原煤和型煤吸附-解吸瓦斯变形特性对比研究

基于不同瓦斯压力条件下的原煤和型煤吸附-解吸瓦斯变形全过程试验,研究了2种煤样在吸附-解吸瓦斯过程中的变形规律.结果表明:原煤在不同瓦斯压力下的吸附-解吸瓦斯全过程应变曲线可划分为6个阶段,而型煤为3个阶段;以时间为参照变量,2种煤样吸附膨胀和解吸收缩应变曲线均具有朗格缪尔方程形式;原煤吸附膨胀和解吸收缩变形均呈各向异性,而型煤均近似各向同性;2种煤样平衡吸附应变与吸附瓦斯压力关系对朗格缪尔方程均具有拟合效果,平衡解吸应变与原始瓦斯压力呈幂函数关系;2种煤样解吸瓦斯后均存在一定的残余应变;原煤吸附-解吸瓦斯全过程应变曲线的卸压膨胀变形阶段能较好的表征煤与瓦斯突出特性.     

瓦斯压力对瓦斯在煤中扩散影响的实验研究

为了研究瓦斯压力对瓦斯在不同变质程度煤中扩散的影响,采集了我国典型矿区的煤样,采用低温氮吸附法和压汞法对煤样进行了孔隙特征分析,开展了不同压力下煤粒瓦斯吸附-解吸扩散动力学实验,分别采用单孔扩散模型和双孔扩散模型对扩散实验结果进行拟合.结果表明,双孔扩散模型比单孔扩散模型能更准确地描述煤粒瓦斯吸附-解吸扩散全过程.基于双孔扩散模型反演计算大孔和微孔有效扩散系数D_(ae),D_(ie),分析认为:二次多项式函数能很好地描述D_(ae)与压力的关系,在吸附过程中,当瓦斯压力小于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而减小,当瓦斯压力大于某一临界压力时,D_(ae)随着压力的增大而增大;在解吸过程中,当瓦斯压力大于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而减小,当瓦斯压力小于某一临界压力值时,D_(ae)随着压力的减小而增大;大孔有效扩散系数均值Symbol`A@D_(ae)越大,临界瓦斯压力值就越大.而微孔有效扩散系数D_(ie)与压力则较好地符合一元线性关系:在吸附过程中D_(ie)随着压力的增大而增大,在解吸过程中D_(ie)随着压力的减小而减小.各煤样在吸附-解吸过程中的扩散特征参数β基本保持不变.     

微结构对软硬煤瓦斯吸附特性的影响

针对3组不同变质程度的软硬煤样,采用等温吸附实验分析了不同软硬煤的瓦斯吸附特性;通过低压液氮吸附实验,研究了不同软硬煤的孔隙结构特征,从煤的物理微结构(孔隙结构)角度分析了不同软硬煤的瓦斯吸附控制机理;同时对不同软硬煤样进行了红外傅里叶光谱(FTIR)实验,研究了不同软硬煤的表面化学微结构特征及其对瓦斯吸附行为的微观作用机理.研究结果表明:不同软硬煤样的瓦斯吸附能力差异明显,随煤阶的升高,VL从17.35cm3/g增加到37.89cm3/g,pL在0.88~1.75 MPa范围内变化;肥煤和焦煤软煤的瓦斯吸附量均明显高于同种变质程度的硬煤,而无烟煤则正好相反;软煤的总比表面积始终明显大于对应的硬煤,不同软硬煤样的孔径分布峰值均出现在3~10nm的微孔范围内,微孔所占孔比表面积比例均大于50%,是比表面积的主要贡献者;肥煤和焦煤软煤较同阶硬煤拥有更大的比表面积和更少的含氧官能团,具有超前演化的特征,展现出了更好的瓦斯吸附性能;而无烟煤软煤较硬煤的成熟度更低,含氧官能团含量更高,导致其瓦斯吸附量小于相应的硬煤.煤体瓦斯吸附行为不仅受孔隙结构的影响,还与化学结构紧密相关,在实际应用中应同时予以考虑.     

