表面有机物影响煤体甲烷赋存机制研究及应用

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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。
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