含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究

煤层瓦斯固化防突技术利用含瓦斯水合物煤体储气量大且能改变煤体力学性质的特点,达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用SHW-III型试验设备进行不同孔隙饱和度下含瓦斯水合物煤体的合成试验。结果表明:瓦斯水合物的声波波速可以表示合成情况,随着孔隙饱和度的增加而增大;预测的饱和度与试验方案最大相差4.18%,预测孔隙饱和度与计算孔隙饱和度最大相差4.92%;煤体胶结性随瓦斯水合物煤体孔隙饱和度增加而变强。     

表面活性剂Tween-40对瓦斯水合物生成热力学条件改变作用研究

利用自制的气体水合物实验装置,研究了瓦斯水合物在表面活性剂Tween-40水溶液(0.001 mol/L)中的三次生成过程,对水合物生成诱导时间、生成时温度、压力等参数之间的关系进行了分析,将实验热力学结果与相平衡软件计算数据进行了比较,结果表明,Tween-40改变了瓦斯水合物生成的热力学条件。运用表面活性剂对水合物生成的物理作用理论阐述了这一现象的热力学机理。     

用水合物技术收集废弃矿井瓦斯的可行性探讨

废弃矿井瓦斯综合利用的主要目的是回收报废矿井采空区及其上下方未采煤层中吸附的瓦斯,充分利用聚存于报废矿井中的洁净能源。简要介绍了我国的废弃矿井瓦斯的资源量和利用水合物技术收集废弃矿井瓦斯的优点,针对目前水合物技术的研究进展,分析了利用该技术收集废弃矿井瓦斯的可行性。     

饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究

瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯，降低瓦斯压力，并且前期研究表明，水合物的生成填充煤体孔隙，能够提高煤体强度，改善煤体力学性质，有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物-煤体体系水合固化效果的关键参数，因此利用应力-渗流-固化一体化三轴试验机，开展了3种目数和3种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验，测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率；基于含水合物多孔介质渗透率模型，探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明：水合物生成后煤体的渗透率降幅为19.9%～93.0%,其中40～60目(0.250～0.425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大；随着饱和度增加，20～40目(0.425～0.850 mm)及40～60目(0.250～0.425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大，60～80目(0.18～0.25 mm)煤样始终呈增大趋势；将试验结果与渗透率理论模型对比发现，本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主，水合物生成对煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。     

十二烷基硫酸钠对瓦斯水合物生长速率的影响

运用可视化瓦斯水合物实验装置,研究了4种浓度（0.4、0.5、0.6和0.7 mol/L）十二烷基硫酸钠溶液对瓦斯体系水合物生长速率的促进效果,实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行了计算。结果分析表明：十二烷基硫酸钠提高了水合物生长速率,促进了瓦斯水合物生成;十二烷基硫酸钠促进作用存在一个最佳浓度,在所研究的各个体系中,0.6 mol/L SDS溶液中瓦斯水合物生长速率最大,9.0 MPa压力条件下生长速率可达3.35×10^-5 m³/h。     

低浓度煤层瓦斯水合物分离工艺功耗分析

针对我国煤层瓦斯抽采浓度低与传统提纯方式分离系数低的问题,以太原理工大学自行水合物提纯实验数据为依据,提出一种低浓度煤层瓦斯水合物分离工艺,并依据热力学方程对其经济性进行分析。结果表明:在常压0.1 MPa、293 K初始条件下,1 MPa、278 K工作条件下,每提纯产出1 m~3纯CH_4只耗电0.77 k W·h,以工业电价折合为0.56元,具有良好的工业化推广经济基础。     

瓦斯水合物生成控制因素探讨

提出了向煤层中注入高压水（含增溶瓦斯的表面活性剂）,使瓦斯和水生成固态水合物,达到防止煤与瓦斯突出的目的.探讨了在煤层中瓦斯水合物生成的控制因素,并通过实验观察分析了瓦斯水合物生成和分解的特性.到目前为止,通过改变表面活性剂种类和浓度,生成实验已实现在环境温度为22.7 ℃时、瓦斯压力为23.2 MPa生成了瓦斯水合物;在实验中测得甲烷水合物分解速度为2.8×10^-2 m³/h,远小于煤层瓦斯的解吸速度.可见,一般矿井（非高温）利用瓦斯水合作用防治瓦斯事故在技术上是可行的,但还有大量基础研究工作要做.     

