煤变质程度对瓦斯吸附能力的控制作用

为研究煤的变质程度对瓦斯吸附特性的影响,在已有研究成果的基础上,采用长焰煤、气煤和无烟煤干燥煤样进行等温吸附试验,通过压汞试验得到孔隙结构和连通性特征,研究了煤的孔隙发育特征对瓦斯吸附能力的控制作用,并从煤的大分子结构、平衡水分含量、显微组分3个因素出发阐述了煤的变质程度对瓦斯吸附能力的影响。结果表明,煤的孔隙发育特征、大分子结构、平衡水分含量、显微组分等因素综合影响瓦斯吸附能力,其中煤的孔隙发育特征起主控作用,不同变质程度煤的吸附能力与孔隙结构特征变化规律一致,煤的大分子结构通过改变有效比表面积、煤分子结构与甲烷分子的吸附作用以及水分含量影响吸附能力,平衡水分含量和显微组分主要通过改变比表面积影响吸附能力。     

基于不同温压条件等温吸附实验的低煤级储层吸附气含量估算方法

为系统分析低煤级煤储层原位吸附气含量,收集了8个样品在25℃和45℃平衡水条件下的等温吸附资料,开展了2个低煤级煤样平衡水条件下等温吸附实验,提出了基于不同温压等温吸附实验的低煤级储层原位吸附气含量预测方法。结果显示:低煤级煤吸附气含量随温度增大而减小,甲烷吸附递减量随压力增加呈指数变化而非线性变化,基于预测方法对海拉尔盆地4煤样和准噶尔盆地南缘阜康矿区F1井钻遇层位原位条件下的吸附气含量进行了估算,结果显示低煤级储层吸附气含量随埋深增加而增加,但增加趋势不明显,与中-高煤级储层吸附气含量随埋深增大变化趋势不同,同时预测结果为F1井实测含气量所验证。本论文成果有助于低煤级储层煤层气的勘探与开发。     

甲烷在煤表面的吸附势与煤阶的关系

本文根据在平衡水分、30℃条件下实测和收集的煤的等温吸附资料，采用吸附势理论，计算了各个煤样吸附等体积（5cm^3／g）甲烷时的吸附势，发现随煤阶的增加吸附势呈规律性变化。这种变化规律与兰氏体积随煤阶的变化规律一致，且完全与四次煤化作用跃变对应。可见煤层甲烷的吸附与煤的分子结构、晶体结构和孔隙度密切相关。     

高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验

以北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样，模拟深部煤层的实际温度、压力和水分含量条件，进行高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验.实验结果表明：褐煤的朗格缪尔体积(VL)随温度的升高而减小；焦煤的朗格缪尔体积随温度的升高而增大；气煤和无烟煤的朗格缪尔体积随温度的升高先增大，后减小。研究表明：煤层埋藏深度增加，温度增高，吸附量减小；温度增高，平衡水分含量降低；平衡水分含量降低，吸附量增大.高温高压平衡水条件下煤吸附CH4的实验结果表现的特性是由于压力、温度和水分对煤吸附的综合作用的结果.在开展深部煤层等温吸附实验研究时，应该选用与模拟深度相对应的温度下平衡水含量的煤样。     

煤在温度和压力综合影响下的吸附性能及气含量预测

通过对有代表性煤样的副样进行不同温度等吸附试验,在进行等温吸附实验前对煤样进行平衡水分处理,使煤样的水分含量接近原地煤的水分含量,研究发现,在等压条件下,煤吸附甲烷量随着温度的增加呈线性减少,相同温度,不同压力,不同煤样吸附量的减少量不相同,在温度和压力综合作用下,在较低温度和压力区,压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响,随着温度和压力的增加煤吸附甲烷量增大;在较高温度和压力区,温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响,煤吸附甲烷量减少;煤变质不同,吸附量增大到吸附量减少的转折点不相同,建立了接近原地煤层气储集条件（包括温度、压力、水分,灰分,煤变质）综合影响下煤层气含量预测方法,该方法已被全国煤层气资源量计算应用。     

高温高压平衡水分条件下变形煤的吸附-解吸特性

选用平顶山矿区十二矿己组煤层的不同类型变形煤作为研究煤样,模拟深部煤层瓦斯赋存条件,开展高温高压平衡水分条件下的吸附-解吸实验。研究结果表明,50℃条件下,煤的平衡水分含量随煤的破坏程度的增加有增大的趋势;高温高压平衡水分条件下,变形煤表现出吸附-解吸新特性,即随煤的破坏程度增加,朗格缪尔体积VL(无灰基)具有先减小,后增大,再减小的趋势,呈波浪状。分析表明,变形煤表现出的吸附-解吸新特性,是变形煤特有的孔隙结构和水分含量的差异综合作用的结果。变形煤吸附-解吸不可逆,解吸滞后;随着煤的破坏程度增加,煤的吸附-解吸不可逆程度加大。因此,在开展实验研究煤、特别是变形煤的解吸特性时,不能用吸附实验数据简单代替。     

