煤與瓦斯突出災害防治是世界各國煤礦生產中面臨的重大難題。在以往煤與瓦斯相互作用機制的研究中,對瓦斯不同賦存狀態(tài)下的煤體變形及其動態(tài)發(fā)展的研究往往忽略了對煤體吸附/解吸瓦斯過程中發(fā)生變形的這一特殊力學行為的研究。本文以含瓦斯煤體作為研究對象,以煤的孔隙特征、顯微和大分子結構特征分析以及試驗裝置和試驗方法的研發(fā)為基礎,以實驗室模擬試驗和理論分析為手段,研究了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形特征及相關因素的影響。通過本文工作,建立了系統(tǒng)的吸附/解吸變形試驗方法,揭示了瓦斯作用下煤的吸附/解吸變形試驗規(guī)律,為進一步全面地研究煤體瓦斯賦存特征,探討煤與瓦斯突出機理及有效防治煤與瓦斯突出災害的技術途徑奠定理論基礎。本文主要研究成果如下:①在對前人的研究進行歸納總結的基礎上,結合實驗室試驗對不同煤級煤尤其是軟煤和硬煤的孔隙特征和顯微、大分子結構特征進行了研究。結果表明,不同煤級煤孔隙結構特征和形態(tài)特征差異明顯。構造作用使軟煤各級孔隙相比硬煤更為發(fā)育,孔容和比表面均明顯增大,孔隙連通性也比硬煤好;構造作用也使軟煤和硬煤中元素富集特征產生差異,具體表現(xiàn)為軟煤灰分中含有更多的金屬氧化物;軟煤和硬煤具有相同的官...

