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《中国矿业大学》 2015年
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可溶有机质对煤层瓦斯储运特性影响机理研究

季淮君  
【摘要】:预抽煤层瓦斯是瓦斯防治的根本性措施,然而抽采过程中经常面临瓦斯流量衰减快,纯瓦斯抽采量低等问题,导致瓦斯灾害难以根治。煤复杂的孔隙结构和物质组成是影响瓦斯从其微观孔隙中运移出来的关键因素,而关于煤的物质组成特别是可溶有机质对煤层瓦斯储运特性的影响规律仍需深入研究。本文立足于煤体结构及其物质组成,采用理论分析、实验模拟和实验测试相结合的方法,在分析原煤和抽提残煤的孔隙结构、吸附、扩散及渗流特性差异的基础上,深入分析了可溶有机质对煤孔隙作用机理,进而探讨其对煤吸附特性以及扩散与渗流特性的影响机理。采用四氢呋喃溶剂对长焰煤、气煤、焦煤及无烟煤分别进行微波辅助抽提,得到抽提物(可溶有机质)与抽提余物(残煤)。采用色谱质谱联用仪检测了可溶有机质成分,其成分主要为烃类和含氧化合物,其中以芳香烃为主。分别采用扫描电镜、压汞法及气体(N2、CO2)吸附法系统地观察了和测试了原煤与残煤孔隙表面特征及其孔隙结构参数,对比分析了原煤与残煤孔隙特征及结构参数的变化规律;并应用分形理论定量化分析了它们的变化规律。抽提后,简化了煤孔隙结构,降低了煤中微小孔比例。开展了不同温度下(20°C、30°C和40°C)原煤和残煤的高压甲烷等温吸附实验。基于几种常用的吸附理论模型,分析了原煤和残煤吸附甲烷特征参数的变化规律;依据吸附热力学理论,分析了原煤和残煤的表面自由能变化值、吸附甲烷特征曲线及等量吸附热变化规律,从热力学角度分析原煤及残煤和甲烷之间作用力变化规律,揭示原煤与残煤吸附甲烷差异的本质。抽提后,降低了煤吸附瓦斯能力。开展了原煤和残煤瓦斯放散实验和径向渗透率测试实验。深入分析了原煤和残煤的瓦斯放散量、放散速度、放散系数和渗透率变化规律。表明可溶有机质被溶出后,简化了煤的孔隙结构,减少扩散阻力,增扩煤的渗流通道,减少渗流阻力,有利于瓦斯在煤层中运移出来。基于原煤和残煤的孔隙结构、吸附特性、扩散特性及渗透率变化规律,深入分析了可溶有机质对煤孔隙的作用机理;创造性地使用了“增”(添加柴油)、“减”(溶剂抽提煤中小分子化合物)有机质含量,对比分析原煤、残煤和含油煤等温吸附曲线差异,探讨了可溶有机质对煤吸附特性影响机理;进而分析了可溶有机质对瓦斯在煤中的扩散、渗流的影响机理;最终揭示了可溶有机质对煤层储运特性影响机理。研究成果对进一步开发控制煤体微细观孔隙结构的相关技术具有一定的指导意义。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TD712

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