不同煤级煤样的孔隙综合表征方法研究

煤的孔隙特征对于研究煤的吸附解吸特性、扩散性、渗透性以及瓦斯突出事故的发生机理具有非常重要的意义。为研究不同煤级煤样的孔隙综合分形特征,利用ASAP2020比表面积及孔径分布测定仪,在低温液氮的环境下,对不同变质程度的煤样进行孔隙测定,并利用FHH分形维数计算模型对实验数据进行拟合,得到各煤样不同孔径段的分形维数;同时利用各孔径段的孔隙体积比作为权值,对各个煤样不同孔径段的分形维数进行加权求和,得到各煤样的综合分形维数。将煤样的综合分形维数与其总孔隙体积进行比较分析,可知不同煤级煤样的孔隙具有明显的分形特征,其总孔隙体积越大,综合分形维数越大,孔隙表面越粗糙,孔隙分布则相对复杂。     

鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征

基于鹤岗煤田北部区块典型构造煤样的低温氮吸附实验数据,分析不同变形程度下构造煤的分形维数与孔隙系统结构和气体吸附能力的关系.结果表明,受变形程度影响,碎裂煤和碎粒煤的孔隙系统发生变化,导致低温氮吸附、解吸曲线表现出不同形态.在相对压力为0.5~1.0时,分形维数可以有效表征碎裂煤与碎粒煤的孔隙结构和吸附能力.随着分形维数变大,煤岩变形程度增加,微孔含量增加,孔径变小,比表面积增大,孔表面粗糙度增加,使得煤岩孔隙系统复杂化,最终煤岩吸附能力增强.因此,煤岩孔隙分形维数可以表征煤岩孔隙结构和吸附能力.     

煤储层孔、裂隙系统分形研究

对煤层、煤样进行了宏观裂隙及显微裂隙的连续系统观测、统计,计算了煤中各级别裂隙的面密度维数;根据压汞法测出的煤中不同孔径段的连续比孔容数据,计算了煤中孔隙体积的分形维数。分析了分形九与煤层的孔、裂隙发育程度和煤变质程度的关系。为评革层气的吸附与解吸、扩散与渗流、煤与瓦斯突出预测及煤层有效渗透率估算提供了一种更加精确的方法。     

阳泉3号煤干燥煤样等温吸附-解吸特性实验研究

为了深入研究阳泉3号煤对甲烷的吸附-解吸特性,采用高压容量法对同一干燥煤样进行了2次重复实验,结合吸附理论对实验结果进行分析可知:阳泉3号煤对甲烷具有典型的吸附、解吸过程可逆性和解吸过程滞后性,滞后的主要原因是实验煤样孔径50 nm左右的孔隙发育,易形成经典的毛细凝聚;采用单分子层吸附理论Langmuir方程对实验数据进行处理时发现吸附压力约7MPa时,吸附量大于Langmuir方程对应的吸附量,原因可能是煤中开始向多分子层吸附过渡;吸附-解吸过程造成煤中孔隙体积变化,可能会影响到吸附常数的测试.     

煤体变形对气体等温吸附量计算影响及模型优化

为研究煤体变形对CO₂吸附量计算的影响，开展了原煤在He和CO₂气氛下的等温吸附/解吸试验，同步测试了煤样应变，分析了煤样在2种气氛下的吸附/解吸及变形特征，探讨了He升压和降压过程样品罐自由空间体积与气体压力的关系，建立了绝对吸附量的精确计算模型.结果表明：在He气氛下煤样产生压缩变形，应变与平衡压力关系曲线可以划分为Ⅰ～Ⅱ2种类型，Ⅰ类曲线升压过程和降压过程均具有2个变形阶段；Ⅱ类曲线升压过程和降压过程均仅具有1个变形阶段.在CO₂气氛下，煤样吸附气体产生膨胀变形，1/3焦煤和贫煤最大体应变分别为1.72%和1.63%;等温解吸过程，煤样解吸应变存在超前和滞后2种现象，且完全解吸后存在富余变形.随气体压力增大，1/3焦煤样品罐自由空间体积先减小后增大至趋于稳定，表现出明显的“减”—“增”2个阶段；贫煤样品罐自由空间体积始终随气体压力的增大而增大；随气体压力降低，1/3焦煤和贫煤样品罐自由空间体积均表现为缓慢增大和快速增大2个阶段.提出了能有效消除He气氛下煤样受气体压缩变形导致吸附量计算误差的方法.综合考虑煤吸附/解...     

负压环境下煤的瓦斯解吸规律试验研究

为了研究负压环境下煤的瓦斯解吸规律,对阳泉寺家庄矿煤样在负压环境下进行瓦斯解吸过程的实验室模拟测试,得到了煤样在不同吸附平衡压力、不同解吸负压条件下的瓦斯解吸量随时间变化的实测数据.分析了在一定吸附平衡压力条件下,不同解吸负压对煤样瓦斯解吸量的影响.运用常见的瓦斯解吸经验公式对实测数据回归和误差分析,以王佑安公式为模型,建立了负压环境下煤的瓦斯解吸经验公式,结果表明新建经验公式能够描述负压环境下煤的瓦斯解吸规律.     