油水乳液强化分离矿井瓦斯的特性

为探究油水乳液体系瓦斯水合物分离特征,利用高压可视搅拌水合分离实验装置结合气相色谱仪,研究了2℃条件下油水体积比、驱动力对瓦斯水合物生长速率和CH4回收率的影响,计算了气体消耗量、水合物体积生成量、水的转化率。结果表明:油水乳液体系水合物浆液具有良好的流动性;相同温度压力条件下,油水体积比1∶1体系瓦斯水合物平均生长速率和CH4回收率均优于7∶3体系,但水合物浆液流动性不及7∶3体系;瓦斯水合物平均生长速率、气体消耗量、水合物体积生成量、水的转化率均随着驱动力的增大而增大;油水体积比1∶1条件下CH4回收率和分离因子随着驱动力的增大而先增大后减小,驱动力为3.0 MPa(压力为7.78 MPa)时CH4回收率最大为24.36%。     

煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物...     

TBAB溶液中高浓度CO_2瓦斯水合分离效果试验

为改善高浓度CO2瓦斯水合分离效果,研究了3种高浓度CO2瓦斯在浓度为0.2~0.8 mol/L的四丁基溴化铵溶液(TBAB)条件下的水合分离过程,结合气相色谱分析结果对CO2回收率和分离因子进行了计算与分析。结果表明:由于TBAB水合形成半笼型结构为CO2提供物质基础,在一定TBAB浓度范围内,水合物相CO2浓度随TBAB浓度升高而升高;但TBAB浓度过高影响CO2在液相中的溶解度,抑制CO2水合物的形成,使CO2回收率下降。原料气中CO2浓度越高,填充512晶穴的CO2含量越多,使得TBAB体系中分离因子随原料气中CO2浓度升高而增大;而当CO2浓度较低时,TBAB的添加影响了CO2水合分离净化程度。     

基于RBF神经网络瓦斯水合物生成压力预测研究

瓦斯水合物生成是复杂的结晶过程,不同组分和浓度瓦斯生成水合物时压力等热力学参数的获取对水合物技术的应用具有非常重要的意义。鉴于此,利用径向基神经网络方法对瓦斯水合物生成压力进行了预测。针对瓦斯水合物生成边界条件,确定了RBF神经网络的输入、输出向量,建立了RBF神经网络瓦斯水合物生成压力计算及预测模型,并用实验数据进行了验证。结果表明,该模型对瓦斯水合物生成压力的拟合和预测具有计算精度高、速度快等优点。RBF神经网络研究为瓦斯水合物生成压力预测提供了一种新途径。     

NaCl对瓦斯水合物相平衡的影响

相平衡条件及其影响因素对瓦斯水合物的快速大量生成具有重要指导意义,利用高压可视瓦斯水合实验装置并结合图解法研究了3种质量分数NaCl溶液(0.5%,2.0%和3.5%)体系中瓦斯混合气(CH4-C3H8-CO2-N2-O2)水合物相平衡条件。结果表明:NaCl改变了瓦斯水合物形成相平衡条件,致使相平衡条件更加苛刻;相同温度条件下,9组实验瓦斯水合物形成相平衡压力较纯水体系升高0.50~2.98 MPa。基于水合离子电离平衡理论建立了瓦斯水合物相平衡NaCl影响机理假说模型,认为NaCl电离出的Na+和Cl-强电场作用对水分子产生作用力,破坏了瓦斯气体分子周围水团簇结构形成。     

THF-SDS对瓦斯水合分离过程温度场分布影响

为探究THF-SDS复配溶液对瓦斯水合反应过程温度场影响,利用配备阵列式温度传感器的水合反应装置,研究了3组促进剂溶液(1 mol/L THF,1 mol/L THF+0.02 mol/L SDS,1 mol/L THF +0.1 mol/L SDS)体系中瓦斯混合气(85%CH4,7%N2,3%O2,5%CO2)水合分离过程温度场分布特征。结果表明：瓦斯水合体系中SDS浓度增加,反应放热速率呈递增趋势(0.030～0.230 kJ/min);反应热导致水合体系温度分布发生变化,体系上层温度最高,下层温度最低,体系中SDS浓度越高,温度梯度越明显;瓦斯水合物导热系数随体系温度分布发生改变(0.529～0.534 W/(m·K)),SDS浓度越高,瓦斯水合物导热系数越大。分析认为,THF-SDS复配溶液改善了瓦斯水合分离热力学条件,提高了气-水转化率,影响了不同水合体系温度场分布。     

基于阻抗法煤体中瓦斯水合动力学研究

为探寻水合物技术在瓦斯突出防治方向上的应用工艺,利用瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,研究4组不同煤体孔隙裂隙分布对瓦斯水合过程的影响,获取了煤体中瓦斯水合过程阻抗曲线,计算了瓦斯水合物生长速率与含气量。结果表明:实验釜上层位阻值增大,中层位与下层位阻值减小,瓦斯水合物集中在实验釜上层位与中层位形成;相同热力学条件下4组体系中瓦斯水合物生长速率分别为0.180,0.083,1.747,0.448 cm~3/min,水合物含气率分别为1.9×10~(-3),6.3×10~(-3),2.1×10~(-3),1.6×10~(-3)mol/cm~3,说明孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合速率较快,所形成水合物具有较高的含气量。不同孔隙裂隙煤体中单位体积瓦斯水合物含气量不同,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物形成量较大,基于准均匀占据理论,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物所含空晶笼较多。     

