1、 目 录 1 引言 . 1 1.1 研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 6 1.2.1 煤体吸附瓦斯特性 . 6 1.2.2 煤体吸附 -解吸瓦斯变形机制 . 8 1.2.3 吸附变形实验研究 . 8 1.2.4 吸附瓦斯对煤体强度的影响 . 10 1.3 研究目的、研究内容以及技术路线 .11 1.3.1 本文研究目的 .11 1.3.2 研究的主要内容 .11 1.3.3 技术路线 . 12 2 煤体的物性参数研究 . 13 2.1 煤体孔裂隙微观结构特征 . 13 2.1.1 裂隙结构 . 13 2.1.2 孔隙结构 . 16 2.2 实验煤样孔隙结构试验研究 . 18 2.2
2、.1 实验装置 . 18 2.2.2 吸附解吸等温线测试结果 . 19 2.2.3 煤样等温线对比 . 22 2.3 煤样孔隙结构参数分析 . 23 2.3.1 分析原理 . 23 2.3.2 比表面积分析 . 25 2.3.3 孔径分布分析 . 26 2.3.4 孔容孔径分析结果 . 31 2.3.5 煤体孔隙结构参数对比分析 . 31 2.4 本章小结 . 32 3 煤体吸附解吸变形规律实验研究 . 33 3.1 实验系统 . 33 3.2 实验步骤 . 36 3.2.1 煤试样制备 . 36 3.2.2 实验内容 . 40 3.2.3 实验步骤 . . 40 3.3 实验结果 . 41
3、3.3.1 一次升压吸附 -降压解吸煤体变形曲线 . 42 3.3.2 等梯度升压吸附 -降压解吸煤体变形曲线 . 46 3.3.3 等梯度升压吸附与一次升压吸附实验结果对比分析 . 50 3.3.4 吸附各向异性 . 52 3.4 本章小结 . 53 4 煤体吸附解吸变形规律分析 . 55 4.1 吸附变形规律 . 55 4.1.1 吸附变形与时间的关系 . 55 4.1.2 吸附变形与瓦斯压力的关系 . 57 4.2 解吸变形规律 . 58 4.2.1 解吸变形与时间的关系 . 58 4.2.2 解吸变形与瓦斯压力的关系 . 60 4.3 吸附 -解吸整体过程煤体变形规律 . 61 4.3
4、.1 吸附 -解吸全过程煤体变形曲线 . 61 4.3.2 残余变形 . 63 4.4 煤体变形影响因素 . 65 4.4.1 压力 . 65 4.4.2 煤质 . 67 4.4.3 气体 . 69 4.5 型煤 -原煤吸附变形对比 . 71 4.6 本章小结 . 74 5 机理介绍及应用探讨 . 76 5.1 瓦斯对煤体变形的作用机理 . 76 5.2 变形对煤体性质的影响 . 77 5.2.1 变形对有效应力的影响 . 77 5.2.2 变形对煤体孔隙率渗透率影响 . 81 5.2.3 变形对煤体强度影响 . 83 5.3 煤体变形应用探讨 . 84 5.4 本章小结 . 84 6 结论与
5、展望 . 错误 !未定义书签。 6.1 本文主要结论 . 错误 !未定义书签。 6.2 展望 . 错误 !未定义书签。 参 考 文 献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 在学期间发表学术论文 . 错误 !未定义书签。 在学期间参加科研项目 . 错误 !未定义书签。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 1 1 引言 1.1 研究意义 在煤炭，石油，天然气，水电、核电、风电等诸多现有能利用的能源中，煤炭是重要的基础能源和原料，在我国国民经济中具有重要的战略地位。 自 1978年以来，煤炭在我国能源生产总量中所占比例呈上升趋势， 2004 年原煤在我国能源生产总量中的比重增长
6、至 77.1%，这之后原煤比重一直居高不下。而我国煤炭消费量在能源消费总量中所占比例虽近年来有所减少， 但仍保持在 70%左右，远远高于其他能源构成所占比例，实际 煤炭消费量 也 始终保持增长趋势。依据2002-2012 年 间 我国原煤产量 1（见 图 1.1）以及 1978 年以来 煤炭在我国能源生产和 能源 消费中所占比例 （见 图 1.2 及 图 1.3） ，可以预知，在今后几十年内，煤炭仍将是我国居支配地位的能源。 05101520253035402002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012年份原煤产量/亿吨图 1.1
