粒径、水分对煤中甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究粒径、水分对煤中甲烷的吸附、扩散影响,进行了甲烷等温吸附-扩散实验。选取潞安古城矿区3号煤,制成60~80目的煤样,在30℃恒定温度,相同的平衡压力条件下进行吸附扩散实验,对比分析研究甲烷在不同粒径、含水煤样中的扩散量、扩散速度的差异。通过实验发现:在相同的吸附平衡压力下,同一水分不同粒径煤样,同一时间大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均小于小粒径的扩散量和扩散速度;同一粒径不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,瓦斯解吸量越大,水分对瓦斯解吸起着明显的抑制作用,煤样含水量越高,同一时间瓦斯解吸速度越小,随着时间的增加解吸速度逐渐缓慢。研究不同主控因素下的甲烷扩散规律,对煤层气开发和矿井瓦斯灾害防治有很好的指导意义。     

不同压力、煤阶对煤中甲烷的扩散影响实验研究

为了研究压力和煤阶对煤中甲烷扩散特性的影响,进行了甲烷等温吸附解吸实验。选取新疆某矿区长焰煤、山西古城矿3号煤层贫瘦煤两种不同变质程度的煤,制成60~80目的干燥煤样。在30℃恒温条件下,不同煤阶的煤样分别在不同的平衡压力条件下进行吸附解吸实验,对比分析研究甲烷在压力、煤阶两个主控因素下煤中甲烷扩散量,扩散率的差异。通过分析实验结果发现:高压力下甲烷累积扩散量大于低压力下的扩散量,而扩散率与之相反;高阶煤中甲烷扩散量大于低阶煤的扩散量,扩散率与之相反。研究不同主控因素下的瓦斯扩散规律,对煤层气开发和防治矿井瓦斯灾害有很好的指导意义。     

不同煤阶煤对甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究甲烷在不同煤阶煤中的吸附、扩散特性及规律,进行了等温甲烷吸附解吸实验。选取新疆阜康矿区长焰煤、潞安高河矿区贫瘦煤2种煤,制成60~80目的煤样,在30℃恒定温度,相同的平衡压力条件下进行吸附扩散实验,对比分析研究甲烷在不同煤阶中的扩散量、扩散率、扩散系数的差异,并解释其产生差异的原因:相同条件下,阜康矿区长焰煤扩散量小于高河矿区贫瘦煤的扩散量,原因是吸附量与煤的比表面积有关,贫瘦煤中微孔和过渡孔发育,其比表面积比长焰煤的更大,有利于吸附的缘故;阜康矿区长焰煤扩散率大于高河矿区贫瘦煤的扩散率,原因是长焰煤中大孔和中孔所占比例大于高变质程度的贫瘦煤,孔隙连通性好、渗透性强,有利于甲烷的扩散;阜康矿区长焰煤扩系数大于高河矿区贫瘦煤的扩散系数;根据公式扩散系数与扩散率成正相关,其规律性与扩散率规律一致。     

煤中瓦斯非稳态扩散特征模型及实验验证

为了研究煤中瓦斯的运移规律,首先建立了煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,然后以不同粒径煤样为对象,通过改进的解吸实验装置研究了煤中瓦斯解吸-扩散特性,实验验证了该模型的可靠性。结果表明,通过建立煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,得到了煤中瓦斯扩散过程中不同时刻条件下的扩散系数,获得了煤中瓦斯的非稳态扩散特征。煤样的初期解吸速度相对较快,随后逐渐降低;煤样粒径越小,瓦斯的总解吸量和解吸速度均越大,煤样接近解吸平衡时所用的时间越短。相同压力下,初始时刻煤样的有效扩散系数随着煤样粒径的增大而减小,解吸-扩散实验结果验证了上述模型具有较高的可靠性。     

不同粒径煤的瓦斯扩散特性实验

采用自制的吸附/解吸实验装置进行不同粒径煤的瓦斯扩散实验,结果表明:甲烷的扩散量随着时间的增加而增大,小粒径煤的扩散量达到平衡的时间短,大粒径煤的扩散量达到平衡的时间长;甲烷扩散率随着时间的增加而增大,粒径越大,扩散率的增长速率越小,粒径越小,扩散率的增长速率越大;扩散系数D随着煤粒径的增加而增大。其为煤层瓦斯治理提供重要的理论依据。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。     

煤粒瓦斯初始扩散系数及其影响因素

通过扩散实验对平煤八矿、鹤壁六矿原生结构煤/构造煤煤样进行研究分析,利用实验数据,并结合动扩散系数新模型,分别计算出0.5、1.0、1.5 MPa 3个吸附平衡压力下的初始扩散系数D_0,经过比较分析,初步探讨了不同煤体结构、不同变质程度、不同粒径在不同吸附平衡压力下对煤样的D_0的影响规律:整体上来看,构造煤初始扩散系数D_0比原生结构煤要大;在构造煤的对比中,鹤壁贫瘦煤煤样的初始扩散系数小于平顶山肥煤煤样的初始扩散系数,而在原生结构煤的对比中,扩散系数的大小关系整体上呈现相反的规律;随着压力的变化,构造煤粒径为0.5~1.0 mm的煤样的初始扩散系数D_0明显大于粒径为0.25~0.5 mm的煤样,原生结构煤2种粒径煤样的D_0大小对比结果整体上呈现出相似规律。     

注水对煤的瓦斯扩散特性影响

为研究注水后煤的瓦斯扩散特征及动力学参数变化,在自制的高压注水搅拌解吸装置上对不同注水量煤样在0.5 MPa吸附平衡压力下的瓦斯放散过程进行了测试,测试结果表明：不同注水量煤样瓦斯解吸量与时间的关系曲线形状均与 Langmuir 吸附等温线相似,不同注水量煤样均存在极限解吸量,极限解吸量随水分增加呈现指数函数式变化,当煤样水分由0.05%增加到12.04%时,极限解吸量由7.3383 mL/g降至2.7749 mL/g。相同吸附平衡压力下,注水量越大,煤样第1 min瓦斯解吸速度(V1)越小,解吸速度V1随水分增加呈现对数函数式变化;注水后,煤样传质毕欧准数增大,扩散系数和传质傅立叶准数减小,注水改变煤的扩散动力学参数。     

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。     

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。