煤层含气量的测试、模拟与预测研究进展

煤层含气量是煤层气资源勘探和开发的关键参数,我国煤层气(瓦斯)含量直接测试是通过地面或井下钻孔钻取煤心在大气压条件下解吸,一方面取心和装罐过程中煤样中部分水溶气、游离气,甚至发生解吸的极少部分吸附气被逸散;另一方面在储层压力直接降为大气压的解吸过程中部分气体被"气锁"不能完全解吸,均导致煤层含气量实测值偏低.本文对比分...     

二元气体等温吸附-解吸中气分的变化规律

进行了CH4—CO2和CH4-N2二元混合气体的等温解吸实验，分析了二元气体在解吸过程中各组分浓度的变化规律．结果表明，在CH4-N2二元气体的解吸过程中，吸附相中CH4组分的相对浓度逐渐增加，N2组分的相对浓度逐渐减少．在CO2-CH4二元气体的解吸过程中，吸附相中CO2组分的相对浓度逐渐增加，CH4组分的相对浓度逐渐减少．实验结果还证实了CO2在与CH4的竞争吸附中占据优势，而N2在与CH4的竞争吸附中处于劣势．注入CO2比注入N2可以更有效地置换或驱替煤层甲烷，提高煤层甲烷的采收率．     

煤矿乏风甲烷分离富集过程的数值研究

建立了吸附床内煤矿乏风二维气体流动、吸附传质的数学模型,以轴向流吸附床为研究对象,对活性炭富集分离煤矿乏风甲烷过程进行了模拟,得到了各个循环步骤下床内详细的流动、浓度和吸附量分布;详细分析了活性炭吸附床对煤矿乏风甲烷的吸附富集特性,并对回收时间进行优化,模拟结果与实验结果符合较好.另外,还对不同原料气浓度工况进行了对比研究.     

用常规黑油模型模拟煤层气开采过程

流体在煤层中的传输机理由两部分组成,气体在煤内表面解吸,并通过基岩和微孔隙扩散进入裂缝网络中。若岩块表面甲烷气体的释放速度比气,水相在煤层割理中的流动速度快得多,那么在模拟煤层气开采过程时,解吸动能可以不考虑,根据这个假设可认为：在给定压力下煤层吸附的甲烷气体量类似于相应压力下溶解在原油中的气体量,煤层中的朗格缪尔等温曲线可视为常规黑油油藏中的溶解气油比曲线。若将煤层表面的吸附气作为不流动油中溶解气来处理,那么可用常规黑油模型描述煤层气,而不需要对模型源码做会何修改,基于上述思路,用黑油模型模拟煤层气开采过程,并与用煤层气模拟软件（COMETPC）的计算结果进行了比较,趋势非常接近。     

混合气体对煤中CH4置换效率的影响研究

为了揭示混合气体对不同变质程度煤中CH_4的置换效率及其影响因素,利用自建的多元气体置换吸附试验装置,在不同的环境温度、平衡压力、注入压力和注入气体组成比例等4个条件下,分别对无烟煤、瘦煤和气肥煤等3个典型煤种进行混合气体置换煤中CH_4试验。结果表明:恒温条件下,随着平衡压力增加,混合气体的吸附/解吸能力呈现单调增加的变化,且混合气体的吸附/解吸能力表现出随置换气体的吸附能力和煤的变质程度的增加而增加,即V_(CO_2)V_(CH_4)V_(N_2)V_(He)和V_(无烟煤)V_(瘦煤)V_(气肥煤);在一定平衡压力条件下,温度越高混合气体的吸附/解吸能力越小;在平衡压力和温度保持恒定时,随着注入压力的增加,纯CO_2气体对CH_4的置换效率会有所降低。与仅注入CO_2相比,混合气体的置换效率则表现更好,即混合气体中含N_2比例越高,对CH_4的置换效率越好。该试验得出的启示是:井下煤层注气置换煤层CH_4不一定追求高的注入压力,只要注气源配比合适,低注入压力也能获得更好的煤层瓦斯抽采率。     

等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用

在缺乏煤层气井生产资料的情况下，为了合理利用我国煤田地质勘探中煤层气解吸法所测的煤层气含量，使其计算的煤层气资源量与可采资源量更为接近，根据煤层气解吸特征，煤储层等温吸附特征，通过计算解吸系数，求取煤层气的解吸率．利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系，估算出煤层气临界解吸压力，并结合煤层气井的枯竭压力，估算出煤层气采收率，进而获得煤层气可采资源量．结果表明，残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的，另外由于生产技术的原因，参考国外煤层气实际生产情况，井深结构所能达到的最低储层压力之下的煤层气也基本上不能被采出．因此通过解吸系数法校正、等温吸附曲线法校正后，计算的煤层气资源量更能反映煤层气的可采潜力．     