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【學位級別】：博士

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1 緒論
    1.1 問題的提出及研究意義
        1.1.1 問題的提出
        1.1.2 研究的意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 煤與瓦斯突出機理研究現(xiàn)狀
        1.2.2 煤孔隙特征研究現(xiàn)狀
        1.2.3 煤吸附/解吸特性研究現(xiàn)狀
        1.2.4 煤吸附/解吸變形特性研究現(xiàn)狀
    1.3 主要研究內容及技術路線
        1.3.1 主要研究內容
        1.3.2 技術路線
2 煤的孔隙特征、顯微和大分子結構特征
    2.1 概述
    2.2 基礎實驗測試
    2.3 不同煤級煤的孔隙特征
        2.3.1 孔隙特征測試
        2.3.2 孔隙結構特征
        2.3.3 孔隙形態(tài)特征分析
    2.4 軟煤和硬煤孔隙特征對比分析
        2.4.1 孔隙結構特征對比
        2.4.2 孔隙形態(tài)特征對比
    2.5 軟煤和硬煤顯微結構及元素分析
        2.5.1 樣品制備與實驗方法
        2.5.2 顯微結構特征
        2.5.3 樣品主要元素分析
    2.6 軟煤和硬煤傅立葉變換紅外光譜結構分析
        2.6.2 樣品制備與實驗方法
        2.6.3 樣品FTIR結構特征分析
    2.7 本章小結
3 煤層瓦斯吸附解吸變形動態(tài)測試裝置研制及試驗方法
    3.1 概述
    3.2 主要功能及原理
        3.2.1 主要功能
        3.2.2 測試原理
    3.3 設備研制技術方案
        3.3.1 氣體控制系統(tǒng)
        3.3.2 氣體壓力采集系統(tǒng)
        3.3.3 應變采集系統(tǒng)
        3.3.4 控溫系統(tǒng)
        3.3.5 抽真空系統(tǒng)
        3.3.6 輔助設備
    3.4 設備研制中的關鍵技術
        3.4.1 裝置氣密性
        3.4.2 恒溫性能
    3.5 試驗方法研究
        3.5.1 狀態(tài)方程選取
        3.5.2 管路體積測試
        3.5.3 吸附/解吸量及應變同步測試
        3.5.4 煤有效孔隙率測試
    3.6 等溫吸附/解吸量測試及數(shù)據(jù)處理方法
        3.6.1 吸附/解吸量測試結果
        3.6.2 解吸試驗結果誤差分析
        3.6.3 解吸數(shù)據(jù)精確擬合方法
    3.7 本章小結
4 原煤和型煤吸附/解吸變形特征對比
    4.1 概述
    4.2 試驗方法
    4.3 吸附/解吸全過程變形動力學特征
    4.4 吸附/解吸變形動力學特征
        4.4.1 吸附膨脹變形動力學特征
        4.4.2 解吸收縮變形動力學特征
        4.4.3 吸附/解吸變形動力學特征綜合描述
    4.5 平衡應變-瓦斯壓力關系
        4.5.1 平衡吸附應變-瓦斯壓力關系
        4.5.2 平衡解吸應變-原始瓦斯壓力關系
    4.6 殘余變形對比分析
    4.7 討論
    4.8 本章小結
5 煤吸附/解吸變形試驗影響因素研究
    5.1 概述
    5.2 試驗方案
        5.2.1 成型力影響試驗方案
        5.2.2 循環(huán)加卸載影響試驗方案
        5.2.3 壓力影響試驗方案
    5.3 成型力的影響
        5.3.1 試驗結果
        5.3.2 成型力對煤等溫吸附/解吸特征的影響
        5.3.3 煤等溫吸附/解吸應變曲線描述
        5.3.4 煤吸附/解吸應變滯后特征及富裕應變分析
        5.3.5 成型力對煤吸附/解吸變形特征影響
        5.3.6 孔隙率和強度對煤吸附/解吸變形的影響機理
        5.3.7 討論
    5.4 循環(huán)加卸載的影響
        5.4.1 試驗結果及分析
        5.4.2 循環(huán)作用對吸附/解吸常數(shù)及應變參數(shù)影響
        5.4.3 循環(huán)作用對煤吸附/解吸應變與吸附量關系的影響
        5.4.4 討論
    5.5 氣體壓力的影響
        5.5.1 試驗結果
        5.5.2 壓力對煤吸附常數(shù)及吸附應變參數(shù)影響
        5.5.3 壓力對富裕應變的影響
        5.5.4 討論
    5.6 本章小結
6 不同煤級煤在不同氣氛下的吸附/解吸量及變形特征
    6.1 概述
    6.2 氦氣氣氛下的“吸附量”及變形特征
        6.2.1 不同煤級煤等溫―吸附量‖測試結果誤差分析
        6.2.2 不同煤級煤變形動力學特征
        6.2.3 不同煤級煤應變曲線演化特征
        6.2.4 不同煤級煤有效孔隙率演化特征
        6.2.5 考慮煤壓縮變形作用的吸附量校正可行性探討
    6.3 甲烷氣氛下的吸附/解吸變形特征
        6.3.1 不同煤級煤等溫吸附/解吸特征
        6.3.2 煤級、構造作用對煤等溫吸附/解吸特征影響機理
        6.3.3 不同煤級煤等溫吸附/解吸應變動力學特征
        6.3.4 不同煤級煤等溫吸附/解吸應變曲線演化特征
        6.3.5 煤級、構造作用對煤等溫吸附/解吸變形特征影響機理
    6.4 二氧化碳氣氛下的吸附/解吸量及變形特征
        6.4.1 等溫吸附/解吸特征
        6.4.2 等溫吸附/解吸變形動力學特征
        6.4.3 等溫吸附/解吸應變曲線演化特征
    6.5 煤吸附/解吸吸附性氣體應變模式
    6.6 煤吸附/解吸應變與吸附量關系模型研究
        6.6.1 等溫吸附/解吸量測試結果可靠性分析
        6.6.2 不同煤級煤吸附/解吸變形與吸附量關系分析
        6.6.3 甲烷氣氛下不同煤級煤吸附/解吸應變與吸附量關系模型
    6.7 煤吸附/解吸變形機理及應變模型研究
        6.7.1 煤吸附/解吸變形機理
        6.7.2 改進的煤吸附/解吸應變模型研究
        6.7.3 模型驗證
    6.8 本章小結
7 水分和溫度對軟煤吸附/解吸變形特征影響
    7.1 概述
    7.2 試驗方案
        7.2.1 不同含水率下試驗方案
        7.2.2 不同溫度條件下試驗方案
    7.3 水分的影響
        7.3.1 試驗結果
        7.3.2 水分對等溫吸附/解吸特征的影響
        7.3.3 水分對等溫吸附/解吸應變曲線演化規(guī)律的影響
        7.3.4 水分對吸附/解吸變形特征影響機理
        7.3.5 考慮水分影響的等溫吸附/解吸應變計算式
    7.4 溫度的影響
        7.4.1 試驗結果
        7.4.2 溫度對吸附/解吸特征的影響及機理
        7.4.3 考慮溫度影響的等溫吸附/解吸方程
        7.4.4 溫度對等溫吸附/解吸應變曲線演化規(guī)律的影響
        7.4.5 溫度對吸附/解吸變形特征影響機理
        7.4.6 溫度對吸附/解吸變形影響校正系數(shù)
    7.5 軟煤吸附/解吸變形對水分和溫度敏感性分析
        7.5.1 敏感性分析方法
        7.5.2 敏感性分析結果
    7.6 本章小結
8 煤吸附/解吸變形特征對煤與瓦斯突出的控制作用
    8.1 概述
    8.2 突出能量分析
    8.3 變形特征對煤與瓦斯突出的控制作用
        8.3.1 煤級和構造程度影響下變形特征對突出的控制作用
        8.3.2 不同吸附性氣體影響下變形特征對突出的控制作用
        8.3.3 水分和溫度影響下變形特征對突出的控制作用
    8.4 本章小結
9 結論與展望
    9.1 主要結論
    9.2 主要創(chuàng)新點
    9.3 后續(xù)研究工作展望
致謝
參考文獻
附錄
    附錄A 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄
    附錄B 作者在攻讀學位期間取得的科研成果目錄
    附錄C 作者在攻讀博士學位期間申請的專利
    附錄D 作者在攻讀博士學位期間參與編寫的教材
    附錄E 作者在攻讀博士學位期間所獲獎勵情況



本文編號：3997900