论文中文题名: | 脉冲超声对煤的孔隙结构及瓦斯解吸动力学特性影响的实验研究 |
姓名: | |
学号: | 20220226084 |
保密级别: | 保密(2年后开放) |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085224 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 安全工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 煤与瓦斯安全共采 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-19 |
论文答辩日期: | 2023-06-03 |
论文外文题名: | Experimental study on the influence of pulsed ultrasound on coal pore structure and gas desorption characteristics |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | pulsed ultrasound excitation ; gas desorption ; pore structure ; fractal dimension ; desorption kinetics |
论文中文摘要: |
我国大部分煤层透气性较差,使得煤层瓦斯采前预抽效果不理想。通过煤层增透促进瓦斯流动,进而提升瓦斯抽采效率是预防矿井瓦斯灾害的关键之一。超声波作为一种新型增透技术,无污染,能耗低,可有效改善煤体孔隙结构,促进瓦斯解吸,对矿井瓦斯灾害防治及开发利用具有重要的意义。本文选择陕西黄陵矿区煤样,采用自主研发的脉冲超声激励设备,研究脉冲超声激励前后煤的孔隙结构特征,分析煤的瓦斯解吸规律。 通过压汞实验、低温氮吸附实验和低温二氧化碳吸附实验,获得脉冲超声激励前后各煤样的孔隙参数,结果发现脉冲超声激励后煤样的平均孔径、孔体积和比表面积均大于无脉冲煤样,且随脉冲次数的增加而增大。由压汞实验可知,随着脉冲次数的增加,煤样滞后环面积明显增大,退汞率由53.6%提升至57.5%,孔隙连通性增加;由低温氮吸附实验和低温二氧化碳吸附实验可知,脉冲超声激励后煤的最大吸附量均高于无脉冲煤样,且最大吸附量随脉冲次数的增加而增大。综合以上三种实验方法的结果,并结合各实验方法测试孔隙特征参数的差异性,提出了全孔径段联孔分析原则,得到联孔后煤样孔体积与比表面积的分布特征。应用分形理论对实验煤样的综合分形维数进行计算,分维值介于2.6471~2.7436,随脉冲次数的增加呈逐渐降低趋势。 使用自主研发的脉冲超声激励煤瓦斯解吸实验系统,进行了不同脉冲次数超声波激励下瓦斯解吸实验,得到了各煤样解吸量、解吸速率随时间变化的关系。同一时间点条件下,脉冲超声激励后瓦斯解吸量明显大于无脉冲煤样,且解吸量随着脉冲次数增加而增大,解吸量增幅最高可达49.05%。脉冲超声激励后瓦斯解吸速率均大于无脉冲煤样,且解吸速率随脉冲次数增加而增大。对比了准一级、准二级动力学方程、Langmuir经验公式和Elovich模型四种解吸动力学模型对瓦斯解吸动力学过程的拟合结果,其中Langmuir经验公式拟合效果最好,并分析了不同脉冲次数与准一级速率常数、准二级速率常数、平衡常数、解吸速率常数等参数之间的关系。 分析了不同脉冲次数的超声波激励下煤体孔隙结构特征对瓦斯解吸的影响,并探讨了脉冲超声作用机理。发现在脉冲超声的激励下,煤样孔体积和比表面积增加的同时,开放孔比例在增加,孔隙连通性增强,进而导致瓦斯解吸量增加;随着总孔体积与总比表面积的增加,煤样的准二级速率常数与平衡常数均呈线性增长趋势;综合分形维数随脉冲次数的增加而下降,且煤样的最大解吸量、最大解吸速率与综合分形维数呈线性降低的趋势;脉冲超声对煤体的破坏效果随次数的增加而增大,促使煤样孔隙分布得到明显改善,孔隙连通性增大。 研究脉冲超声激励下煤体孔隙结构及瓦斯解吸变化规律,可为进一步研发、完善超声激励煤层增渗技术、提高瓦斯灾害防治及瓦斯资源开发水平提供一定的理论依据。 |
论文外文摘要: |
Most coal seam in China have poor permeability, resulting in unsatisfactory pre-extraction effects of coal seam gas before mining. It is one of the key to prevent mine gas disaster to promote gas flow and improve gas extraction efficiency through coal seam permeability improvement. As a new type of transparency enhancing technology, ultrasound is pollution-free and has low energy consumption. It can effectively improve the pore structure of coal, promote gas desorption, and is of great significance for the prevention and development of mine gas disasters. This article selects coal samples from the Huangling mining area in Shaanxi, and uses self-developed pulsed ultrasonic excitation equipment to study the pore structure characteristics of coal before and after pulse ultrasonic excitation, and analyze the gas desorption law of coal. Pore parameters of coal samples before and after pulsed ultrasonic stimulation were obtained by mercury intrusion experiments, low-temperature nitrogen adsorption experiments and low-temperature carbon dioxide adsorption experiments. Results showed that the average pore diameter, pore volume and specific surface area of coal samples after pulsed ultrasonic stimulation were larger than those of the non pulse coal sample, and increased with the increase of pulse times. According to the mercury intrusion experiment, as the number of pulses increases, the hysteresis ring area of coal sample