电化学强化无烟煤瓦斯解吸渗流特性及其机理研究

发布时间：2017-08-11 04:22

  本文关键词：电化学强化无烟煤瓦斯解吸渗流特性及其机理研究

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【摘要】：针对我国煤瓦斯储层低渗透、强吸附的特征和目前采用的钻孔、割缝、致裂等卸压方法以及加电场、电磁场、振动、注热等物理方法对提高瓦斯解吸与渗流、提高瓦斯抽采率的效果与范围受限的现状,本文提出并系统研究了电化学强化无烟煤瓦斯解吸渗流特性及其机理,取得了预期效果。所进行的工作及取得的成果主要有：(1)自主研制了电化学强化煤瓦斯解吸渗流试验装置。该装置填补了煤岩流体电动渗流试验装置的空白,基于电渗理论提出了电化学强化煤瓦斯解吸渗流试验方法,为模拟三轴应力下电渗驱动煤岩中液体流动并携带气体运移的研究提供了一种新的手段。(2)完成了电化学改变煤孔裂隙结构的多尺度测试。采用多种方法测试了不同电解液浓度和电位梯度等条件改性后煤样的比表面积、平均孔径、孔隙率、裂隙连通性和裂隙数量,发现电化学作用降低了煤样的比表面积、增大了孔隙率并疏通了填充矿物的孔裂隙,探明了电化学作用对煤孔裂隙结构的影响规律,并采用分形方法表征了改性对煤孔裂隙结构非均质性的影响。(3)进行了电化学改变煤表面特性测试。探索了电化学作用对煤样的润湿性、电动特性和表面基团等表面特性的影响,分析了煤毛细作用力和电动作用力的变化,剖析了表面特性变化的微观作用机理。(4)开展了电化学强化煤瓦斯解吸特性试验。系统研究了电化学作用过程中和电化学作用后煤瓦斯解吸特性的变化,发现煤样的瓦斯解吸率由61.84%增至82.28%,而解吸时间缩短了3/4,分析了pH值、电解液浓度和电位梯度等对煤瓦斯解吸特性的影响规律,排列了这些因素影响程度的主次顺序,揭示了电化学强化煤瓦斯解吸机理。(5)进行了电化学强化煤瓦斯渗透特性试验。详细研究了电化学作用过程中电解液浓度、电位梯度、瓦斯压力与体积应力等对煤瓦斯渗透特性的影响,发现孔隙压力小于3MPa、体积应力大于16MPa时煤瓦斯渗流的电化学强化效果较显著,渗流速度和渗透系数提高了3.12～28.57倍,并随电解液浓度升高呈倒U型变化,随电位梯度升高呈线性规律增大,建立了应力场与电化学场共同作用下的煤瓦斯电动渗流方程。
【关键词】：瓦斯抽采 解吸规律 渗透性 电化学方法 电渗作用
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 煤瓦斯储运的国内外研究现状14-22
• 1.2.1 煤瓦斯吸附解吸14-17
• 1.2.2 瓦斯在煤中的扩散17-20
• 1.2.3 瓦斯在煤中的渗流20-22
• 1.3 强化煤瓦斯抽采的国内外研究与应用现状22-25
• 1.4 电化学对煤岩作用的国内外研究与应用现状25-29
• 1.4.1 电化学脱硫降灰25-26
• 1.4.2 煤的电化学脱水26
• 1.4.3 岩土的电化学加固26
• 1.4.4 煤电化学液化与气化26-28
• 1.4.5 电化学作用提高石油采收率28-29
• 1.5 本文的研究内容与方法29-31
• 第二章 电化学改变煤孔隙结构的多尺度测试与分析31-55
• 2.1 电化学改性试验装置31-32
• 2.2 煤电化学改性试验32-33
• 2.2.1 试样32
• 2.2.2 试验方案32-33
• 2.2.3 试验过程33
• 2.3 改性前后煤微小孔结构的液氮吸附测试与分析33-42
• 2.3.1 测试原理33
• 2.3.2 测试仪器与性能33
• 2.3.3 测试过程33-34
• 2.3.4 测试结果及其分析34-40
• 2.3.5 电化学改变煤微小孔结构的分形表征40-42
• 2.4 改性前后煤中大孔结构的压汞测试与分析42-51
• 2.4.1 测试原理42-43
• 2.4.2 测试仪器与性能43
• 2.4.3 测试过程43
• 2.4.4 测试结果及其分析43-49
• 2.4.5 电化学改变煤中大孔结构的分形表征49-51
• 2.5 电化学作用改变煤孔隙结构的机理分析51-53
• 2.6 本章小结53-55
• 第三章 电化学改变煤样裂隙结构的测试与机理分析55-75