横观各向同性煤等温吸附变形试验研究

为了探明不同层理方向煤吸附瓦斯变形机理,以亭南煤矿4~#煤层煤样为研究对象,利用多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展了以CH_4和He为吸附质的等温(30℃)吸附试验,并基于试验结果对气体压缩煤体变形方程、纯吸附变形方程、横观各向同性煤吸附变形方程进行了讨论分析.结果表明:煤吸附CH_4时垂直层理和平行层理方向表现为膨胀变形,吸附He时垂直层理和平行层理方向表现为收缩变形,煤吸附过程中平行层理方向和垂直层理方向变形存在各向异性;气体压缩、表面张力变化(纯吸附)及二者共同作用下煤体变形的各向异性与吸附压力大小和吸附质无关,与煤的自身性质有关;横观各向同性煤吸附变形方程理论计算结果和试验结果在平行层理方向平均相对误差为7.08%,垂直层理方向平均相对误差为14.63%.横观各向同性煤吸附变形方程可以表述吸附平衡压力与吸附变形的关系,也可体现出垂直层理和平行层理方向煤体吸附变形的差异性.     

200~240 nm区域下压力对SO2吸收截面影响研究

为了考察SO₂气体在不同排放条件下的吸收特性，研究SO₂气体在紫外200～240 nm内吸收截面随气压的变化规律.采用分辨率为0.05 nm的光栅单色仪、氘灯光源、闭式气样室和配气装置，测量SO₂气体在绝对压力由63.7 kPa 增大至162.1 kPa过程中的透射率，并依据Beer Lambert定律，计算出SO₂单色吸收截面.结果表明，SO₂单色透射率随气压增强而逐渐增大，最大变化率约40%，单色吸收截面随气压增大逐渐减小，最大变化率约35%，而吸收截面差值在200～240 nm波段内逐渐变小.SO₂紫外吸收谱线存在压力碰撞展宽现象.在SO₂浓度测量时有必要对吸收截面进行压力补偿计算.     

活性炭吸附储氢罐充放气过程的试验研究

为研究充放气压力、充放气方式对活性炭储氢罐工作特性的影响,首先根据容积法的原理,在测定的氢在YK-1活性炭上吸附等温线的基础上,由等量吸附线标绘确定氢在该吸附剂上的平均等量吸附热为4.5 kJ/mol.其次,在室温、10.5 MPa和5.2 MPa压力下,对储罐进行快速充/放气和慢速充/放气试验.结果表明,在常温、10.5 MPa下快速充气时,在开始100 s左右,储罐吸附床中心的温升可达42 K;在放气试验中,吸附床中心温度在10.5 MPa下快速放气时在600 s内可从常温降至268 K.比较试验结果时发现,采用慢速充放气或在较低的压力下快速充放气可减缓吸附床的温度变化,从而提高有效吸脱附量和吸脱附流速.     

混合气体绝缘设备充、补气技术研究

混合绝缘气体充气、补气是混合气体绝缘设备运维的重要环节。现有的分压充、补气方法,难以精确控制气体混合比例,不能满足混合气体绝缘设备大规模推广的技术要求。为此结合SF_6气体现场充、补气技术经验,提出以动态配气原理为基础的SF_6、N_2等组分精确加压配气技术方案,研制新型混合气体加压配气补气装置,装置能够实现SF_6气体与N_2等两组分混合绝缘气体的现场连续精确配制,气体混合比例范围0%～100%可调,配气误差小于1%,满足不同设备精确配比加压充补气要求。同时提出混合绝缘气体现场补气比例的计算公式,可根据混合气体绝缘设备实际比例,获得合适的补气浓度。     

聚铝处理低浓度SO2烟气的研究

研究了以聚合硫酸铝为吸收剂处理低浓度ＳＯ２烟气的工艺条件，通过吸收和解吸，达到富集ＳＯ２的目的，考察了聚合硫酸铝浓度，盐基度、吸收温度以及解吸温度等因素对吸收和解吸过程的影响。结果表明，聚合硫酸铝溶液对ＳＯ２具有较高吸收率和角吸率，并可多次循环使用。     