increases significantly, the mercury removal rate increases from 53.6% to 57.5%, and the pore connectivity increases. From the low-temperature nitrogen adsorption experiment and low-temperature carbon dioxide adsorption experiment, the maximum adsorption capacity of coal after pulsed ultrasonic excitation is higher than that of the non pulse coal sample, and the maximum adsorption capacity increases with the increase of pulse times. Combining the results of the above three experimental methods and the differences of pore characteristic parameters tested by each experimental method, the principle of combined pore analysis in the full aperture section was proposed, and the distribution characteristics of pore volume and specific surface area of coal samples after combined pore were obtained. The fractal theory is applied to calculate the comprehensive fractal dimension of the experimental coal sample. The fractal dimension values range from 2.6471 to 2.7436, and gradually decrease with the increase of pulse times. The coal gas desorption experiment system of pulsed ultrasonic excitation was used to carry out the gas desorption experiment under ultrasonic excitation of different pulse times, and the relationship between the desorption amount and desorption rate of each coal sample with time was obtained. Under the condition of the same time point, the desorption amount of gas under pulsed ultrasonic excitation is significantly higher than that of coal without pulse, and the desorption amount increases with the increase of pulse times, and the desorption amount increases up to 49.05%. The desorption rate of gas under pulsed ultrasonic excitation is higher than that of coal samples without pulse, and the desorption rate increases with the increase of pulse times. The fitting results of four desorption kinetic models of gas desorption kinetic process, namely, quasi-first-order kinetic equation, quasi-second-order kinetic equation, Langmuir empirical formula and Elovich model, were compared, among which Langmuir empirical formula had the best fitting effect. The relationship between different pulse times and quasi-first order rate constant, quasi-second order rate constant, equilibrium constant and desorption rate constant was analyzed. The effect of pore structure characteristics of coal on gas desorption under ultrasonic excitation with different pulse times is analyzed, and the mechanism of pulse ultrasonic is discussed. It is found that under the stimulation of pulsed ultrasonic, while the pore volume and specific surface area increase, the proportion of open pores increases and pore connectivity is enhanced, which leads to the increase of gas desorption amount. With the increase of total pore volume and total specific surface area, the quasi second order rate constant and equilibrium constant of coal sample increase linearly. The comprehensive fractal dimension decreases with the increase of pulse times, and the maximum desorption capacity, maximum desorption rate and comprehensive fractal dimension linearly decrease. The damage effect of pulsed ultrasonic on coal body increases with the increase of times, and the pore distribution of coal sample is obviously improved, and the pore connectivity is increased. The study of pore structure and gas desorption change rule of coal under pulsed ultrasonic excitation can provide a theoretical basis for further research and development and improvement of ultrasonic stimulation of coal seam permeability technology, and improve the level of gas disaster prevention and gas resource development. |