7、2002-2012 年我国原煤产量 Fig.1.1 Coal production in China between 2002-2012 0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.01978 1980 1985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012年份占能源生产总量的比重(%)原 煤 原 油 天然气 水电、核电、风电图 1.2 1978 年以来 我国 能源生产总量及构成
8、2 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 2 Fig.1.2 Chinas total energy production and its composition since 1978 0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.01978 1980 1985 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012年份占能源消费总量的比重(%)煤 炭 石 油 天然气 水电、核电、风电图 1.3
9、1978 年以来 我国 能源消费总量及构成 Fig.1.3 Chinas total energy consumption and its composition since 1978 矿井瓦斯是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体，常积聚在巷道的上部及高顶处。矿井瓦斯是煤矿“五大”灾害之首，它可能引发的危害包括：瓦斯燃烧，瓦斯爆炸，瓦斯窒息 ，煤与瓦斯突出 等等 3。 煤与瓦斯突出是井下采煤 过程中发生的一种极其复杂的动力现象， 指 在 短时间内由煤体向巷道或采场突然喷出大量的煤炭 并 涌出大量瓦斯 ， 突出 会造成十分巨大的动力效应 ， 对人员、设备及环境 产生严重 危害。我国高瓦斯和瓦斯
10、突出矿井 数量巨大，在 全部国有矿井 中的比例约为 50%，而且 随着开采深度的增加 ， 矿井瓦斯涌出量和煤层的突出危险性也在 迅速增大 4。 我国煤与瓦斯突出灾害十分严重。 2003-2013 年 11 年间共发生煤与瓦斯突出事故 276 起，造成 2127 人死亡（不包括失踪人数） ，平均每起事故造成 7.7 人死亡 。煤与瓦斯突出事故后果严重， 煤与瓦斯突出事故一旦 发生，除对设备和环境的危害外，一般都会造成人员伤亡。煤与瓦斯突出事故发生后还可能引发瓦斯爆炸等其他瓦斯事故，造成更严重的后果。 2009 年 11 月 21 日，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生煤与瓦斯突出，后又引起瓦斯
11、爆炸， 事故造成 108 人遇难。 所以预防煤与瓦斯突出事故是保证煤矿安全生产的重中之重。 现将 2003-2013 年 11 年间发生的煤与瓦斯突出事故分类统计，仅按死亡人数将此期间发生的事故分成死亡 1-2 人的一般事故；死亡 3-9 人的较大事故；死亡10-29 人的重大事故和死亡 30 人及其以上的特别重大事故，分类统计 结果如 表1.1 和 表 1.25。 表 1.1 2003-2013 年间 我国 煤与瓦斯突出事故死亡人数统计 Table1.1 The death toll statistics of coal and gas outburst in China between 2
