煤对甲烷吸附性能影响因素的实验研究

系统总结了实验室研究煤吸附性能的流程,对实验煤样的采集及煤样工业分析的原理作了较为详细的论述,并对试验煤样进行了工业分析,得出煤样的特征参数.在此基础上,采用WY-98B型吸附常数测定仪,通过多组实验研究了粒径及温度对煤体吸附甲烷的影响,根据实验结果提出了粒径和温度对煤体吸附性能的影响规律.这既是对前人理论研究的验证,同时又为现场实践提供一定的依据.     

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。     

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样,进行了20,30,40,50 ℃等不同温度下的高压等温吸附试验;应用吸附势理论,研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点,推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,并给出了模型中特征常数的求取方法;利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证,并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明,该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合,平均相对偏差小于5%,说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下,包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性;比兰米尔(Langmuir)等温吸附模型的功能更强,适用范围更宽.      

煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响

为了从分形的角度研究煤体性质对瓦斯吸附的影响,采用高压容量法测试了8种煤样的瓦斯吸附能力,并根据Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积和Langmuir压力。同时,根据液氮吸附实验,利用分形理论计算得到了煤样的分形维数,并研究了分形维数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明：煤样在不同压力段时具有不同的吸附特性,因此具有不同的分形维数D1和D2。D1和D2对瓦斯吸附的影响作用不同,随着D1的增大,煤体吸附瓦斯的能力增强,而随着D2的增大,煤体吸附瓦斯的能力减弱,而且,D1对吸附能力的影响作用比D2强。随着D1的增大,Langmuir压力逐渐减小,煤样在低压段的吸附能力增强,煤体更容易吸附瓦斯,而D2对Langmuir压力无显著影响。     

煤体对瓦斯吸附热的理论研究

系统地阐述了吸附热产生的微观机理，根据势能模型，得到了基于玻尔兹曼分布的两能态模型，并推导出相应的吸附热计算公式。根据巨正则系综理论，得到了朗缪尔单分子层统计力学模型，并推导出相应的吸附热计算公式；引入德布罗意平均热波长后，得到了朗缪尔单分子层模型吸附热的近似计算公式。比较两种模型的结果可以看出：吸附热受吸附量、吸附中心和分子间平均距离的影响较大，对于外层瓦斯(相对于煤体表面)和内层瓦斯应该采用不同的物理模型进行分析。根据朗缪尔单分子层模型，从吸附的角度出发，研究了煤体表面结构的分形特征，并将二维平面吸附推广到分形表面吸附，得到了基于德布罗意平均热波长的分形维数。     

煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

浅议我国低煤阶地区的煤层气勘探思路

通过对高煤阶沁水盆地和低煤阶准噶尔、吐哈等盆地水文地质条件的分析发现,把这种勘探思路（地层水矿化度高值区是煤层气勘探最有价值的区域之一）运用到低煤阶的煤层气勘探中却很难,因为低煤阶一般经历了较浅的埋藏深度,煤层热演化程度较低,其生气量较小,煤层气富集成藏的关键在于其生气条件.本文认为：水文地质条件在高低煤阶煤层气富集成藏中所起的作用是不同的,低煤阶勘探中对水文地质作用的认识要从另外一个角度来审视,较为活跃的水动力条件是有利的,活跃的、低矿化度的地层水有利于二次生物气的生成.     

基于不同类型煤吸附甲烷的吸附势重要参数探讨

目前广泛使用的以饱和蒸汽压(P0)和吸附相密度(ρa)为重要参数的吸附势理论,在用于煤-甲烷吸附体系研究时,因求取虚拟饱和蒸汽压时参数k值选取随意,导致吸附行为描述精度不高。借助低中变质程度构造煤和共生非构造煤样品,通过开展煤对甲烷等温吸附实验,进行P0和ρa标定,获得相应的吸附特征曲线,并在较宽温域内对不同类型煤等温吸附曲线进行预测。研究发现,基于k值的P0计算对吸附特征曲线影响较大,不同煤样的最优k值分别为kP1N=3.2,kP1D=3.4,kP8N=3.1,kP8D=3.0。利用313 K下吸附数据预测了不同煤在243,283,303,323 K的等温吸附曲线,认为选用Amankwah公式并利用最优k值计算P0时所获得结果与实测值吻合最好。     

