煤吸附/解吸变形特征及其影响因素研究
发布时间：2024-06-29 21:13
煤与瓦斯突出灾害防治是世界各国煤矿生产中面临的重大难题。在以往煤与瓦斯相互作用机制的研究中,对瓦斯不同赋存状态下的煤体变形及其动态发展的研究往往忽略了对煤体吸附/解吸瓦斯过程中发生变形的这一特殊力学行为的研究。本文以含瓦斯煤体作为研究对象,以煤的孔隙特征、显微和大分子结构特征分析以及试验装置和试验方法的研发为基础,以实验室模拟试验和理论分析为手段,研究了瓦斯作用下煤的吸附/解吸变形特征及相关因素的影响。通过本文工作,建立了系统的吸附/解吸变形试验方法,揭示了瓦斯作用下煤的吸附/解吸变形试验规律,为进一步全面地研究煤体瓦斯赋存特征,探讨煤与瓦斯突出机理及有效防治煤与瓦斯突出灾害的技术途径奠定理论基础。本文主要研究成果如下:①在对前人的研究进行归纳总结的基础上,结合实验室试验对不同煤级煤尤其是软煤和硬煤的孔隙特征和显微、大分子结构特征进行了研究。结果表明,不同煤级煤孔隙结构特征和形态特征差异明显。构造作用使软煤各级孔隙相比硬煤更为发育,孔容和比表面均明显增大,孔隙连通性也比硬煤好;构造作用也使软煤和硬煤中元素富集特征产生差异,具体表现为软煤灰分中含有更多的金属氧化物;软煤和硬煤具有相同的官...
【文章页数】：255 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题的提出
1.1.2 研究的意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 煤与瓦斯突出机理研究现状
1.2.2 煤孔隙特征研究现状
1.2.3 煤吸附/解吸特性研究现状
1.2.4 煤吸附/解吸变形特性研究现状
1.3 主要研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 煤的孔隙特征、显微和大分子结构特征
2.1 概述
2.2 基础实验测试
2.3 不同煤级煤的孔隙特征
2.3.1 孔隙特征测试
2.3.2 孔隙结构特征
2.3.3 孔隙形态特征分析
2.4 软煤和硬煤孔隙特征对比分析
2.4.1 孔隙结构特征对比
2.4.2 孔隙形态特征对比
2.5 软煤和硬煤显微结构及元素分析
2.5.1 样品制备与实验方法
2.5.2 显微结构特征
2.5.3 样品主要元素分析
2.6 软煤和硬煤傅立叶变换红外光谱结构分析
2.6.2 样品制备与实验方法
2.6.3 样品FTIR结构特征分析
2.7 本章小结
3 煤层瓦斯吸附解吸变形动态测试装置研制及试验方法
3.1 概述
3.2 主要功能及原理
3.2.1 主要功能
3.2.2 测试原理
3.3 设备研制技术方案
3.3.1 气体控制系统
3.3.2 气体压力采集系统
3.3.3 应变采集系统
3.3.4 控温系统
3.3.5 抽真空系统
3.3.6 辅助设备
3.4 设备研制中的关键技术
3.4.1 装置气密性
3.4.2 恒温性能
3.5 试验方法研究
3.5.1 状态方程选取
3.5.2 管路体积测试
3.5.3 吸附/解吸量及应变同步测试
3.5.4 煤有效孔隙率测试
3.6 等温吸附/解吸量测试及数据处理方法
3.6.1 吸附/解吸量测试结果
3.6.2 解吸试验结果误差分析
3.6.3 解吸数据精确拟合方法
3.7 本章小结
4 原煤和型煤吸附/解吸变形特征对比
4.1 概述
4.2 试验方法
4.3 吸附/解吸全过程变形动力学特征
4.4 吸附/解吸变形动力学特征
4.4.1 吸附膨胀变形动力学特征
4.4.2 解吸收缩变形动力学特征
4.4.3 吸附/解吸变形动力学特征综合描述
4.5 平衡应变-瓦斯压力关系
4.5.1 平衡吸附应变-瓦斯压力关系
4.5.2 平衡解吸应变-原始瓦斯压力关系