• 3.1 改性对煤样表面裂隙充填物溶蚀与迁移的SEM测试与分析55-59
• 3.1.1 煤样55
• 3.1.2 测试仪器55
• 3.1.3 测试过程55
• 3.1.4 测试结果及其分析55-59
• 3.2 改性对煤样内部裂隙充填物溶蚀与迁移的显微CT测试与分析59-63
• 3.2.1 煤样59-60
• 3.2.2 测试原理60
• 3.2.3 测试仪器60-61
• 3.2.4 测试过程61
• 3.2.5 测试结果及其分析61-63
• 3.3 改性对宏观裂隙影响的分形表征与分析63-72
• 3.3.1 分形原理63-64
• 3.3.2 测试煤样64
• 3.3.3 测试方法与过程64-66
• 3.3.4 测试结果及其分析66-72
• 3.4 改性影响煤样裂隙分布的机理分析72-73
• 3.5 本章小结73-75
• 第四章 电化学改变煤表面特性及其机理分析75-97
• 4.1 改变煤表面润湿性的测试与分析75-80
• 4.1.1 测试原理75-76
• 4.1.2 试样76
• 4.1.3 测试仪器76
• 4.1.4 测试过程76-77
• 4.1.5 测试结果及其分析77-80
• 4.2 改变煤毛细作用力的分析80-83
• 4.3 改变煤表面电动特性的测试与分析83-89
• 4.3.1 测试原理83-85
• 4.3.2 煤样85
• 4.3.3 测试仪器85
• 4.3.4 测试过程85
• 4.3.5 测试结果及其分析85-89
• 4.4 改变煤表面基团的测试与分析89-95
• 4.4.1 测试原理89-90
• 4.4.2 试样90
• 4.4.3 测试仪器90
• 4.4.4 测试过程90
• 4.4.5 测试结果及其分析90-95
• 4.5 机理分析与讨论95-96
• 4.6 本章小结96-97
• 第五章 电化学强化煤瓦斯解吸及其机理分析97-115
• 5.1 电化学强化煤瓦斯解吸试验装置的研制97-99
• 5.1.1 试验装置的系统组成与结构97-99
• 5.1.2 主要性能参数99
• 5.1.3 主要功能99
• 5.2 电化学作用过程中煤瓦斯解吸特性的试验研究99-108
• 5.2.1 试验原理99
• 5.2.2 试样99-100
• 5.2.3 试验方案100
• 5.2.4 试验过程100-102
• 5.2.5 试验结果及其分析102-108
• 5.3 电化学作用前后煤瓦斯解吸特性的对比试验与分析108-111
• 5.3.1 试样108
• 5.3.2 试验过程108-109
• 5.3.3 试验结果及其分析109-111
• 5.4 电化学强化煤瓦斯解吸机理分析111-112
• 5.5 本章小结112-115
• 第六章 电化学强化煤瓦斯渗透性的试验与机理分析115-139
• 6.1 电化学强化煤瓦斯渗流试验装置的研制115-119
• 6.1.1 试验装置的系统组成与结构115-118
• 6.1.2 主要性能指标118
• 6.1.3 主要功能118-119
• 6.2 电化学强化煤瓦斯渗透的试验与分析119-133
• 6.2.1 试样119
• 6.2.2 试验方案119
• 6.2.3 试验过程119-121
• 6.2.4 试验结果及其分析121-133
• 6.3 煤瓦斯电动渗流方程的建立133-136
• 6.3.1 煤瓦斯运动方程133-134
• 6.3.2 煤瓦斯流动的连续性方程134
• 6.3.3 煤瓦斯状态方程134
• 6.3.4 煤瓦斯含量方程134-135
• 6.3.5 煤瓦斯电动渗流方程135-136
• 6.4 电化学强化煤瓦斯渗流机理分析136-137
• 6.5 本章小结137-139
• 第七章 结论与展望139-143
• 7.1 主要结论139-141
• 7.2 展望141-143
• 参考文献143-153
• 致谢153-155
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目155-157
• 博士学位论文独创性说明157

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本文编号：654220