二氧化碳和碱溶液联合驱替煤层瓦斯特性与微观机制

The prevention and control of coal seam gas is an important guarantee for the deep coal mining in China, and the research on its technology and related mechanism is the key to the improvement of the level of prevention and control. The project is aimed at the efficient displacement of coal seam gas as the purpose. This project is aimed at the efficient displacement of coal seam gas as the purpose. The mechanism of gas diffusion in process of gas storage and transportation during process of coalbed methane displacement with carbon dioxide is studied. Differences of diffusion characteristics are obtained during gas adsorption and desorption, and mechanism of the influence is theoretical analyzed. The negative effect of Coalbed methane displacement with carbon dioxide is studied experimentally, then, a new method (coalbed methane displacement combined carbon dioxide and alkali solution) is proposed. The advantages of method are carried out such as coal permeability, water content and gas residue. Further investigation of corrosion characteristics of alkali solution to coal is obtained by chemical analysis, change characteristics of pore distribution, functional group, mineral and thermodynamic properties of coal are tested. The mechanism of coalbed methane displacement combined carbon dioxide and alkali solution is revealed finally. The results of project will help to improve the theory of gas diffusion and mechanism of coalbed methane displacement in coal, provide theoretical and technical guidance for the improvement of gas control technology.

煤层瓦斯防治是我国深部煤炭安全开采的重要保障，其技术及相关机理的研究是防治水平提高的关键。本项目以煤层瓦斯高效驱替为目的，对二氧化碳驱替过程中气体在煤体储运过程中的扩散机制进行研究，考察吸附和解吸过程中扩散特性的差异，理论分析煤体变形对气体流态的影响机制，实验研究二氧化碳驱替煤层瓦斯带来的负面效应，提出二氧化碳和碱溶液联合驱替煤层瓦斯的方法，开展实验研究联合驱替方法对煤体渗透率、含水率以及气体残留量等方面的优势之处，进一步通过分析测试手段深入考察碱溶液对煤体的侵蚀特征，测试煤体的孔隙分布、官能团、矿物质和热力学性质的变化特征，最终揭示二氧化碳和碱溶液对煤体瓦斯的联合驱替机制。研究成果有助于完善气体在煤中的扩散理论和瓦斯驱替机制，为煤层瓦斯防治技术的提高提供理论和技术指导。

瓦斯是制约井下安全高效开采的重要灾害，如何有效提高煤层瓦斯的抽采效果，消除突出危险性对保障井下作业人员的安全具有重要意义。本项目以煤层瓦斯高效驱替为目的，对煤层中气体扩散运移的动态变化机制进行了深入研究，开展了煤中气体的吸附解吸特征变化规律，考察了外界因素对煤中气体渗透率演化的影响机制，在以上研究基础上，分析了二氧化碳驱替煤体瓦斯的特征，并开展了两相联合驱替的实验，阐述了两相联合驱替方法在煤层瓦斯高效驱替方面的优势，进而借助先进分析设备揭示了两相联合驱替方法的微观作用机制。主要研究成果如下：.（1）采用等温吸附解吸装置，研究了不同气体在不同煤样中的吸附解吸特征，温度升高能够减弱气体的解吸迟滞效应，高起始解吸压力造成甲烷和二氧化碳的解吸迟滞效应愈加显著，孔隙形变不是造成气体解吸迟滞现象的主要原因，有可能是“固溶态”现象的存在。.（2）开展了不同条件下煤中气体的渗流实验，认为有效应力和气体吸附导致煤体孔径改变，两者呈竞争态势控制气体渗透率的变化。基于孔隙形变，重新构建了气体努森数和渗透率理论模型，模型对实验数据具有良好的匹配效果，孔隙形变能够显著影响甲烷气体扩散动力学特征。.（3）二氧化碳对煤中吸附态甲烷的置换驱替效应优于氮气，注入压力和温度提高对二氧化碳驱替效果影响较弱，但温度升高可有效降低驱替后残余气体含量。二氧化碳驱替后采用碱性溶液再次驱替，可有效提高煤体注水效果，降低煤中气体渗透率。两相联合驱替改善了煤体孔隙中气液接触特征，通过化学吸收消除了二氧化碳气体残留的问题。.（4）借助先进测试仪器测试了碱溶液侵蚀前后煤样物化性质的变化，碱溶液侵蚀后煤中部分矿物在碱性环境中溶解碎裂并重新分布，煤体孔隙分布发生改变，2-5nm孔径范围的孔变化较大，降低了煤体的平均孔径但提高了比表面积，进而导致碱溶液侵蚀后煤体对甲烷气体的吸附作用增强。