连续冲击条件下煤体瓦斯释放效应试验研究

摘要

瓦斯不但对煤矿安全高效开采的构成重大危害，而且又是一种对温室效应贡献很大的气体，向大气中的直接排放显然与全球控制温室气体数量的努力背道而驰，同时，瓦斯也是一种清洁能源，搞好瓦斯抽采，改善我国“贫油、少气、富煤”特有的能源结构，具有很重要的意义。随着煤炭开采深度逐年增加，深部煤层瓦斯的高吸附、低渗透性对实施瓦斯抽采变得更加困难，故本文开展了连续冲击作用下煤体瓦斯释放效应的试验研究，为丰富瓦斯吸附、解吸相关理论，提高煤体渗透性方法进行了相关研究。
　　本论文在国内外关于煤体瓦斯吸附、解吸的理论及各种提高煤体渗透性的方法研究基础上，依托国家自然科学基金项目《声波振动环境下煤体瓦斯解吸与放散机理研究》（编号:40972105）及《煤与瓦斯突出渗透失稳机理研究》(编号:41272171)，以淮南矿区低渗透性、煤与瓦斯突出煤体为研究对象，运用实验研究与理论推导相结合的方法，研究了连续冲击作用下煤体瓦斯的释放效应，揭示了连续冲击作用下煤体瓦斯的释放机理，本论文主要研究的内容及所取得主要结论如下:
　　(1)含瓦斯似天然煤体在连续冲击作用下，对吸附平衡、有效应力及渗透性的影响。结果显示:吸附态的瓦斯会在连续冲击作用下，部分吸附态瓦斯会解吸成游离瓦斯，同时煤体的有效应力会降低，煤体的渗透性会得到显著加强;
　　(2)在冲击能量较小时，连续冲击频率大小的影响。实验表明:相对较小单次的锤击能量(3J)并不能明显提高煤体中气体的释放效率，只有该能量与相应频率(至少为20次/min)的连续冲击作用才能有效地提高煤体中气体的释放效率;
　　(3)研究表明一定能量(3J)与相应频率(80次/min)的连续冲击方法可提高煤体中气体释放效率，最高可达300％。同时在瓦斯释放的后期，连续冲击作用对提高瓦斯气体的释放效果也就越明显，表明这种冲击作用对加速煤体中的微小裂隙及基质中的中、小、微孔瓦斯气体释放更有效果;
　　(4)一定能量(3J)连续冲击作用方法可提高煤体中气体的释放效率，随着连续冲击作用时间的延长，气体的流量并不能维持在初始的峰值速度，随着时间的推移会逐渐降低，但下降稳定后的流量比冲击作用前的流量仍然有所提高;
　　(5)在连续冲击作用影响时间内，实际瓦斯抽采速度提高了95％，有效影响衰减时间约为3h。利用自行设计的连续冲击作用装置，根据现场含瓦斯煤体及煤层特点设计了合适的钻孔布局，并对煤体进行了现场连续冲击试验，在线监测数据显示在连续冲击作用影响时间内，流量提高了约35％，浓度上升了约45％。
　　通过理论分析与试验研究，论文对连续冲击作用下煤体中的瓦斯赋存状态，煤体的有效应力，煤体中气体的释放速度等方面取得了新的认识，为提高钻孔瓦斯抽采效率，确保安全生产，降低温室气体排放，为社会提供清洁能源等提供了一种新思路。

目录

声明

摘要

插图清单

附表清单

引言

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的和意义

1．3 国内外的研究现状

1．3．1 煤层中瓦斯赋存状态的研究现状

1．3．2 煤层中瓦斯赋存空间与运移通道的研究

1．3．3 连续冲击作用

1．4 存在的问题

1．5 研究目标与研究内容

1．5．1 研究内容

1．5．2 拟解决的问题

1．6 研究技术路线

1．7 主要工作量与预期目标

2 含瓦斯煤体瓦斯解吸与运移

2．1 含瓦斯煤体瓦斯解吸方法

2．1．1 降低压力解吸法

2．1．2 温度升高解吸法

2．1．3 竞争吸附成分的置换解吸法

2．2 煤体中气体的运移

2．2．1 扩散

2．2．2 渗流

2．3 影响煤体渗透性能的因素

2．4 提高瓦斯抽采效率的研究

2．4．1 促使瓦斯由吸附态向游离态转变

2．4．2 提高煤体的渗透率

2．5 本章小结

3 连续冲击作用下煤体中瓦斯释放的试验

3．1 实验煤体模型的确定

3．1．1 煤样特征

3．1．2 实验气体

3．1．3 实验煤样模型

3．2 实验装置

3．2．1 设计理念

3．2．2 装置设计

3．2．3 实验过程

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 连续冲击作用下煤体的有效应力动态变化特征

3．3．2 连续冲击作用下通过煤样气体的渗透性特征

3．4 本章小结

4 连续冲击作用下瓦斯气体释放的流量特征

4．1 概述

4．2 实验装置与样品

4．2．1 实验装置

4．2．2 样品制备

4．3 实验方法

4．3．1 气体自然吸附及解吸

4．3．2 不同能量单次冲击作用下煤体气体的释放特征

4．3．3 不同频率的冲击作用

4．3．4 连续冲击作用下气体释放特征

4．4 连续冲击实验结果

4．5 结果分析

4．6 本章小结

5 连续冲击作用下提高钻孔瓦斯抽采效率的工程试验

5．1 现场试验点概况

5．2 煤矿巷道连续冲击装置设计

5．2．1 井下安全连续冲击作用装置的研制

5．2．2 连续冲击作用装置组成

5．2．3 连续冲击作用装置的运行方式

5．3 现场实施作业和要求

5．3．1 前期准备工作

5．3．2 作业方案

5．3．3 现场安全技术注意事项

5．4 现场试验及数据分析

5．4．1 第一次现场试验及结果分析

5．4．2 第二次现场试验及结果分析

5．4．3 连续冲击作用法现场试验小结

6 结论

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 存在问题和今后研究方向

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果