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声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究

作　者: 李建楼
导　师: 严家平
学　校: 安徽理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 声波煤体瓦斯吸附放散有效应力
分类号: X511
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

温室效应导致了全球气候变化异常,环境地质灾害频繁发生,严重影响了人类的生活环境。甲烷是一种温室气体,其温室效应是二氧化碳的21倍,二氧化氮的7倍,对生态环境破坏极强,是大气污染中的主要危害源。据统计,我国每年从矿井中开采煤层时排放的甲烷量约为70亿m3～90亿m3,约占世界甲烷总排放量的30%。由于我国大部分煤层渗透性较差,瓦斯抽采难度大,煤层开采过程中仍有大量瓦斯被排放到大气中,煤层瓦斯抽采效率低下问题仍然是制约大气环境污染控制的瓶颈之一。研究煤与瓦斯固气耦合动力学特征及声波场作用下瓦斯解吸和放散特征,目的是试图改善煤体瓦斯解吸和放散的外部条件。通过自制煤体瓦斯动力作用模拟实验系统,研究了非声场和声场作用条件下煤体的应力场、煤体瓦斯渗透速度和瓦斯解吸放散特征。研究结果表明：①假设围岩不变形,在煤体瓦斯从游离态向吸附态转变过程中,煤体总压力呈下降趋势,瓦斯压力随时间按照对数规律减小,有效应力随时间按照对数规律增大；②假设围岩不变形,在煤体瓦斯处于向大气放散过程中,煤体总压力和瓦斯压力分别随时间按照负指数规律减小,瓦斯放散速度随时间按照对数规律减小；③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；④声波作用于煤体,能够破坏煤体内部的粘结力,增加煤体裂隙宽度,提高煤体的渗透性；当裂隙发育终止后,声波提高煤体渗透性的作用不再明显；⑤稳定持续的声波作用于煤体过程中,煤体有效应力按照对数规律降低。⑥声波振动器产生的周期性动力效应有利于瓦斯的解吸和运移；⑦声波在传播过程中有部分能量转化为热能以及声波振动器的散热效应,一方面使游离瓦斯具有膨胀趋势,一方面使煤体中的吸附态瓦斯解吸,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。针对声波作用于煤体提高煤体瓦斯的解吸和放散能力研究,本文根据自己的实验结果提出了一些新的认识,对于提高瓦斯抽采效率,从而减少矿井瓦斯排放造成的大气污染具有重要的环境意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
引言  14-16
1 绪论  16-35
  1.1 问题的提出  16
  1.2 研究的目的和意义  16
  1.3 国内外的研究现状  16-32
    1.3.1 煤的孔隙和裂隙特征的认识  17-20
    1.3.2 煤中瓦斯吸附和解吸的认识  20-24
    1.3.3 煤体中瓦斯的运移特征  24-26
    1.3.4 煤体渗透性能的影响因素  26-28
    1.3.5 构造煤应力应变、孔隙结构和吸附-解吸的特征  28-29
    1.3.6 声波作用促进固-液耦合介质物相分离的研究  29-30
    1.3.7 超声波作用对煤中瓦斯吸附与解吸特征影响的研究  30-32
  1.4 目前存在的问题与解决方案  32-33
  1.5 主要研究内容和技术路线  33-35
    1.5.1 研究的主要内容  33-34
    1.5.2 研究的技术路线  34-35
2 实验装置设计和实验样品制备  35-47
  2.1 实验装置设计  35-40
    2.1.1 装置设计理念  35-36
    2.1.2 实验装置  36-40
    2.1.3 结语  40
  2.2 实验样品的制备  40-47
    2.2.1 煤样的选择  40-43
    2.2.2 实验气体的选择  43-47
3 煤体吸附与放散瓦斯过程中应力变化特征研究  47-62
  前言  47-48
  3.1 实验设备和样品的制备  48-49
    3.1.1 实验设备  48
    3.1.2 样品的选择和制备  48-49
  3.2 实验方法和实验步骤  49
  3.3 实验结果和分析  49-61
    3.3.1 加压阶段实验数据与分析  49-53
    3.3.2 注气阶段实验数据与分析  53-55
    3.3.3 吸附阶段的瓦斯压力、煤体总压力和有效应力分析  55-58
    3.3.4 放散阶段的瓦斯压力、煤体总压力和有效应力分析  58-60
    3.3.5 斯放散速度与放散时间的关系  60-61
  3.4 本章小结  61-62
4 声波作用对煤体瓦斯渗透性能的影响研究  62-83
  前言  62
  4.1 实验设备和实验样品  62-63
  4.2 实验方法和实验步骤  63-65
    4.2.1 实验方法  63-64
    4.2.2 实验步骤  64-65
  4.3 数据处理和分析  65-81
    4.3.1 声波振动信号处理  65-66
    4.3.2 实验数据分析  66-81
  4.4 本章小结  81-83
5 声波振动促进煤体瓦斯解吸与放散的实验研究  83-101
  前言  83-84
  5.1 实验设备和实验样品  84
  5.2 实验方法和实验步骤  84-85
    5.2.1 实验方法  84
    5.2.2 实验步骤  84-85
  5.3 实验结果和分析  85-100
    5.3.1 自由放散阶段实验  85-87
    5.3.2 振动解吸阶段实验  87-91
    5.3.3 振动增加瓦斯压力实验  91-95
    5.3.4 振动力效应和振动热效应的区分实验  95-100
  5.4 本章小结  100-101
结论和建议  101-104
  6.1 非声波场作用下煤的吸附和放散特征研究  101-102
  6.2 声波场作用对煤体渗透性能的影响研究  102
  6.3 声波振动促进煤体瓦斯解吸与放散的实验研究  102-103
  6.4 本研究的创新点  103
  6.5 进一步研究的建议  103-104
参考文献  104-114
附录A 数据处理模块  114-119
致谢  119-120
作者简介及读研期间主要科研成果  120

声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究

内容摘要

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