旋转径向射流排放积聚瓦斯热成像实验分析

根据传热、传质和动量传递的相似理论分析，提出在紊流流场中当传热传质相似当量比满足一定要求并恒定为某一值时，可利用热成像仪测定紊流流场中的热量运移规律及温度场分布规律，模拟瓦斯浓度场中的瓦斯运移规律及其瓦斯浓度场分布的变化规律．根据热相似模拟实验，旋转射流风机不仅可以有效地驱散上隅角的积聚瓦斯，而且可以使瓦斯浓度分布更均匀．实验结果表明：旋转射流的旋转频率必须根据瓦斯涌出量和每个旋转周期排放瓦斯量确定；射流速度越大，驱散上隅角积聚瓦斯的效果越好；旋转径向射流对局部积聚瓦斯的运移是一个不断稀释、驱散并排向巷道主风流的过程．风机每旋转一圈完成一次对上隅角部分高浓度瓦斯的稀释和排出过程．如此周而复始，形成一种柔性排放瓦斯效应．当射流速度达3～5m／s时，可提高风流的扩散系数2～4倍，有效射程可达10m以上，有效地驱散了工作面上隅角的积聚瓦斯。     

固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究

以典型的高瓦斯矿井阜新孙家湾矿为研究对象，利用自主研制的自压式三轴渗透仪，对煤层气解吸和渗流间的相互作用规律进行了实验研究．实验过程中连续进行加载和卸载（改变轴压、围压和孔隙压）并考虑了固流耦合作用影响，模拟了三维应力下煤层气运移过程．实验结果表明，加载条件下，渗透率和渗透系数与孔隙压力、解吸量、解吸时间的关系具有相似性．在此过程中，渗透率和渗透系数随孔隙压增加均呈非线性递减关系，都具有负指数规律，而解吸量和解吸时间均呈多项式形式增加，且渗透率和渗透系数存在某一临界值，当小于此值时渗透率和渗透系数随瓦斯孔隙压力增大而减小．卸栽条件下，有效水平应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系（先减小后增大），而有效水平应力与解吸量和解吸时间均为负指数形式递减，具有典型的煤层气开采的三阶段主导作用特征（有效应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导阶段）．实验结果真实地反映了煤对瓦斯的吸附和解吸作用；实验结论与前人研究结果吻合较好，说明实验方法和步骤是合理的．     

煤粒瓦斯非常压放散特征及放散模型修正

针对瓦斯放散特征研究局限于常压放散环境的现状,自主研发了"煤粒瓦斯放散测定仪"对煤粒瓦斯非常压放散特征进行测定.该仪器通过实时采集放散环境压力并控制多余气体瞬时释放的方法保持放散环境压力恒定,通过仪器内瓦斯压力变化获取煤样瓦斯吸附、放散量,可准确测定特定放散环境压力下瓦斯放散特征.利用该仪器测定了2min内煤粒从0.8MPa放散至0~0.5 MPa环境压力下的瓦斯放散量、放散速度.结果表明:不同放散环境压力下瓦斯放散量占对应瓦斯吸附量比例相近;瓦斯放散量、放散速度随放散环境压力增大而减小;放散环境压力对煤粒扩散系数无影响.基于试验结果,结合现有瓦斯放散数学模型,构建了煤粒瓦斯非常压放散模型.经30余组试验验证,该模型可以准确描述短时间内煤粒瓦斯非常压放散特征.     

湿法炼锌溶液中铜的选择性吸附机理及行为

湿法炼锌过程中铜的高效提取对提高有价金属综合回收率及缓解铜资源紧张局面具有重要意义.针对湿法炼锌溶液中铜的选择性分离困难、有机物污染严重等问题,采用亚胺二乙酸基螯合树脂开展了铜的选择性吸附富集研究.结果表明:单一金属离子体系中,在不同酸度、不同时间和不同初始离子浓度条件下,亚胺二乙酸基螯合树脂对Cu2+的吸附能力均强于Zn2+;亚胺二乙酸基螯合树脂对Cu2+、Zn2+的吸附等温线符合Freundlich模型,为多分子层吸附;吸附动力学服从准二级模型,吸附机制主要为化学吸附;离子交换过程受膜扩散步骤控制.竞争金属离子体系中,Cu2+的分布系数显著高于Zn2+的分布系数,Cu2+、Zn2+之间的分离系数随锌铜浓度比的升高而降低,因此,树脂可将湿法炼锌溶液中的Cu2+选择性分离且提高Cu2+浓度有利于增强选择性分离效果.树脂负载的Cu2+可用质量分数为10％的稀H2 SO4溶液解吸,解吸30 min时解吸率为93.1％.     

