微波辐射下煤体的温升特性及孔隙结构改性增渗研究

发布时间：2020-09-11 08:32

　　 瓦斯,作为煤的伴生产物,不仅是煤矿重大灾害源和温室气体源,更是一种高效的清洁资源。由于我国煤层具有高瓦斯低透气性的特点,因此探讨煤体孔隙结构的改性增渗机制对提高瓦斯抽采具有十分重要的意义。本文以微波注热增透煤层瓦斯抽采技术为工程背景,采用实验室研究、数值模拟和理论分析相结合的方法,分析研究了微波辐射对煤体温度、孔隙结构和宏观损伤等参数的影响。本文设计并搭建了微波热损伤实验平台,借助数值模拟分析了影响微波加热效果的关键因素,发现微波源的开启方式、微波频率、煤样的摆放位置、煤样的介电性质和煤样的尺寸均会对微波加热效果产生影响,为后续实验室研究提供了理论指导。而后主要依托微波热损伤实验平台开展相关实验,取得了一些结果,具体如下:首先,研究分析了不同影响因素下的煤样温升规律,发现微波功率、煤样粒径、含水率和矿物成分均能够显著改变煤样的温升速率,但是氧浓度对于煤样温升速率影响不明显;脉动循环加热下,一旦煤样中水分蒸发殆尽,其温升速率不再变化;建立了温度、煤体质量和微波能相互之间的函数关系,同时也给出了温度和比热容之间的函数关系。其次,研究了微波辐射对孔隙结构的影响,发现微波加热之后,煤体孔隙半径增大,煤体的孔隙数目增多,孔隙度增大;束缚水饱和度随微波能的升高而先增后减;随着微波加热温度的提高,渗流孔的连通性先减后增;随着微波功率的提高,渗流孔的连通性不断增大;煤样粒径较小时,微波辐射对煤样孔隙结构影响有限;不同氧浓度下,微波辐射对煤样孔隙结构影响不大;脉动循环加热下,煤体渗流孔始终保持较好的连通性。同时,证实了薄膜束缚水模型比小孔隙束缚水模型更适用于描述煤体中束缚水分布状态;验证了T2分布曲线的积分面积可以表征孔隙度;建立基于T2弛豫时间划分孔隙的标准,即弛豫时间1.5 ms为吸附孔和渗流孔的临界值;建立了基于T2弛豫时间计算束缚水饱和度和分形维数的理论公式,发现微波辐射对煤样束缚水饱和度和分形维数的影响与微波能大小有关。再者,发现随着微波加热时间的增大,煤体表面裂纹会由单一裂隙扩展形成具有主裂纹和分支裂纹的裂隙网;微波加热后,煤样的超声波波速发生衰减,煤样的轴向应力-应变曲线出现了一段极为明显的非线性压密段。最后,提出了微波注热增透煤层瓦斯抽采的工程应用方案,通过等温吸附试验和渗透率测试证实了该工程应用方案的可行性。同时分析了微波注热对煤体自燃倾向性和煤层水锁效应的影响。该研究成果有助于深入理解微波辐射下煤体温升规律及孔隙结构的变化规律,为微波注热开采煤层瓦斯的工程应用提供了理论支撑。攻读博士学位期间,共发表学术论文9篇,其中发表SC论文6篇,EI论文2篇。此外,授权国家发明专利10项。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TD712


本文编号：2816449