温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

温度对煤样罐内煤体瓦斯解吸的影响

采用特制的瓦斯解吸试验系统，对阳煤五矿15号煤煤样进行了不同吸附和解吸温度条件下煤屑瓦斯解吸量测定实验及恒温和变温吸附解吸条件下煤样罐中煤屑瓦斯解吸过程中温度变化测定实验。试验结果表明:煤屑在40 ℃吸附后，在27 ℃解吸时速度明显低于40 ℃下解吸速度，30 ℃吸附40 ℃解吸明显高于40 ℃吸附27 ℃解吸的解吸速度；气体分子的吸附解吸过程伴随着多孔介质系统的能量改变而导致了温度变化，热量从煤样罐外围环境传导到煤样需要一定时间，在瓦斯解吸过程中，外界温度的急剧变化不会立即对解吸扩散过程产生影响，在这一时间阶段内，对煤样温度变化起主要决定作用的还是煤解吸瓦斯过程中自身的吸热反应，但一定时间后其决定作用将会是外界温度。     

基于恒温动态吸附解吸试验的瓦斯解吸方程探讨

为了研究煤层瓦斯赋存、瓦斯吸附解吸规律以及瓦斯流动理论,设计了瓦斯吸附解吸的试验方案,研究了同一煤质、不同粒径煤样的等温吸附解吸特性.研究表明:定压动态下的瓦斯解吸量与时间的变化曲线与前人得到的函数曲线能够很好地吻合,建立了瓦斯吸附解吸的数学模型,发现煤样压力和煤样粒径分别对解吸量Q函数中的吸附常数a和b有影响.并通过恒温变压吸附解吸试验,分析了在解吸过程中突然改变煤层压力时的解吸方程,结果表明,改变解吸过程的煤层压力,煤体的解吸过程依然符合瓦斯吸附解吸数学模型.     

煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了进一步研究煤层中瓦斯解吸扩散的特征及其规律,设计了等温瓦斯吸附解吸实验系统,该系统主要由温度控制系统,瓦斯吸附解吸系统和数据采集与处理系统3部分组成。通过自制煤样,实验研究了2种煤质、2种粒度的4种不同煤样在30℃恒定温度、不同吸附平衡压力点下的瓦斯解吸扩散规律。通过对比分析,提出了瓦斯累计解吸量与时间之间的关系式,建立的煤的瓦斯累计解吸量的数学模型,并分析了影响模型中各参数变化的因素。     

煤的等温吸附-解吸实验及其精确拟合

针对当前产业界面临的对煤层气解吸机理研究不足的现状,开展了６组煤样的甲烷气体的等温吸附/解吸实验。结果表明,煤层气的解吸过程略微滞后于吸附过程,同一煤样的等温解吸曲线与等温吸附曲线存在一个匮乏压力下的残余吸附量;通过对实验数据的分析,建立了降压条件下煤层气解吸作用的精确拟合方程。     

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。     

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。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH_4)应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。     

煤中瓦斯吸附渗透理论及实验研究

为了研究煤层中瓦斯吸附解吸过程和瓦斯流动规律,基于国内外现有研究理论成果,设计了瓦斯吸附的实验系统,该系统主要包括温度控制系统、瓦斯吸附系统和数据采集与处理系统。通过自制的煤样,实验研究了同一煤质不同粒度煤样的等温吸附特性。采用定压动态吸附法进行瓦斯吸附实验,指出了瓦斯吸附量、吸附速率与煤样粒度之间的关系规律。通过对3种不同煤样的动态吸附曲线的对比分析,提出了瓦斯吸附量、吸附速率与吸附时间之间的关系式,建立了煤的瓦斯吸附量的数学模型。对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平、对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有理论意义和实际应用价值。     

补连塔矿煤样的孔隙特征及吸附特性试验研究

为了研究补连塔煤样的孔隙特征和吸附特性,开展了煤样的低温氮吸附试验和等温气体吸附试验。通过分析低温氮吸附试验发现,补连塔煤样的比表面积明显大于变质程度相近其它煤样,且该煤样的孔径分布主要集中在小于10 nm小孔段;分析煤样气体吸附试验结果发现,该煤样的气体吸附量明显低于相同变质程度的其它煤样。分析试验结果表明,补连塔煤样的吸附特性存在明显"比表面积大而气体吸附量小"的特征,这与传统物理吸附存在较大偏差,考虑气体分子热运动,建立小孔气体分子吸附模型解释了发生该种现象原因。     

基于吸附层厚度理论的软硬煤吸附机理解析

针对同一变质程度软/硬煤的比表面积和总孔容积相差数倍,但其对甲烷吸附量却相当这一现象,根据热力学原理及煤对甲烷吸附机理,建立了煤的孔径对甲烷吸附层厚度的方程,数值分析了吸附压力和孔径对吸附层厚度（吸附层数）的影响,同时采用软/硬煤的孔径分布拟合函数,数值计算了软/硬煤的瓦斯等温吸附曲线,并与实测结果进行了对比分析。研究结果表明：基于吸附层厚度理论,在同一吸附平衡压力下,甲烷吸附层厚度随着孔径增大呈负指数变化,即煤体对甲烷的吸附是不同分子层的集合。采用煤体中孔径与其孔体积的分段函数和煤对甲烷的吸附层厚度理论,计算得到的瓦斯吸附等温线无论是变化趋势还是定量上均与实测结果一致,误差小于6.5%。因而,吸附层厚度理论很好地揭示了软/硬煤对甲烷吸附特征。由此,只要测得煤的孔径分布特征,即可采用吸附层厚度理论对其吸附量进行计算,为预测煤层瓦斯含量提供新方法。     

