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受载含瓦斯煤体电性参数的实验研究

作　者: 杨耸
导　师: 王云刚; 刘明举
学　校: 河南理工大学
专　业: 矿业工程
关键词: 电阻率介电常数三轴压缩原煤型煤
分类号: TD713
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 29次
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内容摘要

我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，突出多发生在石炭—二叠系煤层。煤与瓦斯突出发生区域是构造煤发育区和瓦斯富集区的叠加区。研究表明，在煤与瓦斯突出孕育过程中，地质构造异常带和应力集中区的电性参数（主要指电阻率和介电常数）会发生明显变化，从而引起电磁场的空间分布规律发生显著变化。因此，研究含瓦斯煤体的电性参数变化规律对于探明构造煤发育区和瓦斯富集区，预测煤与瓦斯突出的发生具有重要的指导意义。本论文依托国家自然科学基金-受载含瓦斯煤岩体低频电性参数特征研究（50904024），在借鉴前人已有研究成果的基础上，基于矿山岩石力学和地电学理论，建立了含瓦斯煤体低频电性参数测试的实验系统，选择有代表性矿区的不同类型煤样作为研究样品，测试了不同变质程度和不同结构类型不含瓦斯煤体、煤体吸附瓦斯过程中、含瓦斯煤体受载变形破裂过程中电性参数的特征差异和变化规律；同时，对研究样品的工业成份分析、孔隙结构、煤岩组分等进行了实验测试。结合煤岩学、电介质物理学、瓦斯（煤层气）地质学等学科理论，分析了瓦斯、应力、煤岩组构成分、煤岩微观结构、测试频率等对受载含瓦斯煤体在变形破裂过程中的影响机理。通过实验室测试分析和理论研究，本文取得了以下主要进展：（1）不受载荷条件下，原煤的电阻率要小于型煤，介电常数大于型煤。含瓦斯煤的电阻率和介电常数随着对瓦斯吸附量的增加，分别呈负相关和正相关关系，并在达到瓦斯吸附状态后，电性参数趋于稳定；（2）在三轴压缩条件下，含瓦斯煤的电阻率和介电常数数在煤样达到瓦斯吸附平衡状态后，随着应力增加，分别继续以负相关和正相关关系发生变化，而鹤壁贫瘦煤的电阻率出现了随着应力得增大而增大的异常关系；在三轴压缩过程中，原煤的电阻率要远小于型煤，介电常数大于型煤；高变质程度的无烟煤的电阻率要小于鹤壁贫瘦煤的电阻率，介电常数无烟煤要高于贫瘦煤；（3）频率和电性参数成反比关系，频率越低，电性参数越高，频率越高，电性参数越低；瓦斯压力和电阻率呈负相关关系，和介电常数成正相关关系，瓦斯压力越大，电阻率越小，介电常数越大，瓦斯压力越小，电阻率越大，介电常数越小。煤对瓦斯中不同成分的吸附能力不同，不同成分的吸附对电性参数的影响程度不同，煤体分别在含CO2、CH4和N2条件下，对电性参数的影响程度逐渐减小；（4）各个矿区的煤样随着浸水时间的增加，电阻率逐渐减小，介电常数逐渐增大；煤体中的矿物质对电性参数的影响程度各有不同，实验煤样的矿物质中，高岭石对电性参数的影响要远大于以石英、方解石等矿物质对煤体电性参数的影响；煤体的孔裂、裂隙对煤体的电性参数影响较大，原煤的结构致密，裂隙较少，和型煤相比，电阻率较小，介电常数较大。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
1 绪论  12-20
  1.1 研究的意义和目的  12-14
    1.1.1 煤炭资源的需求  12
    1.1.2 煤与瓦斯突出的严重性和预测方法  12-14
  1.2 煤岩电性参数的研究现状  14-17
    1.2.1 煤与瓦斯突出预测方法研究现状  14-15
    1.2.2 煤岩体电性参数研究现状  15-17
  1.3 研究内容、研究方法及技术路线  17-18
    1.3.1 研究内容  17
    1.3.2 研究方法和技术路线  17-18
  1.4 论文的创新之处  18-19
  1.5 本章小结  19-20
2 煤的电特性和介电特性理论  20-32
  2.1 煤的物理性质  20-29
    2.1.1 煤的孔隙结构  20-22
    2.1.2 煤的吸附特性  22-24
    2.1.3 煤的电学性质  24-26
    2.1.4 煤的电介质理论  26-27
    2.1.5 有机固体电介质导电  27-29
  2.2 煤的化学性质和化学结构  29-30
  2.3 本章小结  30-32
3 煤电性参数实验系统的建立  32-46
  3.1 实验的主要仪器  32-38
    3.1.1 LCR 表  32-36
    3.1.2 GPIBUSB_SD 数据采集控制器  36-37
    3.1.3 加载系统  37-38
  3.2 电性参数的测定  38-39
    3.2.1 电阻率的测定  38
    3.2.2 介电常数的测定  38-39
  3.3 不受载荷条件下煤体电性参数测试实验系统  39-40
  3.4 三轴加载条件下含瓦斯煤体电性参数测试实验系统  40-42
  3.5 煤样的制备  42-44
  3.6 本章小结  44-46
4 不受载荷条件下煤体电性参数测试与分析  46-55
  4.1 不受载荷条件下煤电阻率的测试与分析  46-49
    4.1.1 不同变质程度和结构类型煤的电阻率变化规律  46-48
    4.1.2 瓦斯吸附过程中电阻率变化规律  48-49
  4.2 不受载荷条件下煤介电常数测试与分析  49-53
    4.2.1 不同变质程度和结构类型煤的介电常数变化规律  49-51
    4.2.2 瓦斯吸附过程中介电常数变化规律  51-53
  4.3 煤体电性参数的方差分析  53-54
  4.4 本章小结  54-55
5 三轴压缩条件下含瓦斯煤电性参数的测试与分析  55-78
  5.1 含瓦斯煤在三轴压缩条件下的力学性质  55-56
  5.2 三轴压缩条件下含瓦斯煤电阻率变化规律  56-66
    5.2.1 不同结构类型煤的电阻率变化规律  56-57
    5.2.2 不同变质程度煤的电阻率变化规律  57-59
    5.2.3 不同频率下煤的电阻率变化规律  59-62
    5.2.4 不同瓦斯压力条件下煤电阻率的变化规律  62-64
    5.2.5 不同瓦斯气体下对煤电阻率变化规律  64-66
  5.3 三轴压缩条件下含瓦斯煤介电常数变化规律  66-75
    5.3.1 不同结构类型煤的介电常数变化规律  66-67
    5.3.2 不同变质程度煤的介电常数变化规律  67-68
    5.3.3 不同频率下煤的介电常数变化规律  68-71
    5.3.4 不同瓦斯压力条件下煤介电常数的变化规律  71-73
    5.3.5 不同瓦斯气体下对煤介电常数变化规律  73-75
  5.4 本章小结  75-78
6 三轴压缩含瓦斯煤电性参数影响因素的研究  78-88
  6.1 煤岩组对受载含瓦斯煤体破裂过程电性参数的影响  78-82
  6.2 孔隙结构对受载含瓦斯煤破裂过程电性参数的影响  82-84
  6.3 水分对煤体电性参数的影响  84-86
  6.4 工业分析等基本参数对煤电性参数的影响  86-87
  6.5 本章小结  87-88
7 研究结论与建议  88-90
  7.1 主要研究结论  88-89
  7.2 建议  89-90
参考文献  90-94
作者简历  94-96
学位论文数据集  96

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