溶剂萃取前后煤吸附甲烷特征对比及机理研究

为分析溶剂萃取前后煤吸附甲烷气体的特征差异,采用四氢呋喃溶剂对不同地区不同变质程度的4个煤样(长焰煤、气煤、焦煤、无烟煤)进行了萃取试验,并对原煤和萃取后煤样进行了低温液氮吸附试验和甲烷等温吸附试验,同时对萃取物进行了气相色谱-质谱分析.结果表明,平衡水分条件下原煤对甲烷的吸附量要高于萃取后的煤,干燥条件下萃取后的煤对甲烷的吸附量要高于原煤.通过综合分析,指出煤的变质程度、孔隙结构和水分是造成不同煤阶煤萃取前后吸附差异的主要因素,由此进一步探讨了溶剂萃取前后煤中芳香结构与脂肪类化合物对煤吸附气体的综合影响.     

深部煤层含水率物理模拟与数值模型研究

针对深部煤层含水性相关研究不足的现状,选择北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样,模拟深部煤层的温度条件,开展了不同温度下煤的平衡水分实验,对实验数据进行了假设检验和参数估计,分析了平衡水分含量与煤级和温度之间的关系,建立了平衡水分含量与煤级和温度的数值模型。研究结果显示：相同温度条件下,平衡水含量随煤级先降低,后升高;同煤级条件下,埋藏深度增加,煤层温度升高,煤层含水率减小,因此,深部煤层中含水率要低于浅部煤层;但到达一定埋藏深度后,煤层含水率减小的趋势不明显。平衡水分含量与煤级和温度分别满足一元二次方程和指数负增长的数学统计关系,平衡水分含量与温度和煤级的数值模型的绝对误差为0.03%～0.70%,平均为0.24%;相对误差为1%～18%,平均为6.5%;表明平衡水分含量与温度和煤级的数值模型的精度较高。     

不同煤级煤对H_2S的吸附影响因素分析

为了研究煤对H2S的吸附性及其影响因素,采集了气煤、瘦煤、无烟煤3个不同煤级的8个煤样品,进行了压汞试验和平衡水条件下的等温吸附试验。结果表明:煤对H2S的吸附等温线符合朗缪尔吸附模型,其等温吸附过程呈现快速上升、缓慢上升、吸附平衡3个阶段;较小孔隙(过渡孔和微孔)所占百分比越大、煤变质程度越高以及压力越大,煤对H2S的吸附越有利。     

煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究

为研究煤体灰分、挥发分对煤吸附甲烷性能的影响,运用高容量吸附装置测定同一煤矿不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线和吸附常数a、b值,并运用SPSS多元线性回归软件进行分析。实验结果表明:不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且二者对于煤吸附甲烷性能均有一定的影响。煤灰分不变时,吸附常数a值随挥发分的增大而线性递增,吸附常数b值随挥发分的增大而线性递减;煤挥发分不变时,a值随灰分的增大而线性递增,b值随灰分的增大而线性递减。研究结果为准确测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等参数提供了一定的理论依据。     

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

基于吸附势理论的深部煤储层吸附气量研究

为了揭示深部煤储层煤吸附特性,量化表征煤储层吸附气量,以鄂尔多斯盆地东缘石炭—二叠系煤为研究对象,通过高温高压条件下煤的等温吸附实验研究,从煤级、温度及压力的角度解读高温高压条件下煤吸附特征。基于吸附势理论,建立了不同煤级煤的吸附特征曲线及吸附气量预测模型。应用预测模型对临兴地区石炭系8+9号煤层吸附气量进行了计算,结果表明:深部煤储层吸附气量受煤级、压力、温度的综合控制,煤级在0.77%~2.18%,即气煤—贫煤阶段,煤级和压力对煤吸附能力显示正效应、温度起负效应,且随着压力增大温度的负效应更为显著。不同煤级对应的煤吸附甲烷特征曲线不同,煤级越高则吸附势随吸附空间增大而减小的速度越缓慢。计算的绝对吸附量为19.6~31.1 cm~3/g,含气饱和度为37.8%~78.8%。     

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样，进行了20，30，40，50 ℃等不同温度下的高压等温吸附试验；应用吸附势理论，研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点，推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型，并给出了模型中特征常数的求取方法；利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证，并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明，该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合，平均相对偏差小于5%，说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下，包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性；比兰米尔(Langmuir)等温吸附模型的功能更强，适用范围更宽.      

