基于阻抗测试法煤体中瓦斯水合物形成动力学研究

【摘要】：煤与瓦斯突出事故频发严重威胁煤矿生产安全,成为我国矿业发展中亟待解决的重大问题。瓦斯水合固化防突新技术旨在防治煤与瓦斯突出事故。准确测定瓦斯水合物在煤体中的分布特征,获得煤体中瓦斯水合物生长速率、含水合物饱和度、含气量随着煤体结构特性、瓦斯赋存特征、注水参数的变化规律,明晰瓦斯水合物在煤体中的形成机制,可以为优化瓦斯水合固化防突工艺提供理论依据,实现煤层突出危险区域靶向消除,对瓦斯水合固化防突新技术的工程化具有重要的应用价值。本文作者设计并搭建了可视化瓦斯水合物可变体积相平衡测定实验装置、瓦斯水合物动力学高压实验系统、以及瓦斯水合固化反应阻抗监测系统,针对不同煤矿的突出煤样,测定了煤体孔隙/裂隙分布特征,基于煤体中瓦斯水合物形成条件,确定了适用于阻抗监测系统的溶液组成,考察了煤体孔隙度/裂隙度、瓦斯压力/浓度、煤体含水饱和度对瓦斯水合物生长速率、含气量和含水合物饱和度的影响规律。研究表明:(1)在瓦斯水合固化反应体系的液相中添加Na Cl溶液,能够将阻抗测试法成功应用于煤体中瓦斯水合物生长速率、含气量和含水合物饱和度的测定与计算,随着溶液中Na Cl质量分数的增加,水合物形成的相平衡压力升高,诱导期延长,成核速率降低,阻抗系统稳定性增强,阻抗监测煤体中瓦斯水合固化体系的最适复配溶液组成为3%的Na Cl和500mg/L的SDS。(2)煤体孔隙度与裂隙度较大的体系中瓦斯水合物生长速率较快、含气量较高、含水合物饱和度较大。不同孔隙/裂隙煤体中瓦斯水合物水合指数均大于理论值5.75。(3)瓦斯水合物成核阶段,由于瓦斯气中各组分浓度和压力的影响,诱导时间随瓦斯中CH4浓度的下降呈先减小后增大的变化趋势,随气相压力的增大逐渐减小。瓦斯水合物生长阶段,气相压力较大、CH4浓度较高体系中瓦斯水合物形成量较大,含水合物饱和度较高。气相压力对瓦斯水合物含气率影响较小,CH4浓度较低体系中瓦斯水合物含气率较高,孔穴填充率较大。(4)瓦斯水合物形成量在相同压力条件下随煤体含水饱和度的升高逐渐增大,生长速率随煤体含水饱和度的升高呈逐渐增大的变化趋势。煤体含水为非饱和状态时,瓦斯水合物分布区域扩大,单层位含水合物饱和度下降。(5)建立的瓦斯水合物饱和度计算模型,可对本文研究范围内的煤体含瓦斯水合物饱和度进行计算,对煤体中瓦斯水合固化的现场应用提供技术支撑。建立的瓦斯水合动力学理论模型,丰富了煤体中瓦斯水合固化工艺的理论基础。