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含瓦斯煤体振动增透技术试验研究

作　者: 王松
导　师: 严家平
学　校: 安徽理工大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 高频振波煤层瓦斯吸附解吸测试系统渗透率
分类号: TD712
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

我国煤层气储量大、煤层气储层渗透率低、煤层气开采利用程度很小、矿井瓦斯灾害事故频发。利用地球物理探测方法不能直接找出突出煤层中瓦斯富集区,但是可以利用地球物理探测方法找出相关的地质构造,从而推断瓦斯富集区的位置。然而物探方法只能找出瓦斯的可能富集区,不能应用于瓦斯抽采工艺。因此提高含瓦斯煤体渗透性、研究更加完善的煤层气开采理论和提高低渗透煤层煤层气产量的措施,对我国煤层气开采及煤矿安全生产都有重要的现实意义。本文通过高频振动场影响瓦斯渗流和解吸特性的原理,设计了一种用于对有限体积含瓦斯煤体进行高频振动、促进瓦斯解吸并改变煤体渗透率的瓦斯抽采振动系统。该振动系统以高频振动电机为核心,由激振系统、循环水流降温系统、能量传递系统、吸附解吸测试系统、加压系统、气体供给系统及数据采集系统等多个系统组成。本文主要介绍振动增透系统对含瓦斯煤体渗透性、瓦斯解吸量的影响。模拟了煤岩样品的压实、煤层瓦斯气运移、煤与瓦斯突出以及不同振动条件下的煤的渗透性变化、微观结构变化,并探讨不同频率、振幅、振动时间等条件下瓦斯的解吸特征。本文研究了振动场作用下煤体中瓦斯的吸附解吸过程以及煤体的渗透性变化,并对实验过程中伴随的煤岩总压力、瓦斯压力、瓦斯解吸速度、煤体温度及振动参数等参数进行了数据采集和分析。研究结果表明：在煤体瓦斯自由解吸过程中,煤岩总压力和瓦斯压力随时间近似按照负指数规律减小,瓦斯解吸速度随时间按照对数规律减小,但在解吸初期解吸速率存在一个升高过程；煤体瓦斯在放散过程中对深部高应力区的卸载作用或应力释放效应明显强于低应力区；高频振源装置产生的动力激波效应,使煤体内能增加、瓦斯分子动能增加,有利于瓦斯的解吸和运移；声波在传播过程中有部分能量转化为热能,使游离瓦斯体积膨胀,并使煤体中的吸附瓦斯解吸,从而增加了煤体内部的瓦斯压力,促进了瓦斯向煤体外的空间运移。此外,实验结果还表明在高频振动场作用下,瓦斯解吸量显著增加,渗透率也明显增大,能够实现对含瓦斯煤体振动增透解吸的目标。随着注气压力的增大,渗透率K是下降的,而且振动后K的这种下降趋势更明显。瓦斯自由解吸阶段,解吸量与时间曲线的斜率是逐渐降低的,并逐渐趋于一个稳定值。每个振动解析过程中,解吸速率是快速降低的,但在解吸初始阶段存在一个明显的先升高后缓慢降低的过程。同样在振动促进瓦斯解吸的实验中也发现解吸速率存在这一规律。图41表9参60

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
引言  9-11
目录  11-14
Contents  14-19
第一章绪论  19-33
  1.1 研究背景  19-20
  1.2 研究目的  20-21
  1.3 研究意义  21-22
  1.4 国内外研究动态  22-31
    1.4.1 研究背景概述  22-24
    1.4.2 地球物理场对煤体吸附解吸特征的影响  24-26
      1.4.2.1 应力场对煤体渗透性的影响  25-26
      1.4.2.2 电场对瓦斯吸附解吸特征的影响  26
    1.4.3 瓦斯吸附解吸机理研究  26-28
    1.4.4 振动场对煤体渗透性的影响  28-31
      1.4.4.1 振动场对煤岩体孔隙结构和渗透率的影响  28-29
      1.4.4.2 振动场对油气开采影响的机理  29-31
  1.5 当前存在的问题  31-33
第二章淮南煤田煤的主要特征  33-41
  2.1 主采煤层及煤质  33-34
  2.2 煤中瓦斯含量及分布  34-36
    2.2.1 瓦斯含量区域分布特征  34-35
    2.2.2 瓦斯含量垂向分布特征  35-36
  2.3 煤体结构及渗透特征  36-40
    2.3.1 煤体结构的分类  36-37
    2.3.2 煤体结构分布特征  37-39
    2.3.3 煤体结构分布控制因素分析  39-40
  2.4 煤层瓦斯开发利用情况  40-41
第三章实验煤样选择与处理  41-47
  3.1 望峰岗矿煤样  41-44
    3.1.1 煤样筛分  42-43
    3.1.2 煤样的宏观煤岩类型及主要工业分析指标  43
    3.1.3 煤样的视密度  43
    3.1.4 煤的平均孔径、总孔容和比表面积  43-44
  3.2 潘三矿煤样  44-47
    3.2.1 煤样筛分  44-45
    3.2.2 煤样的宏观煤岩类型及主要工业分析指标  45
    3.2.3 煤样的视密度  45-47
第四章实验方法和原理  47-57
  4.1 振动解吸的基本原理  47-48
  4.2 相关实验条件的准备  48-51
    4.2.1 相关实验设施的研制  48-50
    4.2.2 可控温振源系统的研制  50
    4.2.3 振源装置的室内试验操作流程  50-51
    4.2.4 可控温振源系统的主要技术参数  51
  4.3 振动促进解吸的实验方案设计  51-57
    4.3.1 技术路线  51-53
    4.3.2 实验内容  53-54
    4.3.3 试验步骤  54-57
第五章振动场作用下煤体中应力场及渗透性能研究  57-71
  5.1 振动信号采集设备  57-58
  5.2 煤体瓦斯解吸量的测定  58
  5.3 实验方法和实验步骤  58-60
  5.4 利用调速器和万用表测量变频器对振动棒工作电压的调节  60-61
  5.5 振动棒工作电压与振动频率之间关系  61
  5.6 数据处理和分析  61-68
    5.6.1 数据直观分析  61-62
    5.6.2 谢李矿煤样振动增透实验  62-66
      5.6.2.1 振动前煤体渗透性测试实验  62-63
      5.6.2.2 谢李矿煤样第一次振动增透实验  63-64
      5.6.2.3 后续渗透性测试实验  64-66
    5.6.3 潘三煤矿煤样振动增透实验研究  66-68
  5.7. 实验总结  68
  5.8 结论  68-71
第六章振动场作用下煤中瓦斯解吸与放散特征研究  71-85
  6.1 振动解吸的基本原理  71-73
  6.2 实验方法和实验步骤  73
  6.3 实验结果和分析  73-84
    6.3.1 未经振动煤体瓦斯自由解吸实验  73-76
    6.3.2 振动解吸实验  76-80
      6.3.2.1 振动过程中温度传感器、煤岩压力传感器数值变化情况  76-77
      6.3.2.2 振动期间和振动之后的瓦斯解吸曲线  77-80
    6.3.3 振动后的煤样重新达到吸附平衡后的瓦斯解吸量  80-81
    6.3.4 振动增加瓦斯压力实验  81-84
  6.4 结论  84-85
第七章振动解吸技术开发、利用可行性分析  85-87
参考文献  87-91
致谢  91-93
作者简介及读研期间主要科研成果  93-94

含瓦斯煤体振动增透技术试验研究

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