煤样漏失瓦斯量推算试验研究

为提高煤层瓦斯量的测定精度,解决煤样暴露时间延长、漏失瓦斯量推算误差增大的问题,采用自主研发的吸附解吸试验系统,对一缘煤矿15号煤层煤样的瓦斯解吸规律进行试验研究,以及运用巴雷尔公式和瓦斯解吸理论方程的近似公式分别对0¹0,010,0³0,030,0⁶0,060,0¹20 min等时段内的实测数据进行了拟合效果对比分析,并以上述2个公式为模型新建了2个漏失瓦斯量的推算公式,将2个新建公式在不同暴露时间、拟合时段情况下的推算值与实测的模拟漏失瓦斯量进行了误差对比.结果表明,在暴露时间和拟合时段都较短的情况下,适合采用巴雷尔公式推算漏失瓦斯量;在暴露时间与拟合时段均较长的情况下,采用解吸理论方程的近似公式推算漏失瓦斯量误差较小;在暴露时间为60 min,拟合时段为60120 min等时段内的实测数据进行了拟合效果对比分析,并以上述2个公式为模型新建了2个漏失瓦斯量的推算公式,将2个新建公式在不同暴露时间、拟合时段情况下的推算值与实测的模拟漏失瓦斯量进行了误差对比.结果表明,在暴露时间和拟合时段都较短的情况下,适合采用巴雷尔公式推算漏失瓦斯量;在暴露时间与拟合时段均较长的情况下,采用解吸理论方程的近似公式推算漏失瓦斯量误差较小;在暴露时间为60 min,拟合时段为60¹20 min时,推算误差达到最小,为3.09%.     

含水层型地下储库惰性气体作垫层气数值模拟

以廉价的惰性气体代替天然气作为含水层型地下储气库垫层气时,不同气体之间的相互掺混会影响回采气的质量,因此,确定储库内气体浓度动态分布情况非常重要.通过建立气水渗流模型及气体扩散模型,采用有限元法,对封闭边界条件储库的建库及工业运行过程进行模拟,分别对单井注氮单井注采天然气及从边缘井注氮中心井注采天然气这两种情况下,储库压力、含水饱和度、气体浓度的动态变化情况进行分析.单井情况下,停止回采时,回采气中氮气浓度达9.665%,说明由于对流及扩散作用,氮气与天然气存在一定程度的混合.多井情况下,停止回采时,氮气浓度只有0.094%,说明多井注采可以有效抑制天然气与氮气的混合.     

基于PLC控制的碳分子筛变压吸附制氧工艺设计

设计了一种碳分子筛(CMS)变压吸附制氧工艺.以碳分子筛为吸附剂,以富氧气体为原料气,基于PLC控制系统,建立变压吸附制氧工艺.由预处理单元、吸附单元、控制单元、动力及管路系统组成的变压吸附制氧工艺可对富氧气体中氧气进行分离.实验表明:所设计的基于PLC控制的CMS变压吸附制氧工艺,实现了变压吸附制氧工艺参数的在线监测、调整与优化,可提高产品气氧气的浓度,用于高纯氧的制备.     

设置顶板道解决综放工作面瓦斯超限问题的局限性

针对通过设置顶板道来解决综放工作面瓦斯超限技术的广泛应用问题 ,分别较深入地探讨了顶板道和回风巷风量变化与其排放瓦斯量之间的关系。研究表明 ,一般情况下设置顶板道可以较好地解决综放工作面的瓦斯超限问题 ,但瓦斯严重超限时 ,顶板道的排放瓦斯能力难以满足需要 ,在满足回风巷风速及瓦斯浓度均不超限的条件下 ,可通过增大其风量来提高综放工作面总的排放瓦斯能力 .     

设置顶板道解决综放工作面瓦斯超限问题的局限性

针对通过设置顶板道来解决综放工作面瓦斯超限技术的广泛应用问题,分别较深入地探讨了顶板道和回风巷风量变化与其排放瓦斯量之间的关系。研究表明,一般情况下设置顶板道可以较好地解决综放工作面的瓦斯超限问题,但瓦斯严重超限时,顶板道的排放瓦斯能力难以满足需要,在满足回风巷风速及瓦斯浓度均不超限的条件下,可通过增大其风量来提高综放工作面总的排放瓦斯能力．