电化学强化无烟煤瓦斯解吸渗流特性及其机理研究

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针对我国煤瓦斯储层低渗透、强吸附的特征和目前采用的钻孔、割缝、致裂等卸压方法以及加电场、电磁场、振动、注热等物理方法对提高瓦斯解吸与渗流、提高瓦斯抽采率的效果与范围受限的现状,本文提出并系统研究了电化学强化无烟煤瓦斯解吸渗流特性及其机理,取得了预期效果。所进行的工作及取得的成果主要有:(1)自主研制了电化学强化煤瓦斯解吸渗流试验装置。该装置填补了煤岩流体电动渗流试验装置的空白,基于电渗理论提出了电化学强化煤瓦斯解吸渗流试验方法,为模拟三轴应力下电渗驱动煤岩中液体流动并携带气体运移的研究提供了一种新的手段。(2)完成了电化学改变煤孔裂隙结构的多尺度测试。采用多种方法测试了不同电解液浓度和电位梯度等条件改性后煤样的比表面积、平均孔径、孔隙率、裂隙连通性和裂隙数量,发现电化学作用降低了煤样的比表面积、增大了孔隙率并疏通了填充矿物的孔裂隙,探明了电化学作用对煤孔裂隙结构的影响规律,并采用分形方法表征了改性对煤孔裂隙结构非均质性的影响。(3)进行了电化学改变煤表面特性测试。探索了电化学作用对煤样的润湿性、电动特性和表面基团等表面特性的影响,分析了煤毛细作用力和电动作用力的变化,剖析了表面特性变化的微观作用机理。(4)开展了电化学强化煤瓦斯解吸特性试验。系统研究了电化学作用过程中和电化学作用后煤瓦斯解吸特性的变化,发现煤样的瓦斯解吸率由61.84%增至82.28%,而解吸时间缩短了3/4,分析了pH值、电解液浓度和电位梯度等对煤瓦斯解吸特性的影响规律,排列了这些因素影响程度的主次顺序,揭示了电化学强化煤瓦斯解吸机理。(5)进行了电化学强化煤瓦斯渗透特性试验。详细研究了电化学作用过程中电解液浓度、电位梯度、瓦斯压力与体积应力等对煤瓦斯渗透特性的影响,发现孔隙压力小于3MPa、体积应力大于16MPa时煤瓦斯渗流的电化学强化效果较显著,渗流速度和渗透系数提高了3.12~28.57倍,并随电解液浓度升高呈倒U型变化,随电位梯度升高呈线性规律增大,建立了应力场与电化学场共同作用下的煤瓦斯电动渗流方程。
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