煤体结构对吸附/解吸的影响研究

通过对比河南省二1煤的非突出煤(原生结构煤和碎裂煤)和突出煤(碎粒煤和糜棱煤)在含气量、气体成分、甲烷稳定碳同位素、等温吸附和镜质组最大反射率等方面的差异性,探讨煤体结构对煤的吸附/解吸特性的影响.研究结果表明,突出煤的含气量、损失气量、兰氏体积、兰氏压力和δ13C同位素都明显高于非突出煤,N2组分含量和解吸时间低于非突出煤.指出造成这些现象的本质是突出煤发生动力变质作用后分子结构、孔隙特性等发生了显著变化所致.     

煤体吸附解吸瓦斯规律及细观特征研究

煤体对瓦斯的吸附解吸特征对防止瓦斯事故以及煤层气抽采技术都具有重要的意义。对不同温度下的煤体吸附解吸规律做了量化研究,同时从细观角度对实验后的煤样做了渗透性分析,得到如下结论:煤体吸附和解吸瓦斯的过程均可分为3个不同的阶段,解吸率与温度呈对数关系变化;从20℃变化到80℃,孔隙率呈现先增后减的趋势;从煤体解吸率和渗透性的角度综合分析,认为60℃是煤体吸附解吸瓦斯的最佳温度。     

煤体吸附-解吸瓦斯变形特征实验研究

在煤层瓦斯抽放过程中,煤体瓦斯处于吸附-解吸状态,煤体发生膨胀和收缩。利用自主设计的煤体变形实验装置,分析了杜儿坪煤矿原煤在不同方式下吸附-解吸全过程中变形特征。实验结果表明：煤体变形量随着瓦斯压力的增加而增大,垂直层理方向变形量大于平行层理方向变形量;煤体在一次加压吸附实验中分为变形下降阶段、变形快速上升阶段和变形平稳上升至稳定阶段3个阶段;等梯度加压吸附-降压解吸过程中,0→0.5 MPa阶段变形量最大;等梯度加压吸附煤体变形量大于一次加到目标压力值的吸附煤体变形量,且等梯度解吸煤体残余变形量较大;煤体吸附-解吸变形可分为充气下降阶段、吸附快速上升阶段、吸附变形平稳上升至平稳阶段、解吸变形快速下降阶段和解吸平稳下降至稳定阶段。     

煤体含水量对瓦斯解吸特性影响规律实验研究

为了验证含水量对煤体中瓦斯解吸特性的影响,以新景矿3号煤层为实验对象对煤体的饱和吸附量、解吸量和解吸速度进行了测试。结果表明:随着煤体含水量的增加,煤体的瓦斯吸附量逐渐减少,且减少幅度越来越小;随着煤体含水量的增加,煤体的瓦斯解析量减少且解吸速度越慢;含水量达到11.5%后,含水量对煤体的瓦斯解吸特性影响非常小。研究结果对确定瓦斯压力和突出风险具有重要的作用。     

煤体变形与瓦斯解吸/吸附关系的研究实验

专门针对瓦斯解吸及吸附作用与煤岩形变的相关性做出实验认证,条件是恒压恒温,利用物理上的排水法间接获得瓦斯体积,又由于解吸量与吸附量是一对互逆过程,那么即可利用回归分析便能够算出朗格缪尔体积常数a以及压力常数b,进而把所获得数据进行拟合分析,得到了体积变化与解吸量的关系式,最终分析出瓦斯解吸及吸附作用和煤岩体积形变的定量关系。     

河南省中-高煤阶构造变形煤甲烷吸附/解吸特征研究

煤体变质程度和变形结构不同,其对甲烷的吸附/解吸能力及特征也不同,通过对河南典型矿区5种中高煤阶构造变形煤的等温吸附/解吸试验研究,结果表明:中-高煤阶弱脆性构造变形煤的甲烷吸附能力随着煤变质程度的增加而增大;甲烷吸附量增量随着压力升高逐渐减小趋近于0,且甲烷吸附量增量随变质程度的增加而增大。单位压力段内甲烷解吸量随压力降低呈幂函数增大趋势,且变质程度越高,单位压力段内甲烷解吸量越大。不同类型构造变形煤单位压力段解吸量随压力降低呈单调递增的对数函数,且甲烷解吸量随着构造变形程度的增强而增大。     

煤体解吸甲烷规律及解吸后微结构特征研究

在新兴能源产业提质增效的迫切要求下,积极推进煤层气产业发展对于缓解目前国内能源现状具有重要意义。地层应力约束下煤储层吸附解吸瓦斯特征直接关系到瓦斯抽采作业的布置方式。基于此,对应力约束状态下煤体对甲烷的吸附和解吸特征进行了试验研究,同时对解吸甲烷后煤体内部结构特征进行了CT扫描测试和分析。结果表明：煤体对甲烷的吸附量与孔隙压力几乎呈线性关系,符合Langmuir模型|80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点|解吸甲烷后煤体内部会形成较多孔隙,发育较多的次生裂隙,不同层位孔隙率在6.32%～9.38%之间,平均孔隙度可达7.4%|在不同类别孔隙中,孔径低于30μm的孔裂隙比例高达76.36%|总体上,煤体中孔径较小的孔裂隙结构是甲烷解吸、扩散以及运+移的主要通道。     

煤体电阻率随吸附/解吸瓦斯变化特性实验

通过利用高精度电阻测试实验装置,对煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下的电阻值变化规律分别进行测定,以研究吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率的影响。研究结果表明:吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率具有明显的影响,且煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下呈现出相同的规律,即:在吸附瓦斯过程中,煤体电阻率随着瓦斯吸附量先逐渐减小,后趋于平稳;而在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率与煤中瓦斯含量呈线性关系。不同吸附方式下,对比同一瓦斯含量对应的电阻率,可以发现等体积吸附实验电阻率改变较连续吸附实验明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远。     