参考文献: |
[1] 袁亮. 我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J]. 煤炭学报, 2016, 41(1): 1-6. [2] 谢和平, 任世华, 谢亚辰, 等. 碳中和目标下煤炭行业发展机遇[J]. 煤炭学报, 2021, 46(7): 2197-2211. [3] 刘峰, 曹文君, 张建明, 等. 我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向[J]. 煤炭学报, 2021, 46(1): 1-15. [4] 何满潮. 深部的概念体系及工程评价指标[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(16): 2854-2858. [5] 尚晓吉, 杨维好, 王建国, 等. 不同低温下页岩渗透特征及孔隙结构试验研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(4): 808-816. [6] 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报, 2014, 39(8): 1391-1397. [7] 叶兰. 我国瓦斯事故规律及预防措施研究[J]. 中国煤层气, 2020, 17(4): 44-47. [8] 张千贵, 李权山, 范翔宇, 等. 中国煤与煤层气共采理论技术现状及发展趋势[J]. 天然气工业, 2022, 42(6): 130-145. [9] 袁建梅, 杨德敏. 煤层气开发利用环境影响及对策建议[J]. 环境影响评价, 2019, 41(4): 32-35+58. [10] 谢和平. 深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 煤炭学报, 2019, 44(5): 1283-1305. [11] 林柏泉, 李子文, 翟成, 等. 高压脉动水力压裂卸压增透技术及应用[J]. 采矿与安全工程学报, 2011, 28(3): 452-455. [12] 楚亚培, 张东明, 王满, 等. 基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(9): 1820-1831. [13] 吴拥政, 杨建威. 煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验[J]. 煤炭学报, 2020, 45(3): 927-935. [14] 宋维源, 王忠峰, 唐巨鹏. 水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(4): 78-82. [15] 刘健, 刘泽功, 高魁, 等. 深孔定向聚能爆破增透机制模拟试验研究及现场应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(12): 2490-2496. [16] 张永民, 邱爱慈, 秦勇. 电脉冲可控冲击波煤储层增透原理与工程实践[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(9): 79-85. [17] 刘厅, 林柏泉, 赵洋, 等. 瓦斯非均衡赋存煤层精准冲孔增透技术及应用[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(2): 217-231. [20] 王育慷. 超声波原理与现代应用探讨[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2005, 22(3): 287-290. [21] 刘保县, 鲜学福, 徐龙君, 等. 地球物理场对煤吸附瓦斯特性的影响[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2000, 6(5): 78-81. [22] 应崇福. 超声的应用和超声学的一些基本问题[J]. 科学通报, 1959, 22: 752-753. [24] 李恒乐, 秦勇, 张永民, 等. 重复脉冲强冲击波对肥煤孔隙结构影响的实验研究[J]. 煤炭学报, 2015, 40(4): 915-921. [25] 郭智栋, 曾雯婷, 方惠军, 等. 重复脉冲强冲击波技术在煤储层改造中的初步应用[J]. 中国石油勘探, 2019, 24(3): 397-402. [26] 张慧. 煤孔隙的成因类型及其研究[J]. 煤炭学报, 2001, 26(1): 40-44. [30] 闫爱珍. 用X-射线衍射法研究煤岩显微组分的结构[J]. 河北化工, 2010, 33(2): 22-23. [37] B . B .霍多特, 宋士钊, 王佑安. 煤与瓦斯突出[M]. 中国工业出版社, 1966. [41] 刘常洪. 煤孔结构特征的试验研究[J]. 煤矿安全, 1993, 8: 1-5+49. [42] 吴俊, 金奎励, 童有德, 等. 煤孔隙理论及在瓦斯突出和抽放评价中的应用[J]. 煤炭学报, 1991, 16(3): 86-95. [43] 杨思敬, 杨福蓉, 高照祥. 煤的孔隙系统和突出煤的孔隙系统. 第二届中国国际采矿科学技术会论文集[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1991. [45] 马会腾, 翟成, 徐吉钊, 等. 基于NMR技术的超声波频率对煤体激励致裂效果的影响[J]. 煤田地质与勘探, 2019, 47(4): 38-44. [46] 肖晓春, 潘一山, 吕祥锋, 等. 超声激励低渗煤层甲烷增透机理[J]. 地球物理学报, 2013, 56(5): 1726-1733. [47] 田洪波, 蒋曙光, 李玥, 等. 功率声波激励下无烟煤孔隙变化及裂隙发育研究[J]. 煤矿安全, 2017, 48(8): 9-12. [48] 于国卿, 翟成, 秦雷, 等. 超声波功率对煤体孔隙影响规律研究[J]. 中国矿业大学学报, 2018, 47(2): 264-270+322. [50] 宋超, 姜永东, 王苏健, 等. 超声波作用下煤体微观结构的试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(5): 139-144. [51] 李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 等. 超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(2): 396-404. [52] 聂百胜, 何学秋, 王恩元, 等. 