4.6 残余变形对比分析
4.7 讨论
4.8 本章小结
5 煤吸附/解吸变形试验影响因素研究
5.1 概述
5.2 试验方案
5.2.1 成型力影响试验方案
5.2.2 循环加卸载影响试验方案
5.2.3 压力影响试验方案
5.3 成型力的影响
5.3.1 试验结果
5.3.2 成型力对煤等温吸附/解吸特征的影响
5.3.3 煤等温吸附/解吸应变曲线描述
5.3.4 煤吸附/解吸应变滞后特征及富裕应变分析
5.3.5 成型力对煤吸附/解吸变形特征影响
5.3.6 孔隙率和强度对煤吸附/解吸变形的影响机理
5.3.7 讨论
5.4 循环加卸载的影响
5.4.1 试验结果及分析
5.4.2 循环作用对吸附/解吸常数及应变参数影响
5.4.3 循环作用对煤吸附/解吸应变与吸附量关系的影响
5.4.4 讨论
5.5 气体压力的影响
5.5.1 试验结果
5.5.2 压力对煤吸附常数及吸附应变参数影响
5.5.3 压力对富裕应变的影响
5.5.4 讨论
5.6 本章小结
6 不同煤级煤在不同气氛下的吸附/解吸量及变形特征
6.1 概述
6.2 氦气气氛下的“吸附量”及变形特征
6.2.1 不同煤级煤等温―吸附量‖测试结果误差分析
6.2.2 不同煤级煤变形动力学特征
6.2.3 不同煤级煤应变曲线演化特征
6.2.4 不同煤级煤有效孔隙率演化特征
6.2.5 考虑煤压缩变形作用的吸附量校正可行性探讨
6.3 甲烷气氛下的吸附/解吸变形特征
6.3.1 不同煤级煤等温吸附/解吸特征
6.3.2 煤级、构造作用对煤等温吸附/解吸特征影响机理
6.3.3 不同煤级煤等温吸附/解吸应变动力学特征
6.3.4 不同煤级煤等温吸附/解吸应变曲线演化特征
6.3.5 煤级、构造作用对煤等温吸附/解吸变形特征影响机理
6.4 二氧化碳气氛下的吸附/解吸量及变形特征
6.4.1 等温吸附/解吸特征
6.4.2 等温吸附/解吸变形动力学特征
6.4.3 等温吸附/解吸应变曲线演化特征
6.5 煤吸附/解吸吸附性气体应变模式
6.6 煤吸附/解吸应变与吸附量关系模型研究
6.6.1 等温吸附/解吸量测试结果可靠性分析
6.6.2 不同煤级煤吸附/解吸变形与吸附量关系分析
6.6.3 甲烷气氛下不同煤级煤吸附/解吸应变与吸附量关系模型
6.7 煤吸附/解吸变形机理及应变模型研究
6.7.1 煤吸附/解吸变形机理
6.7.2 改进的煤吸附/解吸应变模型研究
6.7.3 模型验证
6.8 本章小结
7 水分和温度对软煤吸附/解吸变形特征影响
7.1 概述
7.2 试验方案
7.2.1 不同含水率下试验方案
7.2.2 不同温度条件下试验方案
7.3 水分的影响
7.3.1 试验结果
7.3.2 水分对等温吸附/解吸特征的影响
7.3.3 水分对等温吸附/解吸应变曲线演化规律的影响
7.3.4 水分对吸附/解吸变形特征影响机理
7.3.5 考虑水分影响的等温吸附/解吸应变计算式
7.4 温度的影响
7.4.1 试验结果
7.4.2 温度对吸附/解吸特征的影响及机理
7.4.3 考虑温度影响的等温吸附/解吸方程
7.4.4 温度对等温吸附/解吸应变曲线演化规律的影响
7.4.5 温度对吸附/解吸变形特征影响机理
7.4.6 温度对吸附/解吸变形影响校正系数
7.5 软煤吸附/解吸变形对水分和温度敏感性分析
7.5.1 敏感性分析方法
7.5.2 敏感性分析结果
7.6 本章小结
8 煤吸附/解吸变形特征对煤与瓦斯突出的控制作用
8.1 概述
8.2 突出能量分析
8.3 变形特征对煤与瓦斯突出的控制作用
8.3.1 煤级和构造程度影响下变形特征对突出的控制作用
8.3.2 不同吸附性气体影响下变形特征对突出的控制作用
8.3.3 水分和温度影响下变形特征对突出的控制作用
8.4 本章小结
9 结论与展望
9.1 主要结论