12、003-2013 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 3 表 1. 2 2003-2013 年间 我国 煤与瓦斯突出事故起数统计 Table1.2 The number of coal and gas outburst in China between 2003-2013 年份 事故起数 合计 一般事故 较大事故 重大事故 特别重大事故 2003 30 33 5 0 68 2004 12 25 4 0 41 2005 19 18 3 0 40 2006 2 28 9 0 39 2007 0 23 6 1 30 2008 0 25 6 1 32 2009 1 17 0 2 20 2010 4 19
13、 2 2 27 2011 3 14 4 1 22 2012 1 10 2 0 13 2013 0 9 3 0 12 合计 72 221 44 7 344 将 2003-2013年 11年间煤与瓦斯突出事故起数和死亡人数 的 统计结果绘制成柱形图 ，见图 1.4 和图 1.5。从图中可以看出，较大事故每年都有发生，且无论发生的起数还是死亡人数除个别 年份 例外外，每年累计最多。 2007-2011 年每年都有特别重大事故发生，特别重大事故虽然发生的次数较少 ， 但其造成的人员伤亡在其所在年份所占比例很大，即特别重大事故 一旦发生，就会造成极其严重的后果。从 2012 年开始，煤与瓦斯突出事故发生
14、的起数和死亡人数较前几年都有年份 死亡人数 合计 一般事故 较大事故 重大事故 特别重大事故 2003 47 147 69 0 263 2004 20 110 53 0 183 2005 26 82 49 0 157 2006 3 119 117 0 239 2007 0 108 79 35 222 2008 0 124 86 37 247 2009 0 98 0 138 236 2010 2 99 36 81 218 2011 6 86 54 35 181 2012 1 43 40 0 84 2013 0 50 47 0 97 合计 105 1066 630 326 2127 中国矿业大学（
15、北京）硕士学位论文 4 明显下降， 可以看出 我国采取的防治煤与瓦斯突出的措施产生了效果。 2014 年煤与瓦斯突出事故 数据未做统计，但 14 年元旦刚过完就发生了两起煤与瓦斯突出事故，一起是 1 月 3 日 湖北宜昌 五峰县红票湾煤矿煤与瓦斯突出事故， 致 3 人死亡 ； 另外一起是 1 月 4 日 贵州中田煤矿煤与瓦斯突出事故 ，造成 4 人死亡。这必须引起我们的反思，煤矿安全 生产一丝一毫都不能 松懈。 051015202530352003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013年份煤与瓦斯突出事故发生起数一般事故 较大事故
16、重大事故 特别重大事故图 1.4 2003-2013 年间 我国 煤与瓦斯突出事故起数 柱形图 Fig.1.4 The number of coal and gas outburst in China between 2003-2013 0204060801001201401602003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013年份煤与瓦斯突出事故死亡人数一般事故 较大事故 重大事故 特别重大事故图 1.5 2003-2013 年间 我国 煤与瓦斯突出事故死亡人数柱形图 Fig.1.5 The death toll of coal an
17、d gas outburst in China between 2003-2013 2003-2013 年每年发生的煤与瓦斯突出事故起数及其对应的死亡人数统计如图 1.6，从图中可以看 出， 2003 年到 2013 年煤矿发生煤与瓦斯突出事故的起数呈下降趋势，而煤与瓦斯突出事故死亡的人数一直到 2010 年都居高不下， 2012年和 2013 年因煤与瓦斯突出事故造成的人员死亡才开始下降。 煤与瓦斯突出事故起数与死亡人数对应关系见图 1.7。 2003-2013 年 11 年间共发生煤与瓦斯突出事故 344 起，其中一般事故 72 起，较大事故 221 起，重大事故 44 起，特别重大事故