水分对煤体瓦斯解吸扩散的影响

采用水蒸气吸附法,分别制取了6种不同水分含量的2类煤样进行瓦斯解吸扩散实验.利用Langmuir方程经验公式拟合,计算得到了极限瓦斯解吸量;对解吸实验前10min的甲烷解吸率和槡t进行线性拟合,通过计算得到了极限瓦斯解吸量和初始扩散系数,并分析了水分对瓦斯解吸扩散的影响机理.实验结果表明:水分含量对煤体瓦斯解吸扩散过程有显著影响,0.45 MPa平衡压力下,对于1#煤样,水质量分数由0.46%升高到3.5%时,极限瓦斯解吸量Q∞从8.63mL/g减小到4.24mL/g,降低50.87%,初期解吸率从70.87%减小至34.54%,降低36.33%;对于2#煤样,水质量分数由0.73%升高到4.16%时,Q∞从4.68mL/g减小到2.32mL/g,降低50.42%,初期解吸率从58.14%减小至37.16%,降低了20.98%;水分作用下,煤体瓦斯解吸能力大幅度降低;极限瓦斯解吸量、初期解吸率、初始扩散系数均随水分含量的增加而减小.     

不同冲击荷载下煤的孔隙结构变化规律研究

为研究冲击载荷作用下煤微观结构变化规律,采用低温液氮吸附实验对不同冲击荷载作用下王河煤矿煤样进行了试验研究,分析受不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构变化规律。结果表明:不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构会发生显著变化。当冲击载荷为68.21 MPa时,煤样部分中孔遭到破坏,煤样总孔容减小,微孔比表面积增加显著;当冲击荷载增加到120.64 MPa时,由于细颈瓶形状的微孔在冲击载荷作用下破坏,微孔比表面积所占比例明显减小,煤样孔容呈进一步减小趋势;可以认为在冲击载荷作用下,煤样微观结构从微孔向小孔、小孔向中孔及大孔转化,液氮吸附量持续减小。研究成果表明煤受外界冲击载荷作用会由于煤微观结构的变化进而影响煤瓦斯的赋存,煤开放孔的增加有利于煤矿瓦斯的抽放,对煤矿石门揭煤和煤松动爆破参数设计具有实用参考意义。     

负压定点取样煤层瓦斯含量测定损失量推算方法

为确定负压排渣定点取样过程的瓦斯损失量,采用自主研发的颗粒煤瓦斯负压-负压转常压解吸实验系统,选取义马矿区新安煤矿煤样,开展了不同吸附平衡压力、不同解吸负压及解吸时间的颗粒煤瓦斯负压-负压转常压解吸规律实验研究.结果表明:负压解吸段瓦斯累积解吸量随着解吸负压(绝对值)的升高及负压解吸时间的延长而增大,转为常压解吸后对应的瓦斯累积解吸量减小;实验煤样负压解吸初期(0~2min)瓦斯解吸规律及转为常压解吸后的常压解吸初期规律(0~10min)均可采用巴雷尔模型描述;基于提出的负压取样瓦斯损失量推算方法所得的推算值与实际损失量值最大误差为4.83%.     

含瓦斯煤体变形规律的实验研究

瓦斯是煤和瓦斯突出的主要能源,研究瓦斯对煤体的作用具有理论和实践意义。实验表明,当煤体吸附瓦斯后发生膨胀变形,其变形规律基本上服从朗格缪尔方程。当解吸瓦斯后,煤体发生收缩变形,基本上服从指数方程。变形值的大小与煤的变质程度、强度和孔隙性质有关。变形值可以作为预测煤体突出危险性的一项指标,并可用于预测抽放瓦斯措施的效果。     

沁水盆地东南部高阶煤孔隙分形特征及意义

为研究有利于煤层气勘探开发的煤储层孔隙结构特征,以沁水盆地东南部寺河矿和赵庄矿的晚古生代高阶煤为研究对象,基于低温氮吸附数据,运用孔隙分形研究方法,揭示高阶煤中综合分形维数与孔径分布、镜质组反射率、兰氏体积与兰氏压力之间的关系。研究表明,沁水盆地南部高阶煤在不同孔径段内的孔隙具有明显的分形特征,煤样综合分形维数分布在2.47~2.97;煤样的综合分形维数与煤镜质组反射率具有正相关性,即煤样孔隙的粗糙度随着镜质组反射率的增高而变得更加粗糙;综合分形维数随着比表面积、总孔容、微孔及过渡孔孔容所占比例增加而增大,而随着中孔孔容所占比例的增加而减小。综合分形维数可以反映高阶煤的煤层气开发状况,即高阶煤中煤的综合分形维数越高,越有利于煤层气的开发。     