9.2 主要创新点
9.3 后续研究工作展望
致谢
参考文献
附录
附录A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
附录B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
附录C 作者在攻读博士学位期间申请的专利
附录D 作者在攻读博士学位期间参与编写的教材
附录E 作者在攻读博士学位期间所获奖励情况
本文编号：3997900
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【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题的提出
1.1.2 研究的意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 煤与瓦斯突出机理研究现状
1.2.2 煤孔隙特征研究现状
1.2.3 煤吸附/解吸特性研究现状
1.2.4 煤吸附/解吸变形特性研究现状
1.3 主要研究内容及技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
2 煤的孔隙特征、显微和大分子结构特征
2.1 概述
2.2 基础实验测试
2.3 不同煤级煤的孔隙特征
2.3.1 孔隙特征测试
2.3.2 孔隙结构特征
2.3.3 孔隙形态特征分析
2.4 软煤和硬煤孔隙特征对比分析
2.4.1 孔隙结构特征对比
2.4.2 孔隙形态特征对比
2.5 软煤和硬煤显微结构及元素分析
2.5.1 样品制备与实验方法
2.5.2 显微结构特征
2.5.3 样品主要元素分析
2.6 软煤和硬煤傅立叶变换红外光谱结构分析
2.6.2 样品制备与实验方法
2.6.3 样品FTIR结构特征分析
2.7 本章小结
3 煤层瓦斯吸附解吸变形动态测试装置研制及试验方法
3.1 概述
3.2 主要功能及原理
3.2.1 主要功能
3.2.2 测试原理
3.3 设备研制技术方案
3.3.1 气体控制系统
3.3.2 气体压力采集系统
3.3.3 应变采集系统
3.3.4 控温系统
3.3.5 抽真空系统
3.3.6 辅助设备
3.4 设备研制中的关键技术
3.4.1 装置气密性
3.4.2 恒温性能
3.5 试验方法研究
3.5.1 状态方程选取
3.5.2 管路体积测试
3.5.3 吸附/解吸量及应变同步测试
3.5.4 煤有效孔隙率测试
3.6 等温吸附/解吸量测试及数据处理方法
3.6.1 吸附/解吸量测试结果
3.6.2 解吸试验结果误差分析
3.6.3 解吸数据精确拟合方法
3.7 本章小结
4 原煤和型煤吸附/解吸变形特征对比
4.1 概述
4.2 试验方法
4.3 吸附/解吸全过程变形动力学特征
4.4 吸附/解吸变形动力学特征
4.4.1 吸附膨胀变形动力学特征
4.4.2 解吸收缩变形动力学特征
4.4.3 吸附/解吸变形动力学特征综合描述
4.5 平衡应变-瓦斯压力关系
4.5.1 平衡吸附应变-瓦斯压力关系
4.5.2 平衡解吸应变-原始瓦斯压力关系
4.6 残余变形对比分析
4.7 讨论
4.8 本章小结
5 煤吸附/解吸变形试验影响因素研究
5.1 概述
5.2 试验方案
5.2.1 成型力影响试验方案
5.2.2 循环加卸载影响试验方案
5.2.3 压力影响试验方案
5.3 成型力的影响
5.3.1 试验结果
5.3.2 成型力对煤等温吸附/解吸特征的影响
5.3.3 煤等温吸附/解吸应变曲线描述
5.3.4 煤吸附/解吸应变滞后特征及富裕应变分析
5.3.5 成型力对煤吸附/解吸变形特征影响
5.3.6 孔隙率和强度对煤吸附/解吸变形的影响机理
5.3.7 讨论
