论文中文题名: |
三轴条件下煤样瓦斯吸附-解吸-渗流及变形规律研究
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姓名: |
杨送瑞
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学号: |
21220226062
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保密级别: |
保密(1年后开放)
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论文语种: |
chi
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学科代码: |
085700
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学科名称: |
工学 - 资源与环境
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学生类型: |
硕士
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学位级别: |
工程硕士
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学位年度: |
2024
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培养单位: |
西安科技大学
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院系: |
安全科学与工程学院
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专业: |
安全工程
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研究方向: |
矿井瓦斯灾害防治
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第一导师姓名: |
孔祥国
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第一导师单位: |
西安科技大学
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论文提交日期: |
2024-06-17
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论文答辩日期: |
2024-06-01
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论文外文题名: |
Study on gas adsorption-desorption-seepage laws and deformation of coal samples under triaxial conditions
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论文中文关键词: |
吸附-解吸-渗流 ; 煤体变形 ; 孔隙特征 ; 瓦斯压力 ; 轴压
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论文外文关键词: |
Adsorption-desorption-seepage ; coal deformation ; pore characteristics ; gas pressure ; axial compression
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论文中文摘要: |
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深部煤层瓦斯压力和覆岩应力是影响矿井瓦斯抽采,造成矿井煤岩瓦斯复合灾害的重要因素,瓦斯吸附-解吸-渗流及其变形贯穿煤层瓦斯运移全过程。本文选用核磁共振技术对五种煤样全孔径段孔隙结构进行了表征,通过自主研发的煤层气流固耦合测试实验平台开展了五种煤样的吸附-解吸-渗流及变形全过程实验,分析了吸附量、解吸量、解吸率、渗透率及吸附-解吸-渗流阶段的变形量等特征参数与瓦斯压力和轴压相关性,结合煤样微观孔隙结构特征提出了三轴条件下煤体瓦斯吸附-解吸-渗流机制,建立了瓦斯吸附-解吸-渗流诱导煤体变形模型,并基于现场数据分析了瓦斯压力与覆岩应力对瓦斯预抽效果的影响。
通过核磁共振实验对煤样多尺度孔隙结构特征进行了表征,五种煤样孔径结构特征均表现为微小孔占比超过50%,孔喉在0~0.1 μm范围内占比均超过了65%,对比分析五种煤样孔隙特征,发现赵固(ZG)煤样孔隙连通性远小于其他煤样,煤样不同孔径段分形维数均表现为微孔<小孔<中孔<大孔。
开展了三轴条件下不同煤样吸附-解吸-渗流全过程实验,研究了瓦斯压力与轴压对煤样吸附、解吸、渗流的影响规律。不同瓦斯压力与轴压条件下煤样瓦斯吸附量、解吸量、渗流速率随时间的变化规律均表现为初期的快速增长阶段、中期的缓慢增长阶段和末期的稳定维持阶段;煤样瓦斯吸附-解吸-渗流各阶段稳定后吸附量、解吸量、渗流速率与瓦斯压力呈正相关性,而与轴压呈负相关;综合煤样孔隙特征发现ZG煤样因其微小孔占比面积最大且其0.1~0.25 μm范围内孔喉几乎没有分布导致其瓦斯吸附-解吸-渗流时间远大于其他煤样。
采集了三轴条件下煤样瓦斯运移全过程变形数据,研究了瓦斯压力和轴压对煤样吸附、解吸、渗流各阶段的变形规律。不同瓦斯压力和轴压条件下煤样瓦斯吸附和渗流阶段变形均表现为初期的快速增长阶段、中期的缓慢增长阶段和末期的稳定维持阶段;而煤样瓦斯解吸阶段变形表现为初期的快速衰减阶段、中期的缓慢衰减阶段和末期的稳定维持阶段。煤样瓦斯吸附、解吸和渗流各阶段变形量随瓦斯压力升高而增大,随轴压升高而降低。
基于三轴条件下煤样瓦斯吸附-解吸-渗流实验规律提出了煤体瓦斯吸附-解吸-渗流机制,通过三轴条件下煤样瓦斯运移全过程变形规律建立了瓦斯吸附-解吸-渗流诱导煤体变形模型。应用瓦斯运移全过程机制及变形模型,分析了原始煤层瓦斯原位吸附状态、顺层钻孔预抽瓦斯解吸和渗流过程及各阶段煤体变形规律,结合小庄煤矿40205工作面和40307工作面预抽钻孔布置及抽采数据,探讨了覆岩应力和瓦斯压力对预抽钻孔抽采效果的影响。
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论文外文摘要: |
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The gas pressure and overburden stress in deep coal seams are important factors affecting mine gas extraction and causing coal and rock gas compound disasters. Gas adsorption-desorption-seepage and its deformation run through the whole process of coal seam gas migration. In this paper, the pore structure of the whole pore diameter section of five coal samples was characterized by nuclear magnetic resonance technology. The whole process experiments of adsorption, desorption, seepage and deformation of five coal samples were carried out through the self-developed coalbed methane fluid-solid interaction test platform.The adsorption capacity, desorption capacity, desorption rate, Combined with the microscopic pore structure characteristics of coal samples, the mechanism of gas adsorption-desorption-seepage mechanism was proposed and deformation model induced by gas adsorption-desorption-seepage was established. The effects of gas pressure and overburden stress on the gas pre-pumping effect were analyzed based on field data.
The multi-scale pore structure characteristics of the coal samples were characterized by nuclear magnetic resonance experiments. The pore size structure characteristics of the five coal samples were more than 50%, and the pore throat accounted for more than 65% in the range of 0~0.1μm. The pore connectivity of the five coal samples was compared and analyzed, and it was found that the pore connectivity of the Zhaogu (ZG) coal samples was much smaller than that of other coal samples. The fractal dimensions of the coal samples with different pore sizes were microporous< small pores< medium pores < large pores.
The whole process of adsorption, desorption and seepage experiments of different coal samples under triaxial conditions were carried out. The effects of gas pressure and axial pressure on the adsorption, desorption and seepage of coal samples were studied. The changes of gas adsorption, desorption and seepage rate of coal samples with time under different gas pressures and axial pressure showed a rapid growth stage in the early stage, a slow growth stage in the middle stage and a stable maintenance stage in the late stage. The adsorption capacity, desorption amount and seepage rate of coal sample gas adsorption-desorption and seepage were positively correlated with gas pressure and negatively correlated with axial compression. Based on the pore characteristics of the coal samples, it was found that the gas adsorption-desorption-seepage time of the ZG coal samples was much larger than that of other coal samples due to the largest proportion of tiny pores and the almost no distribution of pore throats in the range of 0.1~0.25 μm.
Based on the experimental law of gas adsorption-desorption-seepage of coal samples under triaxial conditions, the mechanism of gas adsorption-desorption-seepage of coal is proposed, and the deformation model of gas adsorption-desorption-seepage induced by gas migration under triaxial conditions is established. Based on the whole process mechanism and deformation model of gas migration, the in-situ adsorption state of gas in the original coal seam, the desorption process of pre-pumping gas and seepage flow in the bed-down borehole and the deformation law of coal body at each stage were analyzed. Influence of overburden stress and gas pressure on the extraction effect of pre-pumping borehole was discussed by combining the layout and extraction data of pre-pumping borehole in the 40205 and 40307 working faces of Xiaozhuang Coal Mine.
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参考文献: |
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中图分类号: |
TD712
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开放日期: |
2025-06-17
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