变形煤物理模拟与吸附—解吸规律研究

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我国煤田地质条件复杂,变形煤(构造煤)分布广泛。变形煤具有瓦斯放散快、易突出、透气性差等特点,一直是矿井瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发研究的重点和难点。针对不同类型变形煤形成的关键力学参数与物理机制、吸附-解吸规律及其控制机理存在的问题,在借鉴前人已有研究成果的基础上,采集平顶山矿区和焦作矿区的原生结构煤及不同类型的变形煤作为研究煤样,分析研究区的成煤地质史和区域构造演化史;模拟变形煤形成时期构造物理环境,对原生结构煤样进行高温高压煤变形实验,探寻不同类型变形煤形成过程中的关键物理参数和力学机制。对不同含水率未变形和变形煤样,进行高温高压纯甲烷气体吸附-解吸实验,探寻高温高压三相介质条件下变形煤吸附-解吸瓦斯的特性和动态控制机理。论文研究取得了以下主要进展:(1)开展了不同类型变形煤形成的高温高压物理模拟实验,初步确定了不同类型变形煤形成的应力-应变条件,分析了不同类型变形煤形成的力学机制。①模拟成煤后的构造物理条件表明,在温度100~150℃之间,围压100~200MPa条件下,大应变量和低应变速率下,煤岩可以发生脆-韧性变形。②除温度、围压条件和煤本身因素外,应变量和应变速率对煤岩变形性质和不同煤体结构特征的形成具有重要影响。在一定高温高压条件下,不同的应变量和应变速率会形成不同的煤体结构组合,且靠破裂面的位置越近,煤体结构破坏越严重。③对比分析了实验变形煤与自然变形煤的孔隙结构参数、孔隙形态、孔隙分形维数、微晶结构参数和吸附-解吸特征等,实验研究表明:应变量不同的实验变形煤,CH4吸附量不同,可以推知,高温高压变形实验条件下,由于应变量的不同而改变了煤孔隙结构,进而影响了煤的吸附性能。说明可以应用实验变形煤来研究部分自然变形煤的吸附性能,为深部未开采煤层变形煤吸附特性的研究提供了一定的可能性。(2)通过高温高压平衡水分条件下变形煤吸附-解吸实验,发现了高温高压平衡水分条件下变形煤吸附-解吸新特性,并且分析了控制机理。①高温高压平衡水分条件下,变形煤表现出吸附-解吸新特性,即随煤的破坏程度增加,朗格缪尔体积VL(无灰基)具有先减小,后增大,再减小的趋势,呈波浪状。②50℃条件下,随煤的破坏程度的增加,煤的平衡水分含量有增大的趋势。③高温高压平衡水分条件下,变形煤表现出的吸附-解吸新特性,是变形煤特有的孔隙结构和水分含量的差异综合作用的结果。④高温高压平衡水分条件下,变形煤吸附-解吸不可逆,解吸滞后;随着煤的破坏程度增加,煤的吸附-解吸不可逆程度加大。因此,在开展实验研究煤、特别是变形煤的解吸特性时,不能用吸附实验数据简单代替。
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