二元气体等温吸附-解吸中气分的变化规律

进行了CH4—CO2和CH4-N2二元混合气体的等温解吸实验，分析了二元气体在解吸过程中各组分浓度的变化规律．结果表明，在CH4-N2二元气体的解吸过程中，吸附相中CH4组分的相对浓度逐渐增加，N2组分的相对浓度逐渐减少．在CO2-CH4二元气体的解吸过程中，吸附相中CO2组分的相对浓度逐渐增加，CH4组分的相对浓度逐渐减少．实验结果还证实了CO2在与CH4的竞争吸附中占据优势，而N2在与CH4的竞争吸附中处于劣势．注入CO2比注入N2可以更有效地置换或驱替煤层甲烷，提高煤层甲烷的采收率．     

基于非理想气体流动模拟的无烟煤纳米孔隙中CH_4流动规律

基于沁水盆地南部无烟煤纳米尺度渗流网络模型,开展了考虑滑流、扩散、气体解吸/吸附和达西流动的CH_4运移渗流物理仿真模拟,探讨了无烟煤纳米孔隙视渗透率和CH_4的微观流动形态.研究发现,渗流物理仿真模型量化了滑流、扩散以及气体性质对视渗透率的作用,受CH_4滑流和扩散的影响,无烟煤纳米孔隙的视渗透率大于达西渗透率.无烟煤纳米孔隙视渗透率与切向动量协调系数(β)、气体压力和孔径具有显著的负指数关系;Knudsen数(Kn)随气体压力降低和孔径减小,以非线性趋势增加,受其影响视渗透率表现为非线性气体压力关系;滑移系数则随β和气体压力的降低而升高.当β0.1、气体压力小于等于8 MPa时,孔径为2～50 nm的中孔和孔径为50～100 nm的大孔中的滑流和扩散作用迅速增大,对CH_4产出和煤层气开发效率至关重要.     

高压下CH_4、N_2和Co_2气体在ZSM5上的吸附

用定容型吸附装置测定了N_2、CH_4和CO_2在ZSM5上的吸附平衡数据,压力范围为0.027～190atm,温度为25、50和75℃。实验结果表明N_2和CH_4的吸附量随压力的增加而增加,在30atm附近达到饱和。CO_2的等温线有极大值,而且温度不同的等温线相互交叉。用吸附势理论关联实抢结果,三种气体的全部数据标绘点都在同一条特性曲线上。     

基于固气耦合的煤岩–瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和固气耦合特性的二相介质复合材料,为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了3维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要试验结果如下:1)以煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数与原煤相似,通过调节材料配比,可以配制不同弹塑性参数的相似材料。相似材料的吸附性与原煤也具有一致性;2)CO_2和N_2二元混合气体的膨胀能介于CO_2和N_2之间,气体膨胀能比例系数与CO_2体积分数呈二次函数关系,CO_2体积分数为45%的混合气体的膨胀能与CH_4的膨胀能一致;CO_2和N_2二元混合气体可作为CH_4相似气体,且比CH_4安全性高;3)研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数均具有高度相似性,实现了固气耦合特性模拟;4)3维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。     

吸附气体量对煤岩力学特性损伤劣化的试验研究

煤岩吸附气体后会导致强度降低等力学损伤,为定量研究吸附气体量对煤岩体力学特性损伤劣化规律,利用可视化恒容固气耦合试验系统开展了型煤吸附He,N_2,CH_4和CO_2后的单轴压缩试验,基于分形理论与MATLAB软件编程提取试验过程加载图像,得到了气-固耦合加载过程中煤体损伤劣化规律与裂隙发育分形演化特征.试验结果表明:不吸附的He对型煤力学特性没影响,随着型煤对于不同气体吸附量(N_2CH_4CO_2)的增加,煤体损伤劣化程度加剧:1)煤体强度分别降低了9.80%,27.11%和32.05%;2)全应力-应变曲线表明扩容点提前,损伤因子分别为0.053,0.237和0.323;3)型煤表面裂纹发育越来越丰富,密度增加并呈现"鱼鳞片"状膨胀脱落,具有明显的分形特征,经计算裂隙分形维数分别为1.41,1.43,1.46.     

