CH_4和CO_2及其多元气体在淮南C_(13)煤中的吸附特性试验研究

煤对CH_4、CO_2及其多元混合气体吸附量是CO_2-ECBM技术的基础参数之一,也是评价CO_2封存量和CH_4产气量的基础。针对煤吸附混合气体试验繁琐、耗时长的问题,采用等温吸附试验分别实测了煤样对CO_2、CH_4及其混合气体的吸附等温线,并提出了混合气体吸附常数a、b与CO_2体积分数的拟合方程,得出了CO_2和CH_4混合气体吸附量预测方法。主要结论如下:淮南矿区C_(13)煤吸附CO_2的平衡时间约为24 h,远高于对CH_4的吸附平衡时间;C_(13)煤对CO_2的吸附能力是CH_4的2倍以上。C_(13)煤对混合气体的吸附量随CO_2体积分数的增大而增大;吸附常数a、b值与二氧化碳体积分数符合二次函数关系,可根据拟合方程,结合朗格缪尔方程计算任意体积比的CO_2和CH_4混合气体吸附量。     

链烷比、烯烃和六枝矿区煤的自然发火

<正> 研究 C_2H_4、C_3H_6的发火速率及链烷比C_2H_6/CH_4、C_3H_8/CH_4、C_4H_(10)/CH_4,烯炔比 C_2H_4/C_2H_2等指标和煤矿自然发火的关系,已经有过不少的研究报告。但是烷烃既是煤的吸附气体成分,也在煤的氧化分解时产生,C_2H_(?)/CH_4、C_3H_8/CH_4、C_4H_(10)/CH_4随煤样升温而增大的规律是与吸附烷烃有关亦和氧化分解烷烃有关?这类烷比在常温下也随煤样存放时间延长自动增大,这与它们随煤样升温而增大的情况相     

粒径分布对煤的孔隙结构及其CH_4和CO_2吸附性能的影响

通过改变20~40目和40~60目煤样的质量配比得到不同粒径分布的煤样,以研究粒径分布与煤样的CH_4和CO_2吸附性能之间的关系。使用低温N_2吸附法来表征煤样的孔隙结构;采用容量法测定它们的CH_4和CO_2吸附性能,并选取Langmuir模型对吸附数据进行拟合。结果表明:当粒径减小时,煤样的微孔含量增加;随着粒径的增加,煤样对CH_4的饱和吸附量缓慢下降。煤样对CO_2的饱和吸附量与粒径之间的变化关系与CH_4的类似,但CO_2的变化趋势更为显著。     

基于程序升温的灵泉矿煤自燃特性研究

利用程序升温实验测试灵泉矿煤样,研究煤样在程序升温条件下的耗氧速率、CO、CH_4、C_2H_6及C_2H_4的产生规律。通过实验确定了煤样耗氧速率、CO浓度、CH_4浓度、C_2H_6浓度和C_2H_4浓度与温度的关系,并通过非线性曲线拟合,得出其与温度的拟合方程,从而得出煤样由低温氧化转为快速氧化的临界温度。研究结果对于灵泉矿复合采空区遗煤自然发火防治具有一定的理论与现实意义。     

不同瓦斯含量煤样自燃特性实验研究

利用自行研发的煤样瓦斯吸附装置,在不同瓦斯吸附压力条件下煤样达到吸附平衡后,得到不同瓦斯含量的煤样,通过程序升温实验装置进行煤样自燃程序实验,并用气相色谱仪分析不同煤温时气体成份,研究煤样吸附瓦斯对其自燃特性的影响。结果表明,不同瓦斯含量的煤样对自燃特性影响明显。比较不吸附瓦斯煤样和吸附瓦斯煤样的自燃特性实验可以看出,在煤自燃氧化过程中,吸附瓦斯对生成CO有促进作用,而对生成CO_2、C_2H_4、C_2H_6有抑制作用,吸附瓦斯的煤样的临界温度和干裂温度都有所提升。     

高瓦斯易燃煤层自燃判别指标体系的实验研究

通过煤自燃程序升温实验,分析了在不同温度下平顶山矿区己组煤样的耗氧速度以及CO_2、CO、CH_4、C_2H_4、C_2H_6等气体的产生量,研究了己组煤在整个氧化阶段气体产物的生成规律及其特征,得出煤样耗氧量与煤温升高之间的对应关系。最终确定CO、C_2H_4、C_2H_6作为判断己组煤自然发火的不同阶段的标志性气体,CO/CO_2、C_2H_4/C_2H_6比值作为辅助指标。根据试验结果确定平顶山矿区己组煤自燃标志性气体临界判别指标值,为实现己组煤自然发火的准确预测预判提供依据。     