5.4 循环加卸载的影响
5.4.1 试验结果及分析
5.4.2 循环作用对吸附/解吸常数及应变参数影响
5.4.3 循环作用对煤吸附/解吸应变与吸附量关系的影响
5.4.4 讨论
5.5 气体压力的影响
5.5.1 试验结果
5.5.2 压力对煤吸附常数及吸附应变参数影响
5.5.3 压力对富裕应变的影响
5.5.4 讨论
5.6 本章小结
6 不同煤级煤在不同气氛下的吸附/解吸量及变形特征
6.1 概述
6.2 氦气气氛下的“吸附量”及变形特征
6.2.1 不同煤级煤等温―吸附量‖测试结果误差分析
6.2.2 不同煤级煤变形动力学特征
6.2.3 不同煤级煤应变曲线演化特征
6.2.4 不同煤级煤有效孔隙率演化特征
6.2.5 考虑煤压缩变形作用的吸附量校正可行性探讨
6.3 甲烷气氛下的吸附/解吸变形特征
6.3.1 不同煤级煤等温吸附/解吸特征
6.3.2 煤级、构造作用对煤等温吸附/解吸特征影响机理
6.3.3 不同煤级煤等温吸附/解吸应变动力学特征
6.3.4 不同煤级煤等温吸附/解吸应变曲线演化特征
6.3.5 煤级、构造作用对煤等温吸附/解吸变形特征影响机理
6.4 二氧化碳气氛下的吸附/解吸量及变形特征
6.4.1 等温吸附/解吸特征
6.4.2 等温吸附/解吸变形动力学特征
6.4.3 等温吸附/解吸应变曲线演化特征
6.5 煤吸附/解吸吸附性气体应变模式
6.6 煤吸附/解吸应变与吸附量关系模型研究
6.6.1 等温吸附/解吸量测试结果可靠性分析
6.6.2 不同煤级煤吸附/解吸变形与吸附量关系分析
6.6.3 甲烷气氛下不同煤级煤吸附/解吸应变与吸附量关系模型
6.7 煤吸附/解吸变形机理及应变模型研究
6.7.1 煤吸附/解吸变形机理
6.7.2 改进的煤吸附/解吸应变模型研究
6.7.3 模型验证
6.8 本章小结
7 水分和温度对软煤吸附/解吸变形特征影响
7.1 概述
7.2 试验方案
7.2.1 不同含水率下试验方案
7.2.2 不同温度条件下试验方案
7.3 水分的影响
7.3.1 试验结果
7.3.2 水分对等温吸附/解吸特征的影响
7.3.3 水分对等温吸附/解吸应变曲线演化规律的影响
7.3.4 水分对吸附/解吸变形特征影响机理
7.3.5 考虑水分影响的等温吸附/解吸应变计算式
7.4 温度的影响
7.4.1 试验结果
7.4.2 温度对吸附/解吸特征的影响及机理
7.4.3 考虑温度影响的等温吸附/解吸方程
7.4.4 温度对等温吸附/解吸应变曲线演化规律的影响
7.4.5 温度对吸附/解吸变形特征影响机理
7.4.6 温度对吸附/解吸变形影响校正系数
7.5 软煤吸附/解吸变形对水分和温度敏感性分析
7.5.1 敏感性分析方法
7.5.2 敏感性分析结果
7.6 本章小结
8 煤吸附/解吸变形特征对煤与瓦斯突出的控制作用
8.1 概述
8.2 突出能量分析
8.3 变形特征对煤与瓦斯突出的控制作用
8.3.1 煤级和构造程度影响下变形特征对突出的控制作用
8.3.2 不同吸附性气体影响下变形特征对突出的控制作用
8.3.3 水分和温度影响下变形特征对突出的控制作用
8.4 本章小结
9 结论与展望
9.1 主要结论
9.2 主要创新点
9.3 后续研究工作展望
致谢
参考文献
附录
附录A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
附录B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
附录C 作者在攻读博士学位期间申请的专利
附录D 作者在攻读博士学位期间参与编写的教材
附录E 作者在攻读博士学位期间所获奖励情况
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