煤基活性多孔碳制备及其对CO_2/CH_4的吸附分离研究

为了分离煤层气中的CO_2和提高煤层气利用率,通过调控KOH对无烟煤的活化比例,制备一系列煤基活性多孔碳(APC-1,APC-2和APC-4)。通过扫描电镜表征可知,KOH活化对无烟煤的表面具有雕蚀作用,可形成发达的孔隙结构。通过氮气等温吸附测试可知,煤基活性多孔碳具有较高的比表面积(993～1 615 cm~2/g)和孔体积(0.48～0.8 cm~3/g)。在温度298 K和压力100 kPa条件下,APC-2对CO_2和CH_4的吸附量分别高达3.49,1.59 mmol/g。通过理想吸附溶液理论预测,APC-4对等物质量的二元混合气体CO_2/CH_4吸附选择性可达4.57。本文制备方法合成工艺简单,适用于煤基活性多孔炭的制备,在吸附分离煤层气中CO_2和提高煤层气利用率方面具有广阔的应用前景。     

N_2和CO_2对煤燃烧全过程灭火效能的对比研究

为掌握N_2和CO_2防治煤燃烧全过程的不同效果,采用自主研制的煤自燃氧化程序升温和煤明火燃烧实验装置,分别对平煤八矿煤样进行了通入相同流量N_2和CO_2抑制煤低温氧化过程和熄灭煤明火燃烧过程实验,测定了煤低温氧化阶段的耗氧速率、CO和CH_4产生率、煤有焰燃烧阶段的温度场温度、标志性气体(O2,CO和CH_4)组分和热释放速率的变化规律.结果表明:相比于煤在纯空气条件下的燃烧,在煤低温氧化阶段,通入CO_2时煤的耗氧速率、CO和CH_4产生率比通入N_2时更低;在煤有焰燃烧阶段,通入CO_2时煤温上升速度、耗氧量、热释放速率以及CO和CH_4产生量的下降速度比通入N_2时更低;在煤阴燃熄灭阶段,通入CO_2时煤温、CO和CH_4产生量下降速度比通入N_2时的更高,而通入CO_2时的耗氧量和热释放速率比通入N_2时的更低,说明CO_2比N_2具有更好的防治煤燃烧全过程的能力.     

煤层开采过程中CO气体来源实验测试与分析

煤层开采过程中易出现CO气体超限现象影响安全生产,亟需开展CO气体的来源和产生规律研究.对3种不同变质程度煤样(无烟煤、贫煤、焦煤)在氮气和空气氛围下开展破碎实验,测试CO气体和煤样温度;通过煤样恒温加热实验,研究在不同温度和气氛下CO,CH_4气体体积分数变化规律.结果表明:煤样在氮气氛围下破碎过程中产生CO气体体积分数小于3.0×10~(-5),主要来源于煤机械破碎激活脱羰;CO气体体积分数在空气氛围中低于6.0×10~(-3),主要来源于煤表面自由基氧化和煤氧复合反应;破碎过程中煤样温度逐渐升高,升温速率为0.6～1.0℃/s.不同恒温(40,60,80,100,120℃)下3种煤样在氮气氛围中无CO气体产生,CH_4气体体积分数随温度升高而增大,说明煤样中不含吸附性CO气体,且未发生氧化反应;吸附的CH_4气体随温度升高而解吸;在空气氛围下煤样温度与CO呈现指数增加关系,CO气体来源于煤氧复合反应.     

横观各向同性煤等温吸附变形试验研究

为了探明不同层理方向煤吸附瓦斯变形机理,以亭南煤矿4~#煤层煤样为研究对象,利用多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展了以CH_4和He为吸附质的等温(30℃)吸附试验,并基于试验结果对气体压缩煤体变形方程、纯吸附变形方程、横观各向同性煤吸附变形方程进行了讨论分析.结果表明:煤吸附CH_4时垂直层理和平行层理方向表现为膨胀变形,吸附He时垂直层理和平行层理方向表现为收缩变形,煤吸附过程中平行层理方向和垂直层理方向变形存在各向异性;气体压缩、表面张力变化(纯吸附)及二者共同作用下煤体变形的各向异性与吸附压力大小和吸附质无关,与煤的自身性质有关;横观各向同性煤吸附变形方程理论计算结果和试验结果在平行层理方向平均相对误差为7.08%,垂直层理方向平均相对误差为14.63%.横观各向同性煤吸附变形方程可以表述吸附平衡压力与吸附变形的关系,也可体现出垂直层理和平行层理方向煤体吸附变形的差异性.     

超临界CO_2增透煤热流固耦合模型与数值模拟

针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状,结合超临界CO_2强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点,依据超临界CO_2作用后煤微观孔裂隙的演化特征,得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程,根据孔隙率的变化确定损伤变量,考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO_2溶解增透作用的影响,建立超临界CO_2作用后煤的热流固耦合力学模型,利用ABAQUS软件提供的场变量子程序,结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能,实现低渗透煤层注超临界CO_2增透规律数值模拟。结果显示:超临界CO_2注入后,注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显,随着距注气孔距离的增加,影响程度逐渐减弱,并趋于稳定;经超临界CO_2作用后,注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙,并与原有的孔裂隙相互贯通,随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展,煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级;超临界CO_2的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤,距注气孔越近,损伤程度越大,损伤增加越快,注气时间越长,损伤增加的幅度越大;煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道,使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。     

