煤層瓦斯吸附解吸遲滯規(guī)律及其對(duì)滲流特性影響研究

《煤層瓦斯吸附解吸遲滯規(guī)律及其對(duì)滲流特性影響研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士學(xué)位論文煤層瓦斯吸附解吸遲滯規(guī)律及其對(duì)滲流特性影響研究學(xué)院：資源與安全工程學(xué)院學(xué)號(hào)：TBP120102055作者：王公達(dá)學(xué)科專業(yè)：安全科學(xué)與工程導(dǎo)師：王凱教授2015年6月中圖分類號(hào)：TD713密級(jí)：g單位代碼：11413博士學(xué)位論文中文題目：煤層瓦斯吸附解吸遲滯規(guī)律及其對(duì)滲流特性影響研究英文題目：Adsorptionanddesorptionhysteresisofcoalseamgasanditsinfluenceongaspermeability作者：王公達(dá)學(xué)號(hào)：TBP12010205

2、5學(xué)科專業(yè)：安全科學(xué)與工程研究方向：礦井瓦斯防治導(dǎo)師：王凱職稱：教授論文提交日期：2015年5月18日論文答辯日期：2015年6月4日學(xué)位授予日期：2015年6月24日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）摘要甲烷與二氧化碳相關(guān)災(zāi)害是煤礦安全開(kāi)采過(guò)程中面臨的重要問(wèn)題。對(duì)于甲烷和二氧化碳的抽采、排放和涌出等過(guò)程，由于自由面的產(chǎn)生（采煤、掘進(jìn)工作面或抽采鉆孔），受壓力梯度驅(qū)動(dòng)，裂隙中的游離氣體向自由面滲流造成裂隙中氣體濃度降低，促使基質(zhì)煤塊中的吸附氣體發(fā)生解吸。吸附特性決定了單位煤體中能夠賦存的氣體總量，而解吸特性決定了外界氣體壓力變化過(guò)程中能夠從基質(zhì)煤體中涌出的氣體量，如果吸附解吸過(guò)程并非完全可逆

3、，則一直以來(lái)長(zhǎng)期測(cè)定采用的等溫吸附線不應(yīng)該被用來(lái)代表煤層瓦斯的解吸過(guò)程。眾多學(xué)者考察過(guò)甲烷與二氧化碳在煤中的吸附解吸特性，大部分實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)了吸附解吸過(guò)程存在一定的差異，即吸附解吸遲滯現(xiàn)象。對(duì)過(guò)往的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，有針對(duì)性的、系統(tǒng)的研究很少且沒(méi)有得到相應(yīng)的重視。對(duì)一些關(guān)鍵問(wèn)題的研究，比如遲滯現(xiàn)象的影響因素、產(chǎn)生機(jī)理，以及其對(duì)于氣體在煤層中滲流特性的影響等，均處于較為空白的狀態(tài)。為了解決上述問(wèn)題，本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果包括：回顧了應(yīng)用在其他領(lǐng)域（包括土壤，巖石和聚合物等）的遲滯定量評(píng)價(jià)方法并分析了其不足所在；提出了通過(guò)選擇吸附解吸曲線的最佳特征模型，和應(yīng)用改進(jìn)吸附解

4、吸遲滯評(píng)價(jià)模型（IHI）的評(píng)價(jià)方法。對(duì)12位學(xué)者的102組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了還原，定量計(jì)算了甲烷、超臨界和次臨界二氧化碳的吸附解吸遲滯程度，并從整體的角度分析了其基本規(guī)律。研究表明：應(yīng)用在其他領(lǐng)域的定量評(píng)價(jià)方法對(duì)于評(píng)價(jià)煤層瓦斯吸附解吸遲滯并不完全適用，基于弗雷德里希公式的評(píng)價(jià)指標(biāo)依賴于適用性較為有限的弗雷德里希公式，而基于斜率和固體相的吸附平衡濃度的評(píng)價(jià)模型描述的是單個(gè)點(diǎn)而非整條曲線，容易受實(shí)驗(yàn)誤差影響；本文提出的IHI指標(biāo)可以反映吸附解吸遲滯從完全可逆至完全非可逆的程度，當(dāng)IHI等于0的時(shí)候，吸附解吸完全可逆，當(dāng)IHI趨近于1的時(shí)候，吸附解吸趨向于完全非可逆；本方法通過(guò)選擇最佳吸

5、附模型精確的表征等溫吸附解吸曲線，基于面積比的改進(jìn)指標(biāo)IHI受曲線的微小誤差影響很小，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。通過(guò)對(duì)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，討論了實(shí)驗(yàn)方法、煤樣含水率、氣體種類、最高氣體壓力和煤體特性對(duì)于吸附解吸遲滯程度的影響，在此基礎(chǔ)上，利用高精度間接重力法高壓吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了不同最高壓力、不同溫度下，二氧化碳與甲烷在Bulliseam不同粒徑煤樣中的等溫吸附與解吸實(shí)驗(yàn)，并對(duì)吸附平衡時(shí)間和吸附解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究表明：甲烷和二氧化碳的吸附解吸遲滯現(xiàn)象廣泛存在；最高吸附壓力的增加，實(shí)驗(yàn)煤樣粒徑的增大，溫度的降低和煤體水分的存在對(duì)于吸附解吸遲滯現(xiàn)象具有促進(jìn)作用；

6、同等條件下，二氧化碳的吸附量和吸附解吸遲滯程度都比甲烷的大；對(duì)于二氧化碳的地質(zhì)封存工作來(lái)說(shuō)，提高二氧化碳的注入壓力不僅能相應(yīng)的提升單位煤體中的貯存量，同時(shí)也I會(huì)有助于其在煤體中的穩(wěn)定性；目前煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瓦斯吸附的規(guī)定平衡時(shí)間較短，應(yīng)該適當(dāng)延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，從而確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值；預(yù)測(cè)煤層瓦斯排放、抽采過(guò)程中瓦斯解吸量與瓦斯壓力之間的關(guān)系，需要測(cè)定等溫解吸線而非等溫吸附線，且在等溫解吸線測(cè)定過(guò)程中，其最大壓力的選擇應(yīng)與煤層實(shí)際瓦斯壓力相仿。通過(guò)分析氣體在多孔介質(zhì)中的不同吸附機(jī)理的作用過(guò)程（單分子層吸附、多分子層吸附和微孔充填吸附），結(jié)合前人對(duì)于吸附解吸遲滯現(xiàn)象的解釋

7、，提出了關(guān)于煤層瓦斯吸附解吸遲滯的孔口變形假說(shuō)。為了驗(yàn)證該假說(shuō)，通過(guò)全壓力段低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了千秋二礦長(zhǎng)焰煤與常村礦無(wú)煙煤的液氮吸附與脫附曲線。針對(duì)BET法計(jì)算比表面積存在的問(wèn)題，提出應(yīng)分別計(jì)算發(fā)生微孔充填吸附孔隙和單層-多層吸附孔隙的比表面積，以綜合求取實(shí)驗(yàn)煤樣的比表面積的改進(jìn)算法，并分析了超微孔在實(shí)驗(yàn)煤體中的分布規(guī)律。對(duì)千秋二礦長(zhǎng)焰煤與常村礦無(wú)煙煤進(jìn)行了不同壓力等級(jí)（2MPa，4MPa，6MPa）的甲烷與二氧化碳吸附處理，通過(guò)傅里葉紅外測(cè)試考察了甲烷和二氧化碳在煤中的吸附是否包含化