功率声波影响煤层甲烷储运的初步探讨[J]. 煤田地质与勘探, 2004, 6: 23-26. [53] 赵鑫, 肖晓春, 潘一山, 等. 超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2016, 12(5): 151-157. [54] 易俊. 声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 重庆大学, 2007. [57] 蔡进, 马中飞, 李立夫. 煤体瓦斯解吸模型验证分析[J]. 煤矿安全, 2016, 9(47): 176-179. [58] 范加锋. 低位巷瓦斯抽采条件下采空区遗煤自燃规律研究[J]. 工矿自动化, 2023, 49(2): 102-108+124. [60] 李磊, 李晓伟, 王杰, 等. 超声作用下煤体孔隙演变对吸附解吸特性的影响[J]. 矿业研究与开发, 2021, 41(8): 94-100. [61] 鲜学福. 我国煤层气开采利用现状及其产业化展望[C]. 2000. [62] 姜永东, 宋超, 王苏健, 等. 超声波激励下煤层气解吸扩散特性的研究[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(3): 174-179. [63] 赵丽娟. 超声波作用下的煤层气吸附-解吸规律实验[J]. 地质勘探, 2016, 32(2): 21-25. [65] 李建楼, 严家平. 声波作用下煤层瓦斯解吸效应的物理试验装置[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(7): 54-57. [66] 肖晓春, 徐军, 潘一山, 等. 功率超声影响的煤中甲烷气促解规律实验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(1): 65-71. [67] 康智鹏. 超声波激励下煤体微观结构精细表征及解吸渗流特性的研究[D]. 重庆大学, 2019. [69] 熊令, 姜永东, 阳兴洋, 等. 声场促进煤中甲烷解吸的机理研究[J]. 煤炭学报, 2010, 35(10): 1649-1653. [71] 宋晓. 声波作用下煤层气吸附解吸特性研究[D]. 重庆大学, 2014. [72] 李业. 声场作用下煤结构演化机制及煤层气渗流规律的实验研究[D]. 重庆大学, 2018. [73] 韩恩光, 刘志伟, 冉永进, 等. 不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2019, 15(12): 83-87. [74] 王佑安, 杨思敬. 煤和瓦斯突出危险煤层的某些特征[J]. 煤炭学报, 1980, 1: 47-53. [75] 孙重旭. 煤样解吸瓦斯泄出的研究及其突出煤层煤样瓦斯解吸的特点[C]. 《煤与瓦斯突出第三次学术论文集》, 煤炭科学研究总院重庆分院, 1986. [79] 阳兴洋. 声震法促进煤层气解吸扩散流动的机理研究[D]. 重庆大学, 2011. [80] 姜永东, 宋晓, 崔悦震, 等. 声场作用煤中甲烷解吸扩散的特性[J]. 煤炭学报, 2015, 40(3): 623-628. [84] 郭为, 熊伟, 高树生, 等. 页岩气等温吸附/解吸特征[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(7): 2836-2840. [85] 熊明彪, 雷孝章, 田应兵, 等. 钾离子在土壤中吸附和解吸动力学研究进展[J]. 生态环境, 2003, 12(1): 115-118. [87] 戚灵灵, 周晓庆, 彭信山, 等. 基于低温氮吸附和压汞法的焦煤孔隙结构研究[J]. 煤矿安全, 2022, 53(7): 1-6+13. [88] 贾男. 基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究[J]. 煤矿安全, 2021, 52(1): 53-57. [89] 张震, 刘高峰, 李宝林, 等. CO2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(3): 672-684. [90] 顾熠凡, 王兆丰, 戚灵灵. 基于压汞法的软、硬煤孔隙结构差异性研究[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(4): 64-67. [91] 贾腾飞, 王猛, 高星月, 等. 低阶煤储层孔隙结构特征及分形模型评价[J]. 天然气地球科学, 2021, 32(3): 423-436. [92] 琚宜文, 姜波, 侯泉林, 等. 华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理[J]. 地质学报, 2005, 2: 269-285. [93] 陈尚斌, 夏筱红, 秦勇, 等. 川南富集区龙马溪组页岩气储层孔隙结构分类[J]. 煤炭学报, 2013, 38(5): 760-765. [94] 李树刚, 周雨璇, 胡彪, 等. 低阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附性能影响[J/OL]. 煤田地质与勘探, 2023, 1-11. [95] 周三栋, 刘大锰, 蔡益栋, 等. 低阶煤吸附孔特征及分形表征[J]. 石油与天然气地质, 2018, 39(2): 373-383. [97] 胡国忠, 黄兴, 许家林, 等. 可控微波场对煤体的孔隙结构及瓦斯吸附特性的影响[J]. 煤炭学报, 2015, 40(S2): 78-83. [99] 张永民, 蒙祖智, 秦勇, 等. 松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践—以贵州水城矿区中井煤矿为例[J]. 煤炭学报, 2019, 44(8): 2388-2400. [100] 李子文. 低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究[D]. 中国矿业大学, 2015. [101] 李志强, 王登科, 宋党育. 新扩散模型下温度对煤粒瓦斯动态扩散系数的影响[J]. 煤炭学报, 2015, 40(5): 1055-1064. [102] 张登峰, 崔永君, 李松庚, 等. 甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为[J]. 煤炭学报, 2011, 36(10): 1693-1698. [103] 陈振标, 张超谟, 张占松. 利用NMR T2谱分布研究储层岩石孔隙分形结构性[J]. 岩性油气藏, 2008, 1: 105-100. [104] 胡国忠, 朱怡然, 许家林, 等. 可控源微波场强化煤体瓦斯解吸扩散的机理研究[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(3): 1-6. [105] 高正, 马东民, 陈跃, 等. 含水率对不同宏观煤岩类型甲烷吸附/解吸特征的影响[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(8): 97-105. |
中图分类号: | TD712 |
开放日期: | 2025-06-19 |