煤对N2/CH4/CO2混合气体竞争吸附特征与机理研究

为研究煤对N₂,CH₄及CO₂混合气体的竞争吸附特征及其机理,通过混合气体吸附/解吸装置,结合穿透曲线法,对大柳塔(DLT)、硫磺沟(LHG)、瑞能(RN)、山阳(SY)和屯宝(TB)5种煤样,开展了温度为20℃、注气压力为0.25 MPa条件下N₂,CH₄和CO₂等比例混合气体的竞争吸附试验,得到了不同煤样对混合气体竞争吸附的规律;通过低温氮气吸附法,分析了5种煤样的孔隙结构,研究了孔隙对混合气体竞争吸附的影响.结果表明：DLT,LHG和RN煤样中N₂和CH₄先达到吸附平衡,一段时间后这2种气体在装置出口端的体积分数均超过其初始体积分数,而SY和TB煤样中只有N₂的出口端体积分数超过了其初始体积分数.试验结果与Yoon-Nelson模型拟合结果较好,线性相关系数R²基本可达0.9以上;各煤样传质速率常数均有k(N₂)>k(CH_4<...     

温度及压力对CO2置换CH4的影响

利用潞安和寺河煤样进行了不同温度和压力条件下CO2/CH4混合气体的等温吸附/解吸实验,根据Langmuir等温吸附模型及其扩展形式,结合分离因子和单位压降解吸率两个参数,分别分析了温度和压力对CO2置换CH4影响的效果,提出了低温、低压条件下具有更好的置换效果,认为低温低压下置换反应主要向解吸需要能量低、吸附释放能量高的方向进行,即需要能量较小的CO2吸附—CH4解吸方向.研究结果表明:同等条件下CO2吸附能力比CH4吸附能力更强;在3MPa注入压力条件下,随着温度逐渐升高CO2对CH4的分离因子依次减小,显示出温度为20℃时置换效果更佳;在30℃温度条件下,随着压力的的升高,CH4单位压降解吸率依次降低,显示出压力为2MPa时置换效果更好;CO2的吸附能高于CH4的吸附能,在低温、低压的低能量条件下CO2具有相对更好的吸附能力.     

开滦矿区晚古生代煤CH_4/CO_2二元气体等温吸附预测

用扩展Langmuir方程、理想吸附溶液理论和数值分析方法对开滦矿区不同变质程度煤对CO_2/CH_4二元气体的吸附量进行了预测,并用平均相对误差检验了其预测精度.结果表明:同一预测方法对开滦矿区不同变质程度煤的总吸附量预测准确度存在明显差异,理想吸附溶液理论法相对于扩展Langmuir方程法和数值分析法,其预测结果与实验值的拟合程度较好;理想吸附溶液理论对混合气体吸附预测的准确度取决于所预测的煤样煤质指标和煤样对纯气体的Langmuir等温吸附常数.在同样使用理想吸附溶液理论预测时,相对于低变质程度煤,中等变质程度煤的预测结果与实验值吻合程度更好.开滦矿区低变质程度林南仓矿11号煤预测的平均相对误差高到49.22%,所以还需对其进行混合气体的等温吸附实验,才能获得较准确的吸附特性参数.     

深部煤层CO_2置换CH_4过程中煤岩特性变化研究

综述了在高压条件下CO2置换CH4过程中煤岩特性变化的试验及模型等方面的研究进展,分析注入CO2后煤岩特性变化对煤岩结构、渗透率及CH4产量的影响,指出我国深部煤层CO2置换CH4过程中煤岩特性变化的研究方向.分析表明,由于CO2较CH4具有更强的可吸附性,CO2置换CH4过程中煤基质发生吸附膨胀,应力、应变同时增大,造成渗透率下降,初期CH4产量较低,随着CH4气体解吸量的不断增大,开采一段时间后CH4产量将大幅度增加,这种煤岩特性变化规律及CH4产量变化特征与现场试验结果具有很好的一致性.     

煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响

利用N2和CO2吸附解吸实验,得到了6个矿井煤样的孔径分布特征,并根据吸附解吸实验曲线分析了不同煤样所含孔形状的差异.同时,对所选煤样进行瓦斯吸附实验,分析瓦斯吸附量随吸附压力的变化情况,以及瓦斯吸附能力与孔径分布的关系.根据工业分析和岩相分析结果,对煤样变质程度和水分含量对瓦斯吸附的影响进行了分析.结果表明:煤对气体的吸附量主要集中在微孔段,同时受到中孔的影响,朗缪尔体积受微孔和中孔分布的共同作用,而朗缪尔压力只与微孔有关.水分子与甲烷分子之间存在竞争吸附,水分的存在不利于瓦斯吸附.煤的变质程度与朗缪尔体积之间呈现"U"型曲线关系,而变质程度的增加使朗缪尔压力降低.在煤矿开采过程中,应当采取措施增大煤体孔隙,使微孔比例降低,促进煤层瓦斯的解吸.     