固定碳对煤的孔结构和甲烷吸附量的影响

以4种不同固定碳质量分数的煤样作为研究对象,采用SEM表征其形貌,采用77 K时的N2吸脱附实验测定其比表面积、孔容和孔径分布,容量法测定其吸附甲烷的性能,并讨论煤的固定碳质量分数对其比表面积、孔容和吸附甲烷能力的影响。结果表明：当固定碳质量分数从70.17%增大到88.34%时,固定碳质量分数对煤的表面形貌、比表面积、孔容以及孔径分布的影响不显著;当固定碳质量分数从88.34%增大到94.45%时,煤的比表面积、微孔孔容分别增大1.84倍和5.06倍,孔径分布向微孔方向移动;Langmuir体积V L与固定碳质量分数（70.17%～94.45%）呈U型的二次多项式关系。     

低浓度煤层气吸附过程的模拟

采用Aspen Adsorption软件对CH4 和N2 分别为30%和70%低浓度煤层气的吸附过程进行模拟,得到吸附柱出口CH4 和N2 浓度随时间的变化关系和吸附柱轴向负载分布,考察压力、温度和传质系数对甲烷吸附过程和穿透曲线的影响。研究结果表明：对甲烷出口浓度的模拟值与实验值基本吻合,甲烷在吸附时间3 000 s时达到饱和,吸附量为6.75×10 -4 kmol/kg,约为氮气吸附量的2倍;甲烷穿透曲线随压力的增大后移,从100~500 kPa的穿透时间从392 s延至2 187 s。温度在273~323 K甲烷的穿透曲线基本不变;传质系数远小于1.000 s -1 时对吸附性能影响较大,传质系数为0.001 s -1 时的穿透时间约为0.010 s -1 时的两倍,但其大于1.000 s -1 后对穿透曲线几乎没有影响。     

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。     

煤吸附甲烷结构变形的多尺度特征

通过扫描电镜对细观无烟煤样表面结构进行观测,研究了由结构镜质体与细观裂隙引起的煤体细观结构多尺度非均质特征;对比煤样表面CT扫描测试与分析结果,证实了不同尺度下煤体细观结构非均质特征与密度非均匀分布的一致性,即,在较小尺度下,由于煤中结构镜质体与细观裂隙结构的多样性,煤的细观结构和密度分布非均匀性很强,随着尺度的增大,煤的细观结构非均质特征减弱,密度分布非均匀性也减弱。通过对不同吸附压力下煤吸附甲烷CT扫描的数据进行多尺度三维分割与统计,揭示了煤吸附甲烷后细观结构膨胀/挤压变形与密度分布的相关性随结构尺度变化的规律;在小尺度上,低密度结构容易被挤压,中密度结构膨胀和挤压变形同时存在,高密度结构易于发生膨胀变形。随着煤结构尺度的增大,变形方式与原始结构密度的相关性降低。通过对不同尺度与吸附压力下的煤结构膨胀/挤压变形量、膨胀/挤压变形体积统计与分析,发现在甲烷吸附过程中,煤结构的膨胀变形和挤压变形均随结构尺度的增加而减小。煤的膨胀变形主要受吸附压力和结构尺度的影响,而挤压变形主要受结构尺度的单一因素的影响;煤中挤压变形体积始终小于膨胀变形体积。煤体结构的膨胀变形量与挤压变形量随尺度增加的衰减过程是非同步的,在小尺度下,煤体结构的挤压变形量比膨胀变形量更大,随着尺度增加,挤压变形量衰减速度比膨胀变形量衰减速度更快。研究结果对于煤层气开采过程中的气体渗流特征的多尺度精准动态评提供借鉴。     

煤的溶剂萃取物成分及对煤吸附甲烷特性影响

煤中有机小分子相是煤的重要组成部分，为分析其对煤吸附甲烷的影响，在常压下（50 ℃），采用正己烷对张集和大柳塔煤样分别进行微波辅助萃取，得到萃取后煤样（残煤）和萃取物。采用GC/MS分析萃取物成分，并依此选取柴油作为正己烷萃取物的模型物，配置含柴油煤样（简称含油煤），开展了原煤、残煤和含油煤的甲烷等温吸附实验。研究结果表明：原煤和残煤吸附瓦斯在低压阶段差异不大，随着压力的增大，原煤吸附甲烷量逐渐高于残煤；含油煤则不同，压力较大时，同一压力段的瓦斯吸附增量高于原煤和残煤，低压时吸附甲烷量虽小于原煤和残煤，但随着压力的增大，最终吸附甲烷量略高于原煤。用Langmuir和Langmuir-Henry二元吸附模型对等温吸附数据进行拟合，得出煤吸附甲烷可分为2个过程，低压阶段主要为符合Langmuir模型的煤基质表面吸附，高压阶段主要为符合Henry模型的渗入煤基质的内部（孔隙、内表面）吸附；且煤中有机小分子有助于提高煤高压阶段的甲烷吸附量。     

