无烟煤对CO_2和CH_4的吸附解吸特性研究

为研究2种变质程度不同的无烟煤样对不同吸附质的吸附解吸情况,选取白芨沟煤矿和阳煤五矿2种变质程度不同的无烟煤样对二氧化碳和甲烷气体进行吸附解吸实验,采用恒容和恒压2种实验方法,测试了在不同压力点下,2种煤样吸附二氧化碳和甲烷的吸附量,以及在连续阶梯压力点下吸附解吸的特征,分别与Langmuir模型和本课题组提出的"■"式进行拟合,Q为吸附量,t为解吸时间。实验结果表明:进行恒压吸附时,2种煤样对二氧化碳的吸附量总是大于对甲烷的吸附量;进行阶梯压力实验时,2种煤样对二氧化碳和甲烷的吸附规律与Langmuir模型的拟合效果很好,解吸规律与"■"模型的拟合情况很好;二氧化碳吸附速率大于甲烷吸附速率。     

温度对煤吸附性能的影响

为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响,采用WY-98B型吸附常数测定仪,选取了含气量较高矿井的3种煤样,进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试,并据此拟合出了温度与Langmuir吸附常数a的曲线方程.利用计算煤表面能的方法,推导出了温度与Langmuir吸附常数b的关系.实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高,煤体吸附甲烷量变小,压力越大这种变化趋势越大;Langmuir常数a随温度的增大而减小,吸附量越大的煤样,其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大;Langmuir常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p_t以及煤自身物理性能所决定的常数k;在一定温度范围内,温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示.     

不同水分条件下煤吸附甲烷模型的探讨

采用人为加湿煤样的方法,研究了Langmuir、BET、D-R及Freundlich等4个模型在不同水分条件下吸附甲烷的特性。结果表明:随着水分的增加,表征饱合吸附量的4个模型的特征参数值均减少;不同水分条件下,Langmuir模型拟合煤吸附甲烷等温线精度最高,D-R次之,BET模型最差;高压条件下,BET模型不适于描述不同水分含量煤样的等温吸附过程。     

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。     

复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性实验研究

为研究复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性,利用高压瓦斯吸附装置进行温度、粒径对煤样吸附甲烷特性的影响实验,运用Langmuir单分子层吸附理论对实验数据进行拟合,应用多因方差分析的方法分析了温度、粒径二者复合条件下对煤样吸附甲烷性能的影响。实验结果表明:温度因素对煤样吸附甲烷的影响明显大于粒径因素对煤样吸附甲烷的影响,粒径对煤样吸附甲烷的影响较小,温度和粒径对煤样吸附甲烷的性能无交互影响作用,温度和粒径对煤样吸附甲烷的影响是相互独立的。     

不同温度条件下煤层气等温吸附试验研究

为了研究不同温度下煤层气吸附规律,依据高温容量法对煤样进行一系列等温吸附试验,由BET多层吸附理论将得到的实际吸附体积换算为最大单层饱和吸附气体体积,在Langmuir单分子层吸附模型上处理数据,得到两种煤样的定容吸附曲线、等温吸附曲线和Langmuir常数a、b分别与温度的拟合曲线。结果表明:1)在低温低压区煤与甲烷气体的吸附是单分子层的,且单层吸附尚未饱和,随着温度和压力逐渐变大,易发生多层吸附;2)Langmuir常数a表征煤体的吸附能力,随着温度升高,因煤体比表面积不断增大,a值缓慢增大;3)Langmuir常数b随温度升高下降趋势明显,说明温度对解吸的促进作用更加明显。     

寺家庄矿无烟煤对CH4和CO2的吸附特性研究

对寺家庄矿15号煤层的煤样进行了纯CO2和纯CH4气体的等温吸附试验,并用Langmuir模型、BET模型和吸附势理论模型(D-R,D-A)对煤样的吸附数据进行了拟合,检验了各模型的拟合程度.结果表明:煤样对CO2的吸附能力大于对CH4的吸附能力.随着压力的增加,CH4吸附量的增加幅度大于CO2吸附量的增加幅度.煤样对CH4的吸附以多分子吸附为主,用BET模型拟合其吸附行为的误差最小;煤样对CO2的吸附机理比较复杂,不能简单归纳为单分子吸附或多分子吸附,用Langmuir模型拟合其吸附行为的误差最小.综合比较表明,用BET模型描述煤对CH4的吸附特性和用Langmuir模型描述煤对CO2的吸附过程,其结果较优.     