活性碳纤维对SO_2吸附性能的研究

本文首次用自制活性碳纤维(ACF)对模拟烟气中 SO_2的吸附行为进行了初步研究。此外,还较系统地研究了 ACF 对 SO_2—N_2混合气体的物理吸附特性及其规律。实验结果表明 ACF 对 SO_2吸附量很大,吸附、解吸速度快,对 SO_2—N_2混合气体的吸附具有较典型的物理吸附持性;扩散在吸附、脱附过程中为控制因素。相同条件下 ACF 对模拟烟气(SO_2—N_2—O_2—H_2O(汽)中 SO_2的平衡吸附量比活性碳大5～6倍,具育物理吸附及化学吸附特征,而氧气及水蒸气的存在有利于 SO_2的吸附。     

邯邢煤田煤的X射线衍射分析

本文利用 X 射线衍射分析研究煤的有机结构。对河北省邯邢煤田各煤种(肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤)的衍射分析表明:随着煤变质程度的增高,组成煤晶核的碳原子网之间的距离(d)相应减小.而反映煤晶核大小的 L_a 相应增大.L_c 亦相应增大,到无烟煤时 L_c 减小,但 L_aL_e利用这一规律性变化所反映的煤有机结构的特征值(L_、L_c、d)来鉴定煤的变质程度,判断煤的变质作用类型,不仅是有意义的.而且是可行的。     

基于泉(井)水特性的准噶尔盆地东南缘煤矿硫化氢成因研究

位于准噶尔盆地东南缘地带的矿区含煤地层硫化氢富集异常,发生过多起伤亡事故。地下水体的化学特性、微生物活动特征能灵敏地反映地壳内部信息变化,基于区域泉(井)水特性,探讨煤矿硫化氢成因,对查明煤岩层硫化氢气体的来源、赋存和防治,以及煤层气、油气等开采具有重要意义。煤矿瓦斯气体组分以CH_4,N_2为主,伴有CO_2,H_2S和重烃等;区域地层水沿径流方向水化学类型由HCO_3—Ca—Na和HCO_3—SO_4—Na—Ca演变成HCO_3—SO_4—Cl—Na—K,矿化度、硬度及p H逐渐变高,为弱碱性咸水;含煤地层出露泉水富含CH_4,N_2,CO_2,H_2S,H_2和重烃气体;4号泉CH_4含量和水温一直呈下降趋势,而H_2S,CO_2及SO_4~(2-)含量则保持平稳上升趋势;水体中CO_2的δ~(13)C值较轻,普遍在-1.81%~-1.12%间。矿井地下水水体检测到的硫酸盐还原菌(SRB)数量最高达3 500个/g,表明SRB繁衍活动激烈;10号泉4.35%的克隆子与CH_4厌氧氧化相关,还检测到一些来自栖息于地层深部(含煤岩层)水体中与厌氧含硫环境中的SRB,表明水体处于厌氧状态,泉水中微生物的繁衍生息与含硫化合物密切相关。上述均具有发生硫酸盐生物还原(BSR)作用的特征,而区域成煤环境及煤岩层火烧都不具备大规模H_2S富集条件,由此可知,目前区域硫化氢的形成与后期的BSR作用有密切联系。     

煤层含气量的测试、模拟与预测研究进展

煤层含气量是煤层气资源勘探和开发的关键参数,我国煤层气(瓦斯)含量直接测试是通过地面或井下钻孔钻取煤心在大气压条件下解吸,一方面取心和装罐过程中煤样中部分水溶气、游离气,甚至发生解吸的极少部分吸附气被逸散;另一方面在储层压力直接降为大气压的解吸过程中部分气体被"气锁"不能完全解吸,均导致煤层含气量实测值偏低.本文对比分...     

高温高压气体-原油分子扩散系数研究

分子扩散在注气开发过程中有重要作用,是影响气-液混相效果的重要参数.目前通用的相态计算软件在计算过程中均假设油气一接触就立刻达到平衡,由于扩散影响,实际上这种现象是不存在的.采用定容扩散方法及相关模型研究了高浓度CO_2、CH_4、N_2体系与油田地面分离器原油之间的扩散现象,研究表明:气-油体系并不是一接触立刻达到平衡,与组分的扩散速度有关;扩散系数为一变化值,随着压力的降低,扩散系数逐渐增加,直至体系达到平衡;而且在实验过程中发现不同位置液相的性质不同.实验研究为相态研究开辟了一条新的道路,所取得的成果对优化注气方案有一定的参考价值.