煤对N2-O2混合气体吸附规律的试验研究

为研究空气代替N2驱替煤层瓦斯的可行性,基于高压容量法,研究了煤对不同浓度配比的N2-O2混合气体的竞争吸附特性,得到试验煤样对N2-O2混合气体竞争吸附规律以及煤对混合气体中O2的吸附规律.研究表明:煤对N2-O2二元混合气体的吸附常数介于煤对单组分的N2与O2的吸附常数之间,并且随着N2浓度的提高,吸附常数也逐渐增大,趋近于煤对单组分的N2的吸附常数;煤对混合气体中O2的吸附量处于很低水平,试验测试点范围内最大吸附量仅为1 mL/g,并没有达到自燃的界限.根据试验结果可知,用空气代替N2驱替煤层瓦斯是可行的.     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

褐煤中CH4/O2/N2气体竞争吸附特性的分子模拟研究

为探究温度与摩尔比对煤中CH₄/O₂/N₂气体竞争吸附的影响规律,采用巨正则蒙特卡罗法(GCMC)和分子模拟方法,研究云南小龙潭褐煤在不同温度(303.15～383.15 K)和压力0～480 kPa条件下CH₄/O₂和N₂/O₂二元混合气体竞争吸附特性。结果表明：(1)在试验温度和压力范围内,温度升高均会抑制煤对CH₄、O₂、N₂三种气体的吸附,且煤对三种气体的吸附能力为CH₄>O₂>N₂。(2)煤对CH₄/O₂吸附选择性系数与气体摩尔比基本无关,而随着温度的升高呈现减小趋势;对N₂/O₂的吸附选择性与温度和摩尔比的关系均不显著。(3)随着吸附量的增加,二元混合气体中任一组分的等量吸附热均呈线性增大;CH...     

高温高压下页岩气等温吸附线拟合模型优选

为研究贵州牛蹄塘组页岩气在高温高压下的吸附规律,利用高压气体等温吸附仪测定了50℃、60℃、80℃下CH_4、CO_2在页岩中的等温吸附线,采用符合吸附规律的吸附模型对等温吸附线进行拟合,并用平均相对误差评价拟合效果。研究表明:低压阶段,CH_4、CO_2等温吸附线呈阶段性递增,具有I型吸附曲线特征;通过分析具有物理意义模型拟合参数,揭示了页岩的吸附规律,饱和吸附量VL和微孔吸附量V0与温度呈负相关关系,与TOC含量呈正相关关系,吸附强度b值随温度升高而减小,其他拟合参数所反映的吸附规律存在一定的差异;对比评价了各模型的拟合效果,三参数模型拟合效果优于二参数模型,对CH_4拟合效果最优的是L-F模型,对CO_2拟合效果最优的是E-L模型。高压阶段,一元线性方程对CH_4、CO_2的拟合效果较好,CH_4、CO_2在页岩表面的吸附量与压力之间呈负相关关系。同时探讨了研究成果对页岩气开采及储量评估的重要影响,为页岩气开发提供理论依据。     

煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性及其预测

研究了晋城煤和潞安煤对CO₂和CH₄及其二元混合气体的等温吸附特性，利用扩展Langmuir和理想吸附溶液理论结合纯气体等温吸附模型Langmuir，DA，DR，BET对吸附实验数据进行预测，并检验了实验数据的预测准确度.研究结果表明，煤对混合气体的吸附量介于CH₄和CO₂吸附量之间；煤对混合气体中CH₄的吸附量并不是随压力的增加而增加；理想吸附溶液理论结合纯气体吸附等温线对CO₂/CH₄二元混合气体实验数据预测的准确度要高于扩展Langmuir，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用的纯气体的等温吸附方程和所预测的煤样煤质指标.     