CO_2 isothermal adsorption models of coal in the Haishiwan Coalfield

Since the capacity of CO2 adsorption of coal is a key factor in coal and CO2 outbursts,an experimental study was carried out on CO2 isothermal adsorption with high-pressure volumetry with dry coal samples from the No.2 coal seam in the Haishiwan Coalfield.Four different equations(Langmuir,BET,D-R and D-A) were used to fit the experimental data.We discuss adsorption mechanisms.The results show that the amount of CO2 adsorption increases rapidly under low relative pressure,i.e.,the ratio of equilibrium pressu...     

不同水分煤样吸附甲烷的极限吸附量预测

以大佛寺4#不粘煤样为研究对象,进行4#不粘煤空气干燥基样和平衡水分样等温吸附实验,计算吸附势和吸附空间,得出吸附特征曲线,以期预测大佛寺4#不粘煤层中煤层气资源/储量,验证吸附理论的可靠性。实验结果显示:对于同1种煤样,吸附势与环境温度无关系,煤中水分大小对吸附势影响较大;实验进一步证明煤-甲烷分子之间作用力主要为色散力,吸附过程为物理吸附;根据吸附特征曲线计算所得极限吸附量与常规Langmuir方程拟合所得结果十分相近,初步证明吸附特征曲线所得极限吸附量预测煤吸附甲烷最大能力、预测煤层气资源/储量是可行的方法。     

气体吸附过程中煤比表面Gibbs函数变化规律

煤体瓦斯吸附为放热过程,解吸为吸热过程,其温度能量变化的幅度与煤的变质程度、瓦斯吸附平衡压力等有关。以往的研究都采用等温吸附实验得出气体相关吸附数据,并通过其孔隙结构、相互作用力等来分析煤吸附气体的影响因素,但是鲜有学者从比表面Gibbs函数变化角度来探讨煤吸附气体机理。为此,研究了气体吸附过程中煤比表面Gibbs函数变化的相关特征参数计算公式,利用凤凰山矿和裴沟矿两种煤样进行等温吸附实验,得到了在4个不同温度(20,30,40,50 ℃)以及6个压力(0.2,1.2,1.5,2.5,3.0,4.0 MPa)下的等温吸附实验数据,利用单层吸附和多层吸附模型分别计算出不同煤样吸附气体过程中的比表面Gibbs函数变化。研究表明:采用两种不同方式计算煤样吸附甲烷的比表面Gibbs函数,随着温度的升高比表面Gibbs函数变化量减少,随着压力的升高比表面Gibbs函数变化增加。而应用单层吸附和多层吸附计算的能量相差较大,对这种现象分析了原因;计算了气体吸附解吸过程的热量,对比分析可知采用多层BET吸附模型得出的比表面Gibbs函数变化更接近实际;探讨了气体吸附能量变化的机理,表明气体吸附能量变化影响着吸附量的变化,而能量变化又同样受到煤样微观结构以及内部化学结构的影响。因此,煤样吸附解吸是一个复杂多变的过程,可以从改变能量的角度去探讨如何影响瓦斯解吸,达到提高瓦斯抽采效果的目的。     

不同变质程度煤表面与甲烷相互作用的量子化学研究

采用量子化学计算方法MP2，主要研究了不同变质程度煤基与甲烷分子间的作用能，发现随着煤基直径的增大，煤基和甲烷分子间的相互作用能也逐渐增大，结合不同变质程度煤的空间物理性质，从微观角度解释了不同煤吸附等温试验的结果.     

基于Ono-Kondo格子模型的深部煤储层CH4吸附特征研究

为更准确研究深部煤储层煤层气的吸附特征,了解温度、压力、水等因素对煤层吸附CH4的影响,基于等温吸附实验,采用简化的Ono-Kondo格子模型的拟合方法,精确描述了4种煤级煤在不同温压条件下与不同流体作用前后的CH4等温吸附曲线。结果表明:压力会对CH4的吸附产生正效应,温度会对CH4的吸附产生负效应;压力越大,吸附量受温度影响程度越大;水分会降低煤对CH4的最大吸附容量,不利于CH4吸附;超临界CO2萃取作用,能够增大煤的微孔比表面积和孔体积,从而提高煤层CH4的最大吸附量;CH4的最大吸附量随煤级的变化呈现出"U"型关系。     

和顺区块贫煤吸附特征及影响因素研究

基于和顺区块22个贫煤煤样平衡水等温吸附成果,分析了和顺贫煤的吸附特征,探讨了影响贫煤吸附的因素.研究表明贫煤总体吸附性较强,兰氏体积较高、兰氏压力较低,吸附能力与煤化程度、孔隙率、比孔容、比表面积正相关,与水分含量、灰分含量负相关,显微煤岩组分的影响较微弱.