煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究

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1、博士学位论文煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究ExperimentalandTheoreticalStudyonPhysicalSimulationofDiffusionofMethaneinCoal申请人姓名：李冰指导教师：张国成教授宋志敏教授学位类别：工学博士专业名称：矿产普查与勘探研究方向：瓦斯地质与煤层气勘探开发河南理工大学资源环境学院二零一四年六月中图分类号：P618.11密级：公开UDC：520单位代码：10460煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究ExperimentalandTheoreticalStudyonPhysicalSimulation

2、ofDiffusionofMethaneinCoal申请人姓名李冰申请学位工学博士学科专业矿产普查与勘探研究方向瓦斯地质与煤层气勘探开发导师张国成职称教授宋志敏教授提交日期2014-04答辩日期2014-06河南理工大学河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文：煤层甲烷扩散物理模拟实验及其机理研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿

3、意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日致谢在河南理工大学的培养和教育下，历经三年的学习和研究，终于完成了博士论文，回首走过的岁月，心中倍感充实，

4、感慨良多。博士论文的诞生首先应当归功于我的导师张国成教授、宋志敏教授。从论文的设计、构思、选题、采样、实验、分析到撰写，自始至终都倾注着他们的心血，他们要求样品采集要准确可靠，实验环节要一丝不苟，数据处理要精益求精，理论分析要科学创新，论文撰写要字斟句酌。他们以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、认真负责的工作态度，为我树立了一辈子学习的典范，他们的教诲与鞭策将激励我在科研和教育教学的道路上励精图治，开拓创新。在论文的选题和写作过程中，得到了河南理工大学资源环境学院张子戌教授、汤友谊教授、王恩营教授、宋党育教授、吕闰生博士、刘高峰博士、计算机科学与技术学院刘红敏博士、

5、东北石油大学地球科学学院于宝教授的指导和帮助，任建刚博士、薛景予硕士、翁红波硕士、王春硕士等在样品采集、处理和实验方面给予了协助，在此谨向他们致以诚挚的谢意！感谢潞安环保能源股份公司五阳矿和屯留矿的领导和同志们给予采样方面的支持和帮助！感谢河南工程学院许瑞超副校长、王生交处长等领导及科研处的同志们在工作、学习上给予我的理解、关照和支持！感谢我的家人对我学业上的鼓励、工作上的支持和生活上的关心！论文中引用了很多专著和文献，在此谨向这些专著和文献的作者表示深深的谢意！感谢各位专家学者在百忙之中审阅论文，不足之处敬请斧正和指导！最后，感谢所有关心、支持和帮助我的人们！李

6、冰2014年6月于河南理工大学摘要煤中甲烷产出需经过解吸、扩散和渗流三个阶段，其中扩散不仅是衔接瓦斯解吸和渗流的纽带，而且是控制瓦斯最终产出速度的必要条件。以往针对煤中瓦斯扩散的研究，主要集中在对煤屑采用解吸实验进行扩散表征和构建扩散数学模型上，缺乏对煤中瓦斯扩散过程的完整描述和表征。论文在借鉴前人已有研究成果的基础上，采集山西沁水盆地中南部的潞安矿区碎裂煤为研究煤样，分析研究区的地温、地应力、储层压力等地层条件，选用规则块状煤样品并结合气相色谱法开展煤中甲烷的扩散实验，探寻孔隙结构、扩散路径、围压、气压和温度等多因素对对扩散特征影响规律及控制机理。论文研究主要取

7、得了以下进展：（1）采用液氮吸附和冷场发射扫描电镜实验，获取了微观扩散孔隙的新特性，建立了微观扩散孔隙几何模型，为揭示煤中甲烷扩散控制机理奠定了基础。①高煤级贫煤主要以微孔隙（<10nm）为主，占总孔容的45%以上，其次为过渡孔，中孔孔容最小；微孔比表面积占总比表面积的90%以上，微孔对甲烷的吸附/解吸/扩散起决定性作用；微孔阶段的分形特征分析表明：煤样的综合分形维数随比表面积增大而增大，二者呈线性正相关关系，而与孔容、孔隙率没有明显的线性关系。②煤样中未发现贯通孔隙，段状连通孔隙主要以近似平行层理方向不规则分布。在平行层理方向上，煤的微孔隙结构主要由段状连通孔隙

8、和孤立孔隙