18、7 起。 2003-2013 年间发生的 344 起煤与瓦斯突出事故共造成 2127 人死亡，其中一般事故死亡人数 105 人，较大事故死亡人数 1066 人，中国矿业大学（北京）硕士学位论文 5 重大事 故死亡人数 630 人，特别重大事故死亡人数 326 人，如图，较大事故发生起数最多，死亡人数也最多；重大事故和特别重大事故虽然发生起数较少，但造成的人员伤亡也很大；一般事故虽单个事故造成的人员伤亡少，但发生的次数多了，累计造成的人员伤亡也不容忽视。总之，应采取措施，避免任何一类煤与瓦斯突出事故的发生。 0501001502002503002003 2004 2005 2006 2007 2
19、008 2009 2010 2011 2012 2013年份死亡人数死亡人数 事故起数图 1.6 2003-2013 年 我国 煤与瓦斯突出事故起数和死亡人数 对比 图 Fig.1.6 The comparison chart of coal and gas outburst accidents and fatalities in China between 2003-2013 020040060080010001200一般事故 较大事故 重大事故 特别重大事故事故分类死亡人数050100150200250事故起数 死亡人数图 1.7 不同严重程度的 煤与瓦斯突出事故起数与死亡人数 统计图 F
20、ig.1.7 Chart of coal and gas outburst accidents and fatalities of different severity 煤层气 不单单 是井下采掘中煤与瓦斯突出 事故发生 潜能的 最重 要 的 组成 成分 ， 同时 也是 一种 清洁 的能源，在 中 国 有 相当 丰富 的 储量 。 中 国 目前探测到的距地表两千米以内的煤层气资源的总量有约 37 万亿立方米， 相当于 52 1012 千克标准煤， 其总量与我国常规天然气资源的陆上总储量相当，在全球范围内占前三位 6。 如果能对这些煤层气进行有效的抽采，既能解决我国 一直以来的 能源短缺问题，
21、又能降低煤体潜能减小煤与瓦斯突出危险性， 还能避免 煤矿之前采取的直中国矿业大学（北京）硕士学位论文 6 接将 煤层气排放到 空 气中造成的 温室效应和 环境污染。 要实现煤层气的有效抽采 除了需要 掌握瓦斯 气体 在煤体中的运移规律以 外，还需要深入的了解 抽采瓦斯对煤体性质的影响。 瓦斯气体在煤体中的吸附会 使 煤体基质 产生 膨 胀 变形 ，而瓦斯气体从煤体中 解吸则会使煤体基质产生收缩变形，煤体基质的膨胀和收缩变形则会使煤体基质的一些物理性质如比表面积、微孔隙的体积等等发生改变，进而导致 Fick 扩散过程 的改变，导致 煤体内节理裂纹和层理裂纹的宽度发生变化，并最终使煤体的渗透率发生
22、变化 7-8。 煤体中的瓦斯抽采 排放会引起煤体的收缩变形， 这种收缩变形会影响煤体的强度和煤体的应力状态，使其发生变化， 而 煤体强度和煤体应力状态 的变化直接关系到突出危险煤层 中， 煤与瓦斯突出 事故 的发生、发展 以及 终止的全过程，关系到 突出 防治措施和防治方法的研究与选择 。 因 此研究煤体在瓦斯介质中的变形规律 对于突出灾害防治和指导煤层气抽采都 具有重要意义 9。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤 体 吸附 瓦斯 特性 煤是 一种多孔固体介质，煤介质中包含有大量的裂隙和孔隙， 这些孔裂隙可以分为微孔系统和大孔系统两大类。其中，微孔主要集中在煤基质，煤基质被众多天然裂隙包
23、围，这些天然裂隙形成的网络构成大孔系统，又称割理系统。 煤吸附 瓦斯 气体后膨胀，解吸 瓦斯 气体收缩 10-11。 煤体对瓦斯气体的吸附 不仅包括瓦斯气体分子在煤体表面的吸附，还 包括 瓦斯在煤体孔裂隙系统中的渗流以及扩散。煤体 被瓦斯气体 包围时，瓦斯气体分子并不能同时到达煤体中所有的裂隙和孔隙表面，致使煤体中不同位置产生瓦斯压力梯度和浓度梯度。瓦斯压力梯度的存在使瓦斯 由 煤体中 压力 较 高的位置 经 大德孔隙、裂隙 系统 向 压力较低的位置 渗透 ，渗透过程遵循 Darcy 定理；而瓦斯浓度梯度的存在 则 使瓦斯由 煤体中 浓度高的位置经小孔和微孔系统向浓度低的位置扩散，扩散过程符合