Generating methane adsorption under relaxation of molecular structure of coal

Transformation of molecular structure of coal under long-term effect of confining pressure due to strain relaxation is estimated numerically. It is found that both under dynamic deformation, as has been determined earlier, and under relaxation of molecular structure of coal, atoms of methyl group and hydrogen remove from aliphatic fringe, join together and form molecules of methane. It is shown that these molecules immediately form sorbing-based connection with coal. Volumes of methane adsorption generated in coal due to strain relaxation of molecular structure of coal are calculated.     

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

煤粉产出对高煤阶煤层气井产能的影响及其控制

从实际资料入手,应用扫描电镜,测井解释等方法,系统研究了煤粉产出的机理,分析了煤粉产出对煤层气井产能的影响,并积极探索控制煤粉产出的方法.研究认为:煤粉产生的主要原因包括地应力变化导致煤岩基质破裂、钻井工具研磨及压裂支撑剂的打磨,并与煤岩性质密切相关;软煤层是煤粉的主要来源,其黏土矿物成分高达16.75%~22.53%,电阻率比原生结构煤低一个数量级,基本在1 kΩ·m以下,而自然伽马、声波时差明显偏高;水平钻井和压裂射孔避开软煤层段施工与使用高圆度压裂支撑剂等是降低煤粉产出的有效方法,应用防砂泵以及科学的排采技术可以有效降低煤粉产出对煤层气产能的负面影响.     

典型稀缺难浮煤泥理化性质研究

为提高稀缺难浮煤的浮选效率,以河北赵各庄、黑龙江新兴、山东薛城、山西马兰四种稀缺煤为研究对象,通过显微镜、扫描电镜、X射线衍射物相分析、荧光光谱分析等手段,研究了这四种稀缺难浮煤的理化性质.结果表明:在稀缺煤样的显微组分中,镜质组和惰质组含量较大;煤表面孔隙以环状、点状、条状为主,裂隙中富集了异质细泥;煤中嵌布有高岭石、方解石、石英、黄铁矿等不易浮的矿物质;煤中含有大量烷烃、醇类化合物和高岭土;矿物组分的化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主.     

基于吸附动力学理论分析水分对煤体吸附特性的影响

为了研究块裂煤体在不同储水状态下的吸附特性差异,选用潞安余吾煤矿的贫煤和阳煤开元煤矿的无烟煤并加工成Φ100 mm×150 mm的大块圆柱体煤样,保留了煤体原有的裂隙,基于吸附动力学理论,采用自主研制的吸附-注水成套实验系统,针对两煤种设计了6种不同含水率下的瓦斯吸附特性实验,并对同等初始条件下的定容吸附速率进行了研究。结果表明:水分作用下,对于相同初始压力下的定容吸附,1号和2号煤样干燥时的吸附速率分别是饱和含水时的16倍和22倍,吸附量分别是饱和含水时的5倍和32倍,通过孔隙测定结果,证实1号煤样具有更为发育的孔隙裂隙通道;关于终态吸附量随含水率的增加而降低的趋势,1号煤样是非线性的,但2号煤样呈现较好的线性衰减。     

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。     

黏弹性表面活性剂在煤粉上的吸附性能研究

采用紫外分光光度计研究了季铵盐型黏弹性表面活性剂VES-2-16和VES-4-16在沁水盆地煤粉上的吸附规律,并计算了该类表面活性剂在煤粉上的吸附焓。结果表明:季铵盐型黏弹性表面活性剂在煤粉上的吸附曲线符合Langmuir吸附规律;不管是在较高温度还是在较低温度下都基本能达到吸附平衡,此后吸附量的增加趋于平缓;两者在煤粉上的吸附焓变是负值说明吸附是放热的,温度升高不利于吸附的进行。