逆断层区域煤体孔隙结构及瓦斯吸附解吸特征研究

为了研究逆断层对煤体孔隙结构和瓦斯吸附解吸特征的影响,以贵州新春煤矿1503回采工作面为研究对象,选取与逆断层不同距离煤体煤样分别开展扫描电镜试验低温液氮吸附试验,得出煤体距离逆断层越近,受逆断层构造影响越严重,煤样孔容、比表面积提高,在相对压力0.4～0.5的区域低温液氮吸附回归曲线内存在轻微的拐点,说明煤样中存在丰富的墨水瓶孔;通过研究与逆断层不同距离煤体瓦斯吸附解释规律,得出瓦斯解吸量均随着平衡压力的升高而增大,在相同解吸平衡压力下,距离逆断层最近的煤体结构被改造越强烈,瓦斯吸附性能相对最强,瓦斯吸附量和吸附速率越大,并且解吸能力也相对越强。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

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。     

煤系废弃物对磷的吸附及解吸特性

粉煤灰、煤矸石及其不同的配比对磷的吸附与解吸特性不同.研究结果表明：煤矸石（M）、粉煤灰（F）、粉煤灰与煤矸石等体积混合（FM）、粉煤灰与煤矸石体积比10∶1混合（FM10）以及土壤（S）对磷的吸附量均随磷浓度增加而增加,但其吸附率随浓度增加而减少.Langmiur方程能较好地拟合废弃物对磷的吸附规律,不同基质的最大缓冲容量大小顺序：FM>M> FM10>F>S.4种废弃物对磷的解吸率与最大缓冲容量的顺序恰恰相反,废弃物对磷的解吸能力远低于土壤.表明废弃物与土壤相比磷的生物有效性较低,对废弃物改良需要综合考虑其pH和其它生物措施,促进废弃物的资源化利用.     

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。     

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。     

煤层气吸附与解吸可逆性实验研究

以等温吸附与解吸实验为手段,通过对不同变质程度的煤进行吸附/解吸等温线的测定,探讨煤层气吸附与解吸可逆性.实验结果分析发现:低阶煤煤样吸附/解吸曲线出现了明显的滞后环,吸附和解吸过程所回归a(Langmuir体积)值相差比较大,说明吸附与解吸吻合性差,对甲烷的吸附和解吸表现出非可逆性;中、高级煤吸附与解吸等温线具有很好的重合性,吸附与解吸过程所回归的a(Langmuir体积)值也比较接近,对甲烷的吸附和解吸表现出可逆性.该现象的发现,为煤层气开采参数的确定具有一定的意义.     

水分对煤层气吸附解吸的影响

煤岩实际储存环境含有水,而目前考虑水分对煤层气的吸附解吸影响的研究较少,因此开展了不同含水率下的煤层气吸附解吸实验。结果表明在压力、温度等不变的条件下,随着煤含水率的增加,吸附量减小,解吸率增大;同一温度下,煤的饱和吸附量、最终解吸率与煤含水率表现出很好的线性关系,饱和吸附量几乎不受水分影响,最终解析率随着含水率的增加而增加。通过拟合分析发现,Langmuir模型可以准确描述煤层气的吸附行为,而改进Langmuir模型适合描述解吸行为,新型改进Langmuir模型可以准确拟合解吸率数据。随着温度增加,Langmuir模型中的参数 a减小;随着含水率、温度的增加,参数b 均减小。     

构造煤煤层气解吸阶段分析及最大瞬时解吸量计算

为了探求构造煤煤层气解吸阶段瞬时特征,选取平顶山五矿的构造煤和原生结构煤,分别在20、30、40℃下进行了甲烷等温吸附/解吸试验,以试验结果为基础构建了基于兰氏方程曲率的煤层气解吸阶段模型,并依据此模型分析了构造煤煤层气解吸阶段,探讨了构造煤煤层气最大瞬时解吸量.结果表明:随温度的逐渐升高和煤体破坏程度的增大,原生结构煤和构造煤的低效解吸阶段、缓慢解吸阶段、高效解吸阶段及敏感解吸阶段总体向低压方向偏移,启动压力、转折压力和敏感压力表现出减小趋势,相比原生结构煤,构造煤的大部分启动压力和转折压力更低,整个解吸阶段具有更明显的向低压偏移的特征;较大的兰氏体积使得高效解吸和敏感解吸阶段前移;同时,随着温度的升高,原生结构煤和构造煤的煤层气最大瞬时解吸量呈减小趋势.     

不同煤储层条件下煤岩微孔结构及其对煤层气开发的启示

在现场宏观观测的基础上,采用显微镜下观测、镜质组反射率测试及低温氮吸附方法,对沁水盆地和淮北煤田不同矿区煤岩的变质变形作用与微孔结构特征进行了深入研究。结果表明：高变质强变形-较强变质煤储层（Ⅰ类）和中变质较强变形煤储层（Ⅲ类）有利于煤层气的富集,不利于煤层气的扩散和渗流;高变质弱变形煤储层（Ⅱ类）和中变质弱变形煤储层（Ⅳ类）较有利于煤层气的富集,也有利于煤层气的渗流;低变质强变形煤储层（V类）有利于煤层气的富集,但不利于煤层气的解吸和渗流。由此,沁水盆地南部及淮北煤田中南部是煤层气勘探开发的有利区域。