CO 2和CH 4在煤基质表面竞争吸附的热力学分析

利用煤表面自由能变化值和等量吸附热评价了25、30、40 ℃条件下CO₂在煤层中优先吸附性以及CO₂与CH₄竞争吸附机理。煤吸附CO₂后的表面自由能变化值要普遍大于煤吸附CH₄后的表面自由能变化值,揭示了单位面积煤基质表面对CO₂吸附量要高于对CH₄吸附量的热力学本质;通过变换CO₂和CH₄的等量吸附曲线,得到煤样对CO₂和CH₄的初始等量吸附热值Q_st0分别为48.2 kJ/mol和33.4 kJ/mol,揭示了煤对CO₂的吸附作用力要强于CH₄,并且煤对CO₂的等量吸附热随吸附量的增加呈现增加趋势,与吸附气体分子间的相互作用力相关,表明CO₂在煤基质表面存在多分子层吸附。     

平顶山矿区主采煤层孔隙特征研究

对平顶山矿区主采煤层丁组、戊组和己组煤样进行低温氮气吸附试验,分析等温吸附-脱附曲线形态,计算孔体积和比表面积,研究了不同煤层的孔形态及其对瓦斯的吸附-解吸能力。实验结果表明:原始煤层煤样比表面积为0.026~2.988 m^2/g,以小于8 nm的孔为主;孔隙结构复杂,大量存在一端闭合孔和"墨水瓶"孔,增加了煤层瓦斯抽采难度。     

大佛寺井田4号煤CH_4与CO_2吸附解吸实验比较

以迅速降低大佛寺4号煤含气量,提高地面煤层气井采收率为目标,进行CO2驱替CH4技术的实验研究。对采自大佛寺矿井40114工作面的样品,进行多个温度点柱体原煤与60~80目平衡水样的CH4与CO2吸附解吸对比实验。结果表明:CO2在煤孔隙表面与CH4一致,吸附过程符合Langmuir方程,解吸过程可用解吸式描述;由热力学计算可知,柱体原煤升压过程CO2吸附热为56.827 kJ/mol,CH4吸附热为12.662 kJ/mol,降压过程CO2吸附热为115.030 kJ/mol,CH4吸附热为23.602 kJ/mol,无论升压过程还是降压过程CO2吸附热远大于CH4吸附热,两种气体在煤孔隙表面竞争吸附时CO2占据优势,导致置换解吸;吸附势、吸附空间计算验证了这个结论;利用CO2驱替CH4技术,提高煤层气采收率,理论依据充分可行。     

寺河3号煤甲烷吸附解吸热力学特征

为研究煤层气排采过程CH4解吸内在热力学特征及水蒸汽在排水降压产气过程中的作用机理,在20,25,30,35,40℃五个温度点对寺河3号无烟煤(WY)进行等温吸附解吸实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热和极限吸附热。结果表明,升压(吸附)过程和降压(解吸)过程极限吸附热分别为23.31 kJ/mol和24.02 kJ/mol,属于物理吸附,但后者大于前者。从热力学角度看,吸附解吸平衡体系中,降压不足以导致煤层甲烷解吸,但降压促使液态水在煤孔隙中形成局部低压,水分子汽化,水蒸汽分子在煤孔隙表面吸附产生的吸附热约为40 kJ/mol,远大于甲烷吸附热,水蒸汽吸附置换煤孔隙表面吸附的甲烷,最终导致甲烷解吸。     

温吸附过程中不同煤体结构煤能量变化规律

煤吸附甲烷的过程中总是伴随动能及热量的变化,能量的变化是吸附的内在动力。对反映等温吸附过程中能量变化的相关特征参数的计算进行了推导,通过不同煤体结构煤的等温吸附实验,得到了不同温度下的相关吸附数据,计算出了不同煤体结构煤吸附甲烷过程中的能量变化值,并讨论了吸附过程中能量变化的微观机制。研究表明,糜棱结构煤的吸附能力最强,其次为碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤;吸附势随吸附空间的增大而减小,吸附首先在微孔孔隙中进行,微孔的吸附势远大于中孔大孔的吸附势;吸附势和表面自由能总降低值的规律表现为糜棱结构煤>碎粒结构煤>碎裂结构煤>原生结构煤,揭示了煤吸附甲烷过程中的能量控制机理。     

河北开滦矿区晚古生代煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性

研究了开滦矿区不同变质程度煤对不同配比CH₄/ CO₂二元气体等温吸附特性,用扩展Langmuir方程的推论计算了CH₄/ CO₂二元气体各组分在吸附相中的浓度,并分析了其变化特征,表明：煤对CH₄/CO₂二元气体的吸附并不是对纯CH₄和纯CO₂的独立吸附,而是2种气体的竞争吸附,混合气体中CO₂含量越高,总吸附量越大.在开滦矿区煤对CH₄/ CO₂二元气体的吸附过程中,利于CO₂吸附的条件是高CO₂组分浓度和高压力;中等变质程度煤利于CH₄吸附的条件是高CH₄组分浓度和高压力,而低变质程度煤是相对的低CH₄组分浓度和高压力.研究区低变质程度煤对CH₄ 的竞争吸附大于其对CO₂的竞争吸附,并不适合CO₂-ECBM 技术的实施;中等变质程度煤对CO₂ 的竞争吸附优于对CH₄的竞争吸附, 适于CO₂-ECBM 技术的实施.     

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。