声场作用下煤中甲烷解吸扩散的特性

为了深入研究超声波的机械振动效应、热效应、空化效应提高煤层气抽采率的机理,研制了可控声场作用下甲烷吸附、解吸试验系统。实验研究了不同频率的超声波、不同声强的声波作用下煤中甲烷的解吸特性,得出：不加声场与声场作用下煤中甲烷的解吸动力学特性一致,甲烷解吸全过程中,初始解吸速度较快,随时间的增加,解吸速度越来越慢,最终趋于0;声场作用下甲烷的解吸量增加了20%～90%,且解吸量随声强的增大而增大;煤中甲烷的扩散规律可用单一扩散模型描述,声场作用下传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明声场作用使煤体内部扩散阻力减小,传质速度加快,扩散能力增强,有利于煤中甲烷的解吸、扩散。     

声场促进煤中甲烷解吸的机理研究

实验研究了不加声场和加声场条件下煤中甲烷的解吸特性。研究得出：两种条件下甲烷的解吸动力学曲线形状一致,能用经验公式、扩散模型、渗透模型来描述,且扩散模型能较好地描述甲烷气体的解吸特性;甲烷在解吸过程中,初始解吸速度较快,随时间的增加,解吸速度越来越慢,且初始解吸速度随气压增大而增大;声场作用下甲烷的解吸总量大于不加声场作用,解吸总量增加20%～30%;甲烷在煤体中的扩散可用单一扩散模型描述,声场作用使单一扩散模型的传质傅里叶级数增大、传质毕欧准数减小。研究表明,声场作用使煤体内部扩散阻力减小,传质速度加快,扩散能力增强,有助于促进甲烷的解吸扩散。     

不同温度条件下煤中甲烷解吸特性的实验研究

实验研究了不同温度条件下煤中甲烷的解吸特性,结果表明:在相同温度和气压条件下,煤中甲烷的初始解吸速度较快,随着时间的增加,解吸速度慢慢减小,最后达到解吸平衡;煤中甲烷的最终解吸量随温度的增加而增大,煤对甲烷的吸附能力降低。甲烷的解吸动力学规律能用经验公式、扩散模型、渗流模型来描述,且扩散模型能较好地描述甲烷气体的解吸特性;经验公式中参数α、扩散模型与渗流模型中参数Qd∞随温度的增加而增大,扩散模型中参数B与渗流模型中参数b随温度的增加而减小,经验公式中参数β与温度变化无规律性。     

粒径、水分对煤中甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究粒径、水分对煤中甲烷的吸附、扩散影响,进行了甲烷等温吸附-扩散实验。选取潞安古城矿区3号煤,制成60~80目的煤样,在30℃恒定温度,相同的平衡压力条件下进行吸附扩散实验,对比分析研究甲烷在不同粒径、含水煤样中的扩散量、扩散速度的差异。通过实验发现:在相同的吸附平衡压力下,同一水分不同粒径煤样,同一时间大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均小于小粒径的扩散量和扩散速度;同一粒径不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,瓦斯解吸量越大,水分对瓦斯解吸起着明显的抑制作用,煤样含水量越高,同一时间瓦斯解吸速度越小,随着时间的增加解吸速度逐渐缓慢。研究不同主控因素下的甲烷扩散规律,对煤层气开发和矿井瓦斯灾害防治有很好的指导意义。     

注水对煤的瓦斯扩散特性影响

为研究注水后煤的瓦斯扩散特征及动力学参数变化,在自制的高压注水搅拌解吸装置上对不同注水量煤样在0.5 MPa吸附平衡压力下的瓦斯放散过程进行了测试,测试结果表明：不同注水量煤样瓦斯解吸量与时间的关系曲线形状均与 Langmuir 吸附等温线相似,不同注水量煤样均存在极限解吸量,极限解吸量随水分增加呈现指数函数式变化,当煤样水分由0.05%增加到12.04%时,极限解吸量由7.3383 mL/g降至2.7749 mL/g。相同吸附平衡压力下,注水量越大,煤样第1 min瓦斯解吸速度(V1)越小,解吸速度V1随水分增加呈现对数函数式变化;注水后,煤样传质毕欧准数增大,扩散系数和传质傅立叶准数减小,注水改变煤的扩散动力学参数。     