深部煤层无烟煤甲烷吸附特性研究

为了研究深部煤层无烟煤的甲烷吸附特性,利用高温高压煤的吸附试验模拟深部煤层所处的高温高压环境,测得无烟煤软、硬煤在不同温度(40、70、110℃)下的瓦斯吸附常数,采用吸附势理论计算出软、硬煤在不同条件下的吸附势特征曲线,分析了高温高压深部煤层下的甲烷吸附特性;基于压汞法测试高温高压吸附试验前、后的无烟煤软、硬煤的孔隙结构参数,研究了不同温度下深部煤层无烟煤软、硬煤的孔隙结构的变化对甲烷吸附的影响。研究结果表明:无烟煤软煤的微孔孔隙结构较硬煤发达,甲烷极限吸附量大,有利于甲烷的吸附;高温高压吸附试验前后煤的吸附特征曲线呈递减趋势,煤样的吸附势随着吸附空间的增大而减小;高温高压下无烟煤软、硬煤的总孔体积增大、孔隙连通度低于原煤,其煤孔隙向更致密方向发展。     

基于红外成像技术的煤中甲烷分布特征研究

为了研究煤体在吸附过程中,甲烷的非均匀分布以及煤体温度的改变特征,通过红外热成像的方法和MATLAB程序,对不同变质程度的煤样进行观测分析。结果表明:在吸附过程中,不同煤阶的煤样截面具有不同范围的吸附明显区域,该区域温度变化大,且随着吸附压力的增大,该现象越显著;当煤样吸附达到平衡时,在任意吸附平衡压力下均存在某一温度变化临界值;在温度改变量大于该临界值的煤体截面区域范围,煤体中不同温度变化增量段的甲烷吸附量的分布比率高于煤单元数量分布比率,则定义该煤体区域为甲烷吸附聚积区;随着吸附压力的增大,煤样截面区域的温度变化范围变大,煤样吸附的非均匀性增强;随着温度变化量的增大,不同温度变化增量段的煤单元数量分布比率及其对应的甲烷吸附量分布比率呈现先增大后减小的趋势,服从正态分布。     

平顶山矿区煤储层特征研究

采用氮气吸附法对平煤集团6个典型矿区煤样的储层结构特征进行了分析,并利用Langmuir方程对瓦斯吸附数据进行拟合分析,研究了煤孔体积对瓦斯吸附参数的影响。实验结果表明:Langmuir方程能够较好地描述煤体吸附过程;不同煤样孔体积差异明显,孔径分布不均;煤中的微孔(孔径d10 nm)最为发育,气体吸附也主要集中在微孔段;在瓦斯赋存控制机理方面,微孔主要控制Langmuir体积,影响瓦斯吸附量;而微孔和小孔同时控制Langmuir压力,影响低压段瓦斯吸附速率。     

不同温压作用下煤体对甲烷吸附量及其变形的试验研究

基于温度和压力会影响煤体对甲烷吸附的这一特性,研究了煤体在不同温度和压力下对甲烷的吸附量和吸附过程中煤体的变形量,结果表明：随着温度的增加,煤体对甲烷的吸附量减小,升温对煤体的吸附能力起抑制作用|吸附甲烷后的标准煤样的轴向变形量与温度呈负相关关系,而与孔隙压呈正相关关系。在同一温度下,随着孔隙压力的增大,甲烷在煤体中的吸附量几乎呈线性关系增大|当温度为80℃时煤体发生显著的压缩变形。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟

