煤体中瓦斯水合过程阻抗特性研究

The effective acquisition of resistance characteristics of mine gas hydrate has an important influence on the engineering applications of mine gas hydration curing and outburst prevention technology. Accordingly, experimental apparatus is utilized including mine gas hydration curing reaction and resistance monitoring system to simulate the outburst coal occurrence and high pressure water conditions, study the resistance principles of outburst coal during the mine gas hydration curing process and accurately define the kinetic parameters of mine gas hydrate formation (induction time, growth rate) as well as the saturation. Therefore, the author reveals the coal porous and fracture distribution of mine gas hydrate formation; the adsorption force /capillary force formed by porous and fracture; water injection rate/pressure; the gas component concentration and the pressure. With the help of these factors, influential principles of resistance characteristics are studied during the mine gas hydration process. Based on van der Waals-Platteeuw model, Archie equation and mass transfer theory and combined with the resistance monitoring statistics of mine gas hydration process, the author cultivates the kinetic theory model of mine gas hydration curing process and mine gas hydration saturation calculation model. This research aims to clarify the kinetics principles of mine gas hydration curing process in the outburst coal and the significant effect of mine gas hydrate saturation on the coal and mine gas outburst prevention, which laid the foundation for promoting the vertical development using the new technology of gas hydration curing and outburst prevention.

含瓦斯水合物煤体阻抗特性的有效获取对瓦斯水合固化防突新技术的工程应用具有重要影响。据此，利用融合瓦斯水合固化反应和阻抗监测系统于一体实验装置，模拟突出煤体赋存状态和中高压注水条件，研究突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性变化规律，精确界定瓦斯水合物形成动力学参数（诱导时间、生长速率）及饱和度，揭示煤体中瓦斯水合物形成过程煤体孔隙裂隙分布特征、孔隙裂隙形成的吸附力/毛细力、注水量/压力、赋存瓦斯的组分、浓度、压力等因素对瓦斯水合过程阻抗特性的影响规律；基于van der Waals-Platteeuw模型、Archie方程，结合含水合物煤体在瓦斯水合过程阻抗监测数据，建立煤体中瓦斯水合固化过程动力学理论模型和瓦斯水合物饱和度计算模型。本研究工作对阐明突出煤体中瓦斯水合固化动力学规律与瓦斯水合物饱和度在煤与瓦斯突出防治过程中的作用具有重要意义，为推动瓦斯水合固化防突新技术向纵深方向发展奠定基础。

煤与瓦斯突出事故频发严重威胁煤矿生产安全，制约矿业生产的发展，成为我国矿业发展中亟待解决的重大问题。煤体中瓦斯水合固化动力学规律的有效获取及瓦斯水合物分布特征的准确测定，是实现消除煤层突出危险区域的靶向控制的关键，解决瓦斯水合固化防突新技术科学问题的重心为基础煤体中瓦斯水合物的动力学参数和饱和度精确界定对瓦斯水合固化防突新技术的工程应用具有重要影响。据此课题组首先获取了不同突出煤矿的煤体结构特性，利用融合瓦斯水合固化反应和阻抗监测系统于一体实验装置，模拟突出煤体赋存状态和中高压注液条件，以煤体结构特性、瓦斯赋存特征、注水参数作为影响因素，研究了突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性变化规律，精确界定了瓦斯水合物形成动力学参数及饱和度。研究结果表明：.(1)瓦斯水合物在煤体中的孔隙裂隙中形成，会将整个反应体系分割成不同的微元区域，具有较大的孔隙度与裂隙度的煤体，提供了更多的瓦斯水合物成核点。瓦斯水合过程中水的转化率、水合物生长速率、水合物饱和度及含气量随煤体孔隙度裂隙度增大而升高。.(2)煤体中瓦斯组分CH4浓度越高，瓦斯水合物含气量、水的转化率、水合物饱和度越高，气相压力越高瓦斯水合物生长速率越快，瓦斯水合物形成诱导时间随着混合气中CH4浓度的下降呈先减小后增大的变化趋势，而由于液相含气饱和度、热量传递、混合气分压的影响，随气相压力的升高上述关键目标参数，未呈现单调规律性变化。.(3)煤体中含水饱和度降低会改变瓦斯水合物在体系中的分布区域，在相同压力条件下，相同孔隙裂隙煤体中含水量越大，瓦斯水合过程中水的转化率越高，瓦斯水合物在煤体中的形成量越大，瓦斯水合物形成速率越快。.(4)在实验结果基础上，以突出煤体孔隙裂隙分布特征、煤体环境温度、赋存瓦斯的组分、浓度、压力、注水参数等因素作为影响参数，建立了瓦斯水合固化过程动力学理论模型；同时基于Archie方程，结合阻抗数据，建立了瓦斯水合物饱和度计算模型。