表面有机物影响煤体甲烷赋存机制研究及应用

【摘要】：瓦斯灾害是威胁井下安全生产的主要因素之一。瓦斯与煤体共生、共存、共移,形成甲烷与煤体的耦合赋存形式。其中甲烷气体是瓦斯的主要组成部分。国内外学者就影响煤体甲烷赋存因素进行了广泛研究,取得了丰硕成果,但针对煤体表面有机物对赋存甲烷影响的研究较少。因此,本论文开展了表面有机物影响煤体甲烷赋存机制研究及应用,为煤矿治理瓦斯开辟新途径。本文采取理论分析、实验室实验、数值解析与现场试验相结合的方法,针对上社煤矿煤质条件,对表面有机物影响煤体甲烷赋存机制进行了研究。通过理论分析,一方面,从宏观上提出煤体渗流甲烷特性受煤体发育阶段、地应力、脱水演化程度和煤阶的影响因素；另一方面,从微观上引入克努森扩散、达西流动、滑脱效应以及表面有机物气体浓度扩散对煤单一孔隙内甲烷渗流规律的影响,并得出引入各影响因素后的甲烷渗流微分方程。通过实验室实验,电镜扫描观测发现了煤体表面的孤立孔、脉象孔和裂隙孔,通过对比有机溶剂萃取前后煤体表面结构参数的变化,揭示出表面有机物的存在将会降低煤体比表面积,发现孔隙半径多分布在0～20nm之间；通过对比有机溶剂萃取前后煤体吸附解吸甲烷特性的变化,揭示出表面有机物对煤体吸附解吸甲烷作用的影响强于表面结构的影响；通过对表面有机物组分分析,揭示出煤体表面的多碳烷类有机物是影响甲烷赋存的主要物质；通过对比不同溶剂组分在不同压力和温度下溶解甲烷效能的不同,发现各溶液溶解甲烷效能随压力增大而增强、随温度升高而减弱；同时,发现多碳烷类混合溶剂对甲烷溶解效能最好,实验中溶解度数值最高可达30%。通过数值解析,依照理论分析所得的甲烷渗流微分方程,解析并分析出距孔口越近,孔内压力越低,且压力变化速率越大；在孔半径为0～20nm区间内,表观渗透率与达西渗透率的比值都大于1。通过现场试验,对比原始钻孔、萃取钻孔和萃取+溶解钻孔瓦斯涌出量的不同,发现萃取+溶解钻孔出现瓦斯激增的现象,证明向煤体压注萃取+溶解剂可显著提高瓦斯放散初速度,改善煤体的透气性,从而实现高效消突。 【关键词】：有机物 甲烷赋存 煤体结构 吸附解吸 溶解
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 1 引言15-16
• 2 文献综述16-37
• 2.1 选题背景、意义及课题来源16-17
• 2.1.1 选题背景及意义16-17
• 2.1.2 课题来源及目的17
• 2.2 表面有机物影响煤体甲烷赋存机制研究现状17-34
• 2.2.1 煤体吸附气体热动力学特性理论研究现状17-20
• 2.2.2 表面有机物溶解甲烷影响因素研究现状20-23
• 2.2.3 甲烷在两相环境中的溶解度测定方法研究现状23-27
• 2.2.4 煤溶剂抽提及影响因素研究现状27-30
• 2.2.5 煤层瓦斯运移规律的理论研究30-34
• 2.3 论文的研究内容及方法34-37
• 2.3.1 研究内容34-35
• 2.3.2 研究方法35-36
• 2.3.3 技术路线36-37
• 3 表面有机物影响煤体甲烷渗流理论分析研究37-50
• 3.1 表面有机物对煤体孔隙的动态影响模型37-39
• 3.2 瓦斯气体流动微分方程的推导39-40
• 3.3 表面有机物组分对甲烷渗流影响分析40-42
• 3.4 表面有机物分子构型对甲烷渗流影响分析42-46
• 3.5 表面有机物对煤单一孔隙内甲烷渗流影响模型的建立46-49
• 3.6 本章小结49-50
• 4 表面有机物对煤体表面结构及渗流甲烷规律影响研究50-73
• 4.1 表面有机物对孔隙分布特征影响实验研究50-58
• 4.1.1 电镜结构原理及组成52-54
• 4.1.2 扫描电镜对比实验实验目的及原理54
• 4.1.3 扫描电镜对比实验操作步骤54-55
• 4.1.4 扫描结果及分析55-58
• 4.2 表面有机物对煤体表面结构影响实验研究58-65
• 4.2.1 测定煤体结构参数的表征方法58-59
• 4.2.2 实验测试原理59
• 4.2.3 煤样萃取试剂的选择59-60
• 4.2.4 煤样的选择与制备60
• 4.2.5 液氮吸附实验装置60-61
• 4.2.6 实验结果及对比分析61-65
• 4.3 单一煤体孔隙内有机物对甲烷渗流规律影响数值解析研究65-71
• 4.3.1 数值解析原理66-67
• 4.3.2 数学模型的建立67-68
• 4.3.3 数值解析过程68-70
• 4.3.4 数值解析结果分析70-71
• 4.4 本章小结71-73
• 5 表面有机物对煤体吸附解吸甲烷特性影响机制研究73-86
• 5.1 表面有机物对Langmuir方程中a、b值的影响73-76
• 5.2 萃取前后煤体等温吸附解吸甲烷对比实验研究76-85
• 5.2.1 煤体对甲烷气体等温吸附解吸实验原理76
• 5.2.2 煤体对甲烷气体等温吸附解吸实验装置76-78
• 5.2.3 煤体对甲烷气体等温吸附解吸实验方案及实验步骤78-79
• 5.2.4 煤体对甲烷气体等温吸附解吸实验结果及分析79-85
• 5.3 本章小结85-86
• 6 表面有机物组分分析及多碳烷类溶剂溶解甲烷效能研究86-106
• 6.1 表面有机成分的傅立叶变换红外光谱分析86-90
• 6.2 表面有机物中定性分析研究90-98
• 6.3 多碳烷类混合溶剂溶解甲烷效能研究98-104
• 6.3.1 溶解实验方案设计99-101
• 6.3.2 甲烷在多碳烷类混合溶剂及萃取剂添加物中溶解数据分析101-104
• 6.4 本章小结104-106
• 7 上社煤矿有机物影响煤体甲烷涌出规律试验研究106-114
• 7.1 工作面概况106
• 7.2 现场观测实施106-108
• 7.3 观测结果及分析108-113
• 7.4 本章小结113-114
• 8 结论114-117
• 8.1 研究结论114-115
• 8.2 主要创新点115
• 8.3 研究展望115-117
• 参考文献117-131
• 附录A 乙酸乙酯萃取液中析出物质GC-MS检索结果131-148
• 附录B 二氯甲烷萃取液中析出物质GC-MS检索结果148-164
• 作者简历及在学研究成果164-168
• 学位论文数据集168

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