24、 Fick 扩散定律12-13。 瓦斯气体在上述渗流和扩散的同时，会在途经的煤体裂隙表面、孔隙表面发生吸附和解吸。因此，煤体对瓦斯气体的吸附过程是一个包含 渗流 、 扩散、吸附 、解吸 的综合 动态 过程 14。 影响煤 体 对 瓦斯的 吸附 容 量 的因素很多 ， 煤体对瓦斯的吸附 容 量 既有 赖于 外界条件 如 吸附的 瓦斯 气体种类以及吸附的 温度压力条件， 又与 煤 体 本身的性质 密切相关 。煤体对瓦斯的吸附容量 及其影响因素间关系 可以用公式表示为： 瓦斯气体，煤体性质）（ ,f pTV (1- 1) 其中，温度和压力对煤的瓦斯吸附容量的影响较简单，国内外学者专家的研究结论也比较
25、 一致 ： 煤对瓦斯的吸附容量与瓦斯压力呈正相关关系，与环境温度呈负相关关系。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 7 同一种煤样在相同的压力条件下 对不同气体的吸 附容量 不同 。周健 15运用量子化学理论，从微观角度研究了 CO、 CO2 及 CH4 气体分子与煤表面分子的作用规律，分子吸附模拟的结果表明，煤对三种气体吸附的亲和顺序为：CO2COCH4。崔永君 19开展了四种不同煤级的煤样 分别 吸附 N2、 CO2、 CH4三种瓦斯气体的实验研究，结果表明，任一种煤在相同的平衡条件下对 CO2 的吸附量最大，对 CH4 的吸附量次之，对 N2 的吸附量最小。 王宝俊 16运用 量子化学半经
26、验方法 ， 从分子水平描述了 CH4、 CO2、 CO、 H2O(g)、 O2 以及 H2 等 6 种气体与煤表面分子的吸附作用 ， 研究结果表明煤对 CH4 和 H2 的吸附作用最弱、对 H2O(g)和 CO2 的吸附作用较强，对 CO 和 O2 的吸附作用最强。 煤 体 本身性质对其吸附瓦斯性能的影响较为复杂， 现就 煤的变质程度 和 孔隙结构 对其吸附量的影响 讨论如下： （ 1）煤 的变质程度 Ettinger17实验 研究了煤对 CH4 的吸附 容 量与煤 的 变质程度的关系，研究 结果 表明煤对甲烷的吸附容量 随着煤变质程度的升高 而 逐渐增大。 Eddy 等 18总结并 分析了美
27、国 三百 多个煤样以及我国焦作地区无烟煤 煤样所 含 瓦斯 气 体 量 的相关 数据， 分析结果显示，随煤阶的增高，煤中所 含 瓦斯 气 体 量 也相应的变大。 崔永君等人 19在其开展的不同煤级煤样等温吸附不同瓦斯气体 （ CH4、 N2、 CO2）的试验中也发现， 煤吸附瓦斯的平衡条件相同时，不同煤样对相同瓦斯气体的吸附量不同，煤级越高的煤的瓦斯吸附量越大。 降文萍 20-21从量子化学角度计算 了不同 煤吸附 不同瓦斯气体 的吸附势阱， 发现 对于同一种瓦斯气体， 煤的变质程度越高， 瓦斯在煤表面的吸附势阱越大，煤 对瓦斯的吸附量越大。 Yee 等 22指出煤 对瓦斯气体 的吸附能力随煤
28、阶 的 增高呈 现 U 字型 的 变化 趋势 。陈振宏 23在前人研究的基础上，结合自身实测数据 ，建立了煤 吸附甲烷能力随煤阶增加的三段式变化关系：阶段 1： R0 3.5%， 此阶段，随 着 煤化程度的增大 ， 煤的朗格缪尔体积 反而有所下降。 苏现波 24-25研究发现煤对瓦斯 气体 的吸附能力以及吸附势随煤阶的 增大 呈现阶段式 变化 ， 他还将煤对瓦斯的吸附能力和吸附势随着煤阶的变化 分成 了 五个阶段， 这 五个阶段正对应 煤化作用 的 四次 跃变 。 张丽萍 26通过实验 研究和 实验 分析，得出平衡水分煤样对瓦斯的吸附容量与煤阶的关系呈倒 U 字型 。 钟玲文 27系统研究了 取自 不同矿区 的 65个煤样的吸附能力 ， 并 取镜质组含量大于 60%的样品系统作图分析， 研究 发现R0max 在 1.2%左右的煤吸附量最小， R0max 在 4.0%左右的煤吸附量出现高峰后降低， 而超高变质无烟煤则吸附很少甚至不吸附。 （ 2） 煤的 孔隙结构 C.R.Clarkson 测试了所选煤样对甲烷的吸附容量，结合煤样孔隙结构的测试结果，得出影响煤吸附能力的首要因素是微孔的结论。 孟宪明 28认为 ，虽然煤有