利用蒙特卡洛方法建立了煤与甲烷吸附动力学的数值模型,并对两种非均匀势阱煤样模型的吸附甲烷过程进行计算,分析其在不同温度与吸附压力下吸附甲烷特性以及吸附热的变化规律。研究表明:非均匀势阱煤样模型等温吸附过程与理想朗格缪尔曲线有明显不同,等压吸附过程可利用负指数规律精确描述。煤样模型势阱深度分布的非均匀特征对煤与甲烷吸附热,以及吸附量对于温度和压力的敏感性均有一定影响。通过对不同吸附压力下吸附速率参数b的拟合计算,推导出非均匀势阱等温吸附方程,物理实验验证表明该方程对真实煤样吸附解吸甲烷过程的描述比理想朗格缪尔方程更加精确。     

煤体理化结构特征及其对瓦斯吸附热力学的影响

为研究煤的理化结构特征及其对瓦斯吸附热力学的影响,通过低温液氮吸附实验和傅里叶红外光谱实验对煤的理化结构进行了表征,采用等温吸附实验测定了不同温度下贫煤和长焰煤的瓦斯吸附曲线,利用Langmuir模型和Freundlich模型分别对吸附数据进行了拟合,并基于2种模型计算了吸附热力学参数△G°。研究结果表明:基于Freundlich模型的吸附△G°适合描述瓦斯吸附热力学特性,不同温度下煤对瓦斯的吸附均为自发过程;长焰煤的孔隙结构更有利于吸附过程的进行,而贫煤的表面化学结构更有利于瓦斯的吸附;煤对瓦斯的吸附量受煤体孔隙结构及表面化学官能团的共同作用,吸附△G°可较好的体现煤体孔隙结构特征的差异,结合吸附量和吸附△G°可更全面地评价不同变质程度煤对瓦斯的吸附性能。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

考虑温度作用下煤岩渗透特性及吸附膨胀的试验研究

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟采深增加导致的渗透特性变化,开展不同温度下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑温度作用的吸附膨胀模型,探讨温度和孔隙压力综合作用对煤岩吸附膨胀效应的影响。结果表明:随孔隙压力升高,轴向应变在较低温度下(30,40℃)逐渐下降,在较高温度下(50,60℃)逐渐上升,在各个温度下径向应变、体积应变逐渐降低;随孔隙压力升高,煤岩渗透率先减小后略有增高,不同温度下通入氦气与甲烷气体的煤岩渗透率变化趋势相同且前者渗透率大于后者;随温度升高滑脱效应导致的渗透率变化量(Δkb)逐渐增大,煤岩吸附膨胀导致的渗透率变化量(Δks)随孔隙压力升高先急剧下降后趋于平缓,且随温度升高变化量逐渐增大;在相同孔隙压力下,考虑温度作用吸附膨胀引起的渗透率变化量均高于不考虑温度作用的变化量,且前者总减小量要大于不考虑温度时总减小量。     

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。     

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%。     

东曲矿软硬煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究不同软硬煤瓦斯吸附特性,以山西古交矿区东曲矿为研究对象,针对2组不同变质程度的软硬煤,通过高压容量法测试了其瓦斯吸附性能;同时对不同软硬煤开展了低温液氮吸附实验,分析了其孔隙结构特征,从煤体微结构层面揭示了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理。研究结果表明:不同软硬煤之间存在较大的吸附差异性,瓦斯吸附参数VL最大值是最小值的1.5倍;在不同软硬煤中,微孔所占比例均大于50%,煤中的孔比表面积主要由小于10 nm的微孔所贡献;构造变形作用使得煤层中的原生孔隙裂隙系统被破坏,孔隙直径减小,微孔比例增加,孔隙比表面积也在不断增大,因而,软煤较硬煤拥有更强的吸附性能。