电化学强化煤瓦斯解吸渗流的机理与方法研究

针对我国煤层瓦斯（煤层吸附气）抽采率低（仅20%左右），严重影响了煤矿安全生产、增加了环境污染和浪费了煤层气资源这一重大问题，提出了采用电化学方法强化煤瓦斯解吸渗流，提高煤层瓦斯抽采率的探索性研究思路。研究不同电场强度、电解液类型和电解液浓度等电化学条件对褐煤、烟煤和无烟煤样的作用过程与响应，包括：温度、应力、孔隙率、孔-裂隙结构、水分含量、煤基质体的物理力学特性、化学成分与性质的变化；电解反应、氧化反应和还原反应，电泳和电渗电化学现象与气体释放规律；煤表面物理化学与电性，煤对瓦斯的吸附解吸渗流及其变化。研究电化学强化煤瓦斯解吸渗流的工程应用方法与参数优化。揭示电化学强化煤瓦斯解吸渗流的机理，提出电化学强化煤瓦斯解吸渗流的应用方法。为提高煤层瓦斯抽采率提供新的理论基础与技术支持，其成果具有重要的科学意义和工程应用价值。

针对我国煤瓦斯储层强吸附、低渗透的特征和目前采用的钻孔、割缝、致裂等卸压方法以及外加电场、电磁场、振动、注热等物理方法对提高瓦斯解吸与渗流、提高瓦斯抽采率的效果与范围受限的现状，本项目提出了采用电化学方法强化煤瓦斯解吸渗流，以期提高瓦斯抽采率的研究。主要研究工作与成果为：(1)研究了不同煤阶煤样（褐煤、烟煤（长焰煤、焦煤）、无烟煤）的孔裂隙结构和对瓦斯的吸附解吸特性，分析了孔容、平均孔径和孔隙率以及饱和吸附量、最终解吸率、解吸时间、解吸初速度和扩散系数等随块度的变化规律。(2)研制了电化学强化煤瓦斯解吸渗流试验装置，为模拟三轴应力下电渗驱动煤岩中液体流动并携带气体运移的研究提供了一种新的手段。(3)完成了电化学改变煤孔裂隙结构的多尺度测试。综合采用多种方法测试了不同电解液浓度和电位梯度等改性后煤样的比表面积、平均孔径、孔隙率、裂隙连通性和裂隙数量，发现电化学作用降低了煤样的比表面积、增大了孔隙率并疏通了填充矿物的孔裂隙，探明了电化学作用对煤孔裂隙结构的影响规律，并采用分形方法表征了改性对煤孔裂隙结构非均质性的影响。(4)进行了电化学改变煤表面特性测试。探索了电化学作用对煤样的润湿性、电动特性和表面基团等表面特性的影响，分析了煤毛细作用力和电动作用力的变化，剖析了表面特性变化的微观作用机理。(5)开展了电化学强化煤瓦斯解吸特性试验。研究了电化学作用过程中和电化学作用后煤瓦斯解吸特性的变化，发现煤样的瓦斯解吸率由61.84%增至82.28%，而解吸时间缩短了3/4。分析了pH 值、电解液浓度和电位梯度等对煤瓦斯解吸特性的影响规律，排列了这些因素影响程度的主次顺序，揭示了电化学强化煤瓦斯解吸机理。(6)进行了电化学强化煤瓦斯渗透特性试验。研究了电化学作用过程中电解液浓度、电位梯度、瓦斯压力和体积应力等对煤瓦斯渗透特性的影响，发现孔隙压力小于3MPa、体积应力大于16MPa时煤瓦斯渗流的电化学强化效果较显著，渗流速度和渗透系数提高了3.12~28.57倍，并随电解液浓度升高呈倒U 型变化，随电位梯度升高呈线性规律增大，建立了应力场与电化学场共同作用下的煤瓦斯电动渗流方程。(7)在对煤的电化学反应和电渗、电泳等电动现象以及强化煤瓦斯解吸渗流特性等系统研究的基础上，提出了电化学强化煤层瓦斯抽放的工业试验方法。