煤中二元气体竞争吸附与置换解吸的差异性及其置换规律

煤对气体的吸附有强弱之分,多元气体之间存在竞争吸附和置换解吸。他们之间会不会因为气体进入的先后顺序不同而产生差异呢?为此进行了煤对CH4-CO2混合气体的竞争吸附和CO2置换煤中CH4的置换吸附对比实验。实验表明,煤对CH4-CO2二元气体的竞争吸附与置换解吸结果是一致的,理论分析表明煤对气体的吸附解吸与气体进入煤体先后顺序和过程无关,只与吸附前后的状态有关。气体置换煤中CH4的规律为:混合气体中强吸附性气体含量越大,置换效率越高;置换压力越大置换效率越高。最后对煤层注气措施提出了建议:应先将煤层瓦斯压力降到安全范围再实施注气措施。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

煤吸附13CH4与12CH4的特性曲线及其应用

根据实测的4个不同煤阶煤的等温吸附实验数据，采用Dubinin建立的计算吸附空间的经验公式，分别计算了¹³CH₄与¹²CH₄在4个煤样的吸附势及其吸附空间，建立了煤吸附甲烷特性曲线的定量表达式.结果发现，¹³CH₄在煤表面的吸附势普遍高于¹²CH₄，也就是说¹³CH₄与¹²CH₄相比具有优先吸附、滞后解吸的特点.这种差异具有随压力增加而增加的特点.这一发现合理地解释了煤层气解吸实验中发现的先解吸甲烷δ¹³C偏轻、后解吸偏重的现象，同时也解释了浅部煤层甲烷碳同位素轻、深部重的地质现象.     

煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素,以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象,基于XRD衍射试验结果,构建3种煤大分子结构模型,采用分子动力学模拟方法,研究压力、温度、CO₂、H₂O对CH₄分子在煤中扩散的影响,揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明:压力增加,CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定,当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10^-8、0.770×10^-8、1.137×10^-8m²/s;相同压力条件下,3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高,CH4分子在3种煤中的均方位移均增大,有利于其扩散,不利于其吸附;温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内,水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用,含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大,对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小,注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO₂体积分数增加,CH4分子扩散系数减小。CO₂对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H₂O相比,CO₂对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强,从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO₂采气法更有效。     

丙烷对瓦斯混合气水合物相平衡的影响

利用全透明水合物相平衡测定装置,采用恒容温度搜索法测定了2种浓度CH4-C3H8-C2H6瓦斯混合气水合物相平衡条件,结合Sloan相平衡预测理论对比分析了C3H8添加影响。结果表明:由于丙烷的加入改变了水合物结构类型,使得14.1~19.4℃温度内,CH4-C3H8-C2H6混合气水合物相平衡压力较CH4-C2H6大幅度降低,压差最大至11.78 MPa;随着温度升高,C3H8对瓦斯水合物相平衡压力影响逐步增大;相同压力下,水合物相平衡温度随着丙烷含量的增大而升高;运用Chen-Guo水合物生成理论分析了C3H8添加影响机理。     

基于BP神经网络的煤自燃温度预测研究

为了研究煤在氧化升温过程中CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4等气体对温度的反馈作用,并通过各气体的数据准确预测煤自燃的温度。以赵楼煤矿为背景,采集部分煤样,放入煤自然发火实验炉中,通过数控程序系统,模拟煤自然发火时的漏风强度和供氧量,收集指标气体和温度等相关数据。采用气体成分分析法和神经网络算法建立BP神经网络预测模型,选取CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4气体浓度作为神经网络的输入层,煤温作为输出层,设置8个隐含层神经元对煤自燃情况进行预测。结果表明：经过训练后,预测温度与实际温度基本吻合,误差控制在0～0.00065,该预测模型的建立对于矿井煤自燃早期预报有着极其重要的指导意义。     

基于流-固-热耦合的CO_(2)-ECBM数值模拟研究北大核心

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。     

CH_4,CO_2和N_2多组分气体在煤分子中吸附热力学特性的分子模拟

为进一步明确煤分子吸附多组分气体的热力学机制,应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,从热力学角度研究了不同温度下等比例CH_4,CO_2,N_2多组分气体在煤分子模型中的吸附行为。研究表明:在晶胞内CH_4呈点状分布,CO_2呈簇状分布,N_2呈带状分布; 3种气体的吸附量、吸附热、吸附熵关系均为CO_2CH_4N_2,吸附势能CO_2CH_4N_2;吸附量与吸附热呈线性正相关关系,吸附热与温度无明显关系;煤分子吸附CH_4,N_2,CO_2的吸附势能与其吸附量成反比,吸附势能不仅受煤分子表面自由粒子色散力影响,也受吸附焓和吸附熵的影响;相同条件下,3种气体的吸附熵与吸附量和温度均呈负相关关系;吸附热力学参数能用来表征煤分子的吸附特性,从热力学角度证实煤分子吸附CO_2优于CH_4和N_2。