基于Drucker-Prager准则的含瓦斯水合物煤体强度准则研究北大核心

为获得含瓦斯水合物煤体在高饱和度下强度准则的适用性,基于Drucker-Prager准则,结合高饱和度含瓦斯水合物煤体常规三轴压缩下的应力-应变曲线,探讨Drucker-Prager准则下其理论值与试验值的误差,分析Drucker-Prager准则的适用性,同时与Mohr-Coulomb准则进行对比。结果表明:含瓦斯水合物煤体的峰值强度在高饱和度和围压耦合作用下,其值随着围压和饱和度的增加而增加;Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则的强度预测绝对误差最大值分别为6.77%和3.66%,说明试验结果与预测模型的吻合度较高;然而Drucker-Prager准则强度预测绝对误差均在0.92%~3.66%,其误差波动范围较小,说明Drucker-Prager准则在高饱和度下更为适用。     

雾化喷嘴夹角对瓦斯水合分离的影响

为改善高浓度CH_4瓦斯水合分离效果,利用瓦斯快速水合喷雾实验装置开展了雾化喷嘴夹角影响下高浓度CH_4瓦斯水合分离实验,结合瓦斯水合结束气-固相色谱分析结果,探讨喷嘴夹角对CH_4回收率和分离因子的影响。结果表明:60%CH_4瓦斯气样,喷嘴夹角30°、45°、60°、90°对应的CH_4回收率分别为20.69%、24.23%、16.83%、15.39%,分离因子分别为1.69、1.89、1.55、1.49;70%CH_4瓦斯气样,喷嘴夹角30°、45°、60°、90°对应的CH_4回收率分别为22.44%、25.27%、19.63%、17.87%,分离因子分别为1.67、1.83、1.52、1.41;80%CH_4瓦斯气样,喷嘴夹角30°、45°、60°、90°对应的CH_4回收率分别为22.36%、24.51%、18.81%、16.14%,分离因子分别为1.90、1.95、1.76、1.75。3种瓦斯气样的CH_4回收率和分离因子均随雾化喷嘴夹角的升高先增大后减小,其影响顺序为:45°30°60°90°。     

气液比对多组分瓦斯水合物含气量影响

利用可视化水合物实验设备,设定初始压力5 MPa、初始温度20 ℃,在0.1 mol/L四氢呋喃（THF）－0.2 mol/L十二烷基硫酸钠（SDS）复配溶液体系中进行多组分瓦斯水合物生成实验。根据气体状态方程（P-V-T）计算出4种气液比（40,60,80和100）反应体系中多组分瓦斯水合物含气量,从溶液的过饱和条件和水合物中晶体孔穴填充率的角度进行了机理分析。结果表明：对于同一种多组分瓦斯气体,反应体系气液比的增大,促进了瓦斯-溶液之间物质传递,加快了溶液的过饱和条件,提高了水合物中晶体孔穴填充率,致使水合物中含气量增大。     

蒙脱石对瓦斯水合分离过程的影响

为探寻有效改善瓦斯水合分离速率和分离浓度的方法,研究了蒙脱石（MMT）-化学促进剂（SDS 0.40 mol/L,THF 0.20 mol/L）复配体系对水合物生成过程及CH4分离浓度的影响。实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行计算,运用气相色谱仪测定分离产物中CH4浓度,并对MMT促进机理进行初步分析。结果表明：添加MMT实验体系的瓦斯水合物生长速率较空白实验分别提高了2.43×10 -6,1.45×10 -6和2.48×10 -6 m 3/min,诱导时间分别缩短了8,7和13 min,水合分离浓度分别提高了7.77%,5.07%,0.78%;一级水合分离产物中的CH4最大提纯浓度可达70.52%。     

驱动力对瓦斯水合分离效果影响

利用可视化搅拌式瓦斯水合分离实验装置,开展了4种驱动力下3种瓦斯气样水合分离实验,获得了水合分离速率、回收率、分配系数等目标参数。结果表明：驱动力由1 MPa提升至4 MPa的过程中,3种气样的水合分离速率分别由1.394×10-6,1.162×10-6,0.943×10-6m3/min递增至1.55×10-6,1.564×10-6,1.609×10-6 m3/min;CH4分离浓度分别由85.89%,77.15%,71.15%递增至91.61%,81.72%,77.17%,CH4回收率分别由6.22%,6.75%,8.79%递增至10.13%,10.25%,11.39%;分配系数分别由1.10,1.17,1.23递增至1.21,1.26,1.33。分析认为,驱动力增大可以改善瓦斯水合分离效果,加快水合分离进程。