煤体纳米级孔隙低温氮吸附特征及分形性研究

为了研究不同煤级煤体纳米级孔隙结构特性,通过低温氮吸附法对宿州邹庄矿、平顶山八矿、鹤壁九矿的8组煤样进行对比实验,分析了煤孔隙结构特性,并运用孔隙分形几何学理论基础建立FHH模型,揭示了煤的变质程度和破坏程度对煤孔隙结构差异的影响。结果表明:(1)不同变质程度的煤,其吸附能力与变质程度并不呈线性关系,与共生原生结构煤相比,构造煤的平均孔径普遍较小,但其孔比表面积较大,且构造煤吸附能力明显强于原生结构煤。(2)不同煤级煤的分形维数D大小并不随着煤化程度的升高而呈规律性的线性变化,构造变形作用促使构造煤孔隙结构复杂化。(3)分形维数D越大,表明煤体孔隙结构越复杂,煤体孔比表面积及其吸附量也较大。(4)分形维数与平均孔径呈反比。     

动载后层理煤样微观孔径结构特征研究

为研究动载(冲击荷载作用)后煤样微观孔径结构变化规律及煤体结构异性对其微观孔径结构变化规律的影响,采用霍普金森试验系统(SHPB),对不同方向的煤样进行不同程度的冲击,并完成冲击前后煤样的低温液氮吸附试验,对比分析不同冲击荷载作用后的煤样微观孔径结构特征。结果表明:受冲击煤样的微小孔含量明显低于原煤样的,随着冲击荷载增大,微小孔含量逐渐减小;冲击荷载作用后,煤样微观孔径结构有从微孔向小孔,小孔向中大孔转化的趋势;随着冲击荷载增加,总孔容、比表面积和吸附量呈现逐渐减小的趋势,比表面积和吸附量与总孔容表现出较好的相关性;同种冲击荷载作用后,垂直层理方向煤样总孔容、比表面积以及吸附量均比平行层理方向的煤样高。     

煤与瓦斯突出微观机理探索研究

为进一步研究煤孔隙结构对煤与瓦斯突出的影响,采用低温CO2吸附法、低温N2吸附法、压汞法以及小角X射线散射(SAXS)等方法,对8种不同瓦斯赋存条件下煤样全孔径(0.35～11 000 nm)分布进行了测试和综合表征.结果表明:煤样的开孔纳米孔隙(直径≤100 nm)占总孔容最高达92.7％,比表面积占总比表面积98％...     

煤的微孔特征及其随煤级和煤样尺寸的变化

煤的微孔是煤层气吸附储存的主要场所,认识煤的微孔,特别是其封闭程度对评估煤层气储量和预测其产量十分重要。本文主要采用77K下N2吸附法和273K下CO2吸附法表征煤的表面积和孔体积,分析其随煤级和煤样尺寸的变化规律。发现CO2吸附法更适合表征煤的微孔特征。除最大尺寸(1.68mm~3.35mm)样品外,随着煤样尺寸减小,烟煤样品的微孔特征无变化,几乎全部为开放孔;而无烟煤和褐煤的微孔表面积和孔体积随煤样尺寸有明显变化,但规律性不明显。通过将毫米级尺度的原煤进行热处理和四氢呋喃萃取处理后发现其微孔体积和表面积都增加,这表明煤缩合芳环外围的烷基侧链和官能团可能占据或堵塞了孔口,造成了微孔的封闭。褐煤的烷基侧链长,各种官能团数量多,因此微孔封闭率最高。     

不同粒径煤样常压与带压解吸对比实验研究

为了研究煤储层内的带压解吸规律和不同粒径煤样在解吸过程中的差异,分别对取自沁水盆地晋城矿区寺河煤矿3#煤层的大块煤样和粒状煤样(粒径2~5cm)进行了等温吸附实验、常压(0.1 MPa,即1个大气压)解吸实验以及7个连续压降阶段的带压解吸实验.认为煤样内部的压降传递速度差异和煤储层本身的孔隙结构特征是造成不同粒径煤体降压解吸阶段迥异的主要原因.结果表明:相同温度、压力条件下,粉末状煤样(粒度60~80m,(mesh,180~250μm))吸附量是粒状煤样的1.20倍,是大块煤样的1.79倍;常压解吸条件下,粒状煤样的累计解吸量与相对累计解吸率分别是大块煤样的1.36,1.02倍;带压解吸条件下,粒状煤样的累计解吸量与相对累计解吸率分别是大块煤样的1.56,1.17倍.研究发现,不同粒径的带压解吸具有阶段性,其中前3个阶段大块煤样的累计解吸量以及相对累计解吸率均小于粒状煤样;后4个阶段大块煤样相对累计解吸率大于粒状煤样.     

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.