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CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体规律研究

王明皓  
【摘要】:CO_2驱替煤层瓦斯和煤层注水消突是矿井瓦斯治理工作中的高效工程技术,但当前存在CO_2吸附性强无法从根本上消除突出危险性,常规煤层注水难以进入煤体微孔裂隙致使注水效果差等显著问题。因此,提出了CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体技术,高压CO_2驱替煤层瓦斯后,注入碱性水会与CO_2瓦斯发生化学反应,一方面吸收CO_2,另一方面碱性水会取代CO_2吸附空间,从而进入微孔裂隙内部提高注水效果,达到増透消突的目的。为此本文通过实验测试以及理论分析,研究了CO_2驱替过程中煤层瓦斯孔隙压力变化及气体运移规律,分析了CO_2驱替瓦斯后煤体突出危险指标变化特征以及含CH_4原煤水侵特征,从而提出了CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体技术。进一步研究了CO_2-碱性水两相驱气润煤效应中孔隙压力及含水率变化规律,分析了CO_2-碱性水双重作用对煤体微观结构的影响规律,揭示了CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体过程及机制。自主组建了CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体模拟实验系统,可实现气相驱替实验、煤层高压注水实验、径向稳态渗流实验及CO_2-碱性水两相驱气润煤效应模拟实验,可满足不同覆压、CO_2和CH_4气体切换、不同驱替气体压力和渗透性测试模拟实验,以及实时监测煤体孔隙压力变化情况。开展了煤体注CO_2驱替CH_4模拟实验及含瓦斯煤动力水侵实验。首先测试了注CO_2驱替瓦斯过程中孔隙压力和出气口浓度的变化规律,然后测试了驱替前后煤样孔隙结构、渗透率以及气体分压变化规律,最后测试了含瓦斯煤体水侵压力及含水率变化规律。结果表明,靠近注气口煤体孔隙压力呈现先下降后上升的变化特征,出气口CO_2浓度呈现波动上升的趋势;驱替后煤样的最可几孔径均减小,平均孔径增大,渗透率和CH_4分压呈现不同幅度的降低,对比了煤体对CO_2和CH_4的吸附量差异性,其比值介于1.66:1至4.06:1之间;瓦斯煤动力水侵实验表明煤体孔隙压力上升缓慢,含水率提升不明显,注水效果较差。综合实验结果,本文提出CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体技术。实验对比了CO_2-碱性水两相驱替和CO_2-蒸馏水两相驱替在不同煤样、覆压和注水孔径下的孔隙压力、注水量以及含水率变化规律。结果表明,CO_2-碱性水两相驱替孔隙压力和注水量上升幅度明显,煤体含水率高于CO_2-蒸馏水两相驱替;驱替效果及煤体含水率随覆压的降低和注水孔径的增加提升明显。采用低温物理吸附实验、SEM实验、XRD实验和FT-IR实验,测试了CO_2-碱性水对煤体孔隙结构、表面形貌特征、矿物质和官能团的变化规律。结果显示,CO_2-碱性水对煤体的溶胀作用以及原有孔隙结构中矿物质脱落促进了煤体中孔隙和裂隙结构的增大,对煤体中原有孔隙结构进行“扩孔”作用,使煤体孔隙体积和平均孔径均显著增加;矿物质明显减少,特别体现在水稳性较差的黏土矿物质和方解石。最后通过傅里叶变换红外光谱分析技术分析了煤体含氧官能团的变化情况,揭示了XT煤样含水率的变化规律。揭示了CO_2-碱性水两相驱替瓦斯及润湿煤体对煤体微观结构的影响规律,CO_2-碱性水对煤体的溶胀作用、孔隙结构中矿物质脱落溶解以及其他矿物质化学反应,促进了煤体中孔隙和裂隙结构的扩大,对煤体中原有孔隙结构进行“扩孔”作用,改变了煤体中矿物质和含氧官能团的成分和占比;揭示了CO_2-碱性水两相驱替后煤体含水率增加机理,一方面低变质程度煤体亲水官能团结合水能力较强;另一方面气相驱替后大量CO_2被吸附在微孔内,碱性水注入后通过水溶及化学反应吸收大孔内的CO_2,且碱性水中的OH~-离子与微孔内的CO_2产生反应渗透力,使水慢慢渗入到微孔内。此技术融合了CO_2驱替瓦斯和常规煤层注水的优点,促进了煤层瓦斯的抽采,提高了煤层润湿效果,从而减弱煤层突出危险性。本论文有图32幅,表5个,参考文献92篇


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