贵州突出煤理化特性及其对甲烷吸附的分子模拟研究

【摘要】：瓦斯灾害不仅是贵州也是全国煤矿面临的重大灾害之一，随着矿井开采深度的增加，瓦斯灾害越来越严重，严重地制约了煤炭工业的持续健康发展。瓦斯灾害是个复杂问题，煤与瓦斯突出机理至今还没有完全清楚。一般认为，煤的物理力学特性、煤层瓦斯和地应力是影响瓦斯灾害的三个重要方面，而每个方面又由许多因素综合作用。本文采用理论分析、物理实验和数值模拟相结合的方法对贵州突出煤的物理化学特性进行了研究，并提出了基于突出煤理化特性的瓦斯防治技术。 通过对贵州突出煤的形成及分布规律分析，确定了合理的煤样选取点。研究认为受聚煤盆地、沉积环境、成煤条件、地质运动、控煤构造等因素影响，贵州主要富煤区为六盘水煤田、织纳煤田、黔北煤田、兴义煤田，其赋存煤层大多数为煤与瓦斯突出煤层。 通过现场观测及实验室测试分析，从工业分析、元素分析、大分子结构分析及破坏类型、显微结构、孔隙结构、比表面积等几个方面，获得了贵州突出煤的物理化学特性。发现贵州突出煤多为破坏强烈的Ⅲ类煤，平行层理面存有晶体物质，层理面和节理面均有孔隙或裂隙，孔径基本上在0～10nm之间。孔径为3～5nm的微孔在煤样中最为丰富，为瓦斯主要吸附空间。 系统地研究了煤对甲烷吸附的分子模拟理论，提出了煤对甲烷吸附的分子模拟算法。针对贵州突出煤对甲烷吸附的特点，提出采用狭缝孔物理模型和微孔填充吸附机理相结合的吸附模型，以及巨正则系统的Monte Carlo理论研究煤的甲烷分子模拟，并通过粒子的插入与删除实现煤对甲烷分子的吸附与解吸过程，获得了孔隙、温度、灰分、水分等对甲烷吸附的影响规律。 开发了专门针对煤对瓦斯吸附的分子模拟软件，验证分析表明模拟得到的吸附等温线与实验基本吻合。利用开发的分子模拟软件，以现场与实验室测定的数据为基础，对不同条件下的瓦斯吸附情况进行模拟。模拟结果表明，煤的孔隙率、灰分、水分与温度等对煤的吸附特性均有影响，其中灰分影响最大。 研究成果为从分子角度预测煤的吸附特性提供了一种新的途径，并提高了分子模拟技术研究煤吸附瓦斯特性的可靠性，可为预测煤层瓦斯压力、瓦斯含量等瓦斯参数提供理论基础。 【关键词】：突出煤 理化特性 甲烷 吸附特性 分子模拟
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• Extended Abstract8-11
• 目录11-15
• 图清单15-21
• 表清单21-25
• 变量注释表25-28
• 1 绪论28-37
• 1.1 研究背景与意义28-30
• 1.2 国内外研究现状30-33
• 1.3 存在的主要问题33-34
• 1.4 主要研究内容34-35
• 1.5 研究思路和技术路线35-36
• 1.6 研究工作的主要进展36-37
• 2 贵州突出煤理化及孔隙特性37-88
• 2.1 贵州突出煤形成与分布37-44
• 2.2 实验样品采集44
• 2.3 贵州突出煤理化特性实验分析44-58
• 2.4 贵州突出煤孔隙特性实验分析58-86
• 2.5 本章小结86-88
• 3 多孔介质煤气固吸附模型88-104
• 3.1 多孔介质煤气固吸附机理88-95
• 3.2 影响煤对甲烷吸附的因素95-99
• 3.3 煤体吸附孔隙的判定与表征99-102
• 3.4 本章小结102-104
• 4 煤对甲烷吸附的分子模拟算法104-116
• 4.1 分子模拟 MonTE CARLO 技术104-106
• 4.2 分子模拟算法106-115
• 4.3 本章小结115-116
• 5 贵州突出煤对甲烷吸附特性的分子模拟及实验结果对比116-151
• 5.1 模拟流程与程序开发116-122
• 5.2 基于分子模拟技术的吸附特性数值实验122-128
• 5.3 分子模拟结果与吸附实验结果对比128-149
• 5.4 本章小结149-151
• 6 实验结果在瓦斯防治中应用151-158
• 6.1 瓦斯抽采151-154
• 6.2 煤与瓦斯突出154-156
• 6.3 本章小结156-158
• 7 结论及展望158-161
• 7.1 主要结论158-159
• 7.2 主要创新点159
• 7.3 研究展望159-161
• 参考文献161-169
• 作者简历169-174
• 学位论文数据集174

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