯安全共采提供了一定的理论依据和技术支持。
【关键词】：吸附特性 孔隙结构 软煤体 瓦斯抽采
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.2.1 煤体孔裂隙结构特征研究现状9-10
• 1.2.2 煤体吸附瓦斯特性研究现状10-11
• 1.2.3 存在的问题11
• 1.3 研究内容11-12
• 1.4 研究方法及技术路线12-14
• 1.4.1 研究方法12
• 1.4.2 技术路线12-14
• 2 软煤体孔裂隙特征与微结构分析14-35
• 2.1 多孔介质的基本特征14
• 2.2 软煤体结构参数的测定14-16
• 2.2.1 工业分析15
• 2.2.2 煤岩组分分析15
• 2.2.3 坚固性系数的测定15-16
• 2.3 软煤体的孔裂隙结构分析16-25
• 2.3.1 煤的孔裂隙结构分类与表征16-17
• 2.3.2 压汞法测定孔隙结构17-19
• 2.3.3 低温氮吸附法测定孔隙结构19-22
• 2.3.4 扫描电镜观测孔隙结构22-24
• 2.3.5 软煤体孔隙特征分析24
• 2.3.6 煤体孔隙性的影响因素24-25
• 2.4 软煤体的孔隙分形特征分析25-29
• 2.4.1 压汞法研究煤的孔隙分形特征25-26
• 2.4.2 低温氮吸附法研究煤的孔隙分形特征26-27
• 2.4.3 扫描电镜研究煤的孔隙分形特征27-28
• 2.4.4 软煤体特征分维度变化规律分析28-29
• 2.5 软煤体微结构分析29-34
• 2.5.1 实验原理及方法29-31
• 2.5.2 XRD图谱分析31-32
• 2.5.3 物相分析32-33
• 2.5.4 分子结构参数分析33-34
• 2.6 本章小结34-35
• 3 软煤体吸附瓦斯特性实验分析35-53
• 3.1 煤体吸附瓦斯模型35-37
• 3.1.1 理论模型35-36
• 3.1.2 煤体吸附瓦斯过程36-37
• 3.2 软煤体吸附瓦斯实验37-43
• 3.2.1 实验设计37-38
• 3.2.2 恒温吸附实验结果分析38-41
• 3.2.3 变温吸附实验结果分析41-43
• 3.3 软煤体吸附瓦斯热效应特征43-47
• 3.3.1 等量吸附热分析43-44
• 3.3.2 极限吸附热分析44-46
• 3.3.3 吸附热效应分析46-47
• 3.4 软煤体分形吸附模型47-51
• 3.4.1 分形吸附模型的建立47-49
• 3.4.2 吸附数据的拟合49
• 3.4.3 拟合结果分析49-51
• 3.5 软煤体吸附瓦斯特性影响因素分析51-52
• 3.5.1 煤岩组分对软煤体吸附瓦斯的影响51
• 3.5.2 煤的孔隙结构对软煤体吸附瓦斯的影响51
• 3.5.3 煤体微结构对软煤体吸附瓦斯的影响51-52
• 3.5.4 煤中含水量对软煤体吸附瓦斯的影响52
• 3.6 本章小结52-53
• 4 软煤体吸附特性的分子动力学分析53-60
• 4.1 分子动力学模拟53-55
• 4.1.1 模拟方法53-54
• 4.1.2 模型的构建54
• 4.1.3 参数的设置54-55
• 4.2 分子模拟结果及分析55-58
• 4.2.1 单组分的吸附55-56
• 4.2.2 混合组分的吸附56
• 4.2.3 吸附热测定56-58
• 4.3 本章小结58-60
• 5 软煤体顺层瓦斯抽采钻孔数值模拟60-69
• 5.1 煤层瓦斯流固耦合数学模型60-62
• 5.1.1 基本假设60
• 5.1.2 控制方程的建立60-62
• 5.2 软煤体顺层瓦斯抽采钻孔数值模型62-64
• 5.2.1 COMSOL-Multiphysics软件介绍62
• 5.2.2 几何物理模型62-63
• 5.2.3 模型网格剖分63
• 5.2.4 模型计算参数63-64
• 5.3 数值模拟结果及分析64-68
• 5.3.1 瓦斯压力分布规律64-65
• 5.3.2 瓦斯抽采钻孔失效判断65-66
• 5.3.3 煤体孔隙率变化规律66-67
• 5.3.4 煤体渗透率变化规律67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 6 结论及展望69-71
• 6.1 主要结论69-70
• 6.2 论文展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-79
• 附录79-80

【参考文献】

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本文编号：1010692