煤中甲烷扩散特性影响因素实验研究

为了研究煤中甲烷扩散特性的影响因素,分别在压力、煤阶、粒径和含水率等不同主控因素下进行了甲烷等温吸附扩散实验。实验结果表明:高压力下甲烷累积扩散量和扩散速度均大于低压力下的扩散量和扩散速度;随着煤阶增大,煤中甲烷扩散量和扩散速度均增大;大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均大于小粒径的扩散量和扩散速度;不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,甲烷扩散量和扩散速度越大。     

不同压力、煤阶对煤中甲烷的扩散影响实验研究

为了研究压力和煤阶对煤中甲烷扩散特性的影响,进行了甲烷等温吸附解吸实验。选取新疆某矿区长焰煤、山西古城矿3号煤层贫瘦煤两种不同变质程度的煤,制成60~80目的干燥煤样。在30℃恒温条件下,不同煤阶的煤样分别在不同的平衡压力条件下进行吸附解吸实验,对比分析研究甲烷在压力、煤阶两个主控因素下煤中甲烷扩散量,扩散率的差异。通过分析实验结果发现:高压力下甲烷累积扩散量大于低压力下的扩散量,而扩散率与之相反;高阶煤中甲烷扩散量大于低阶煤的扩散量,扩散率与之相反。研究不同主控因素下的瓦斯扩散规律,对煤层气开发和防治矿井瓦斯灾害有很好的指导意义。     

不同矿化度水对煤的甲烷解吸影响的试验研究

为了研究水分及其矿化度对煤样甲烷解吸的影响,以平顶山矿区己16-17煤样为例,开展了干燥和不同矿化度(0、2、5、15 g/L)饱和水条件下煤样的等温解吸试验,探讨了不同矿化度水对煤的甲烷解吸性能的影响。结果表明:不同矿化度水的存在,大幅减小了煤的甲烷解吸初速度、解吸总时间和甲烷解吸总量;不同程度地增加了各时间段甲烷解吸量占解吸总量的比例,但该比例的增幅随平衡压力的增大而呈现不同程度的下降;但对煤的甲烷解吸拟合规律影响不大。对于不同矿化度饱和水煤样,不同平衡压力下,各煤样前期解吸速度衰减都较快;相同平衡压力下,随矿化度的增大,各煤样甲烷解吸的初期速度、解吸总时间和解吸总量均呈现先增大后减小的规律,解吸总量最大时矿化度约为2.5 g/L;此后,解吸总量逐步减小,减小幅度逐步降低,当矿化度为15 g/L时,煤样的甲烷解吸总量甚至低于0 g/L饱和水煤样;甲烷解吸总量不会一直下降,当矿化度大于20 g/L时,其对甲烷解吸总量的变化无明显作用。研究认为水分子除了竞争占据甲烷分子的吸附点位外,还多层吸附于煤表面占据甲烷吸附通道,进一步减少了煤对甲烷的吸附量;当水分增至饱和时,多余水分会以游离态赋...     

不同粒径煤的瓦斯扩散特性实验

采用自制的吸附/解吸实验装置进行不同粒径煤的瓦斯扩散实验,结果表明:甲烷的扩散量随着时间的增加而增大,小粒径煤的扩散量达到平衡的时间短,大粒径煤的扩散量达到平衡的时间长;甲烷扩散率随着时间的增加而增大,粒径越大,扩散率的增长速率越小,粒径越小,扩散率的增长速率越大;扩散系数D随着煤粒径的增加而增大。其为煤层瓦斯治理提供重要的理论依据。     

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。     

水分对颗粒煤的瓦斯扩散影响规律研究

文章对不同含水率条件下颗粒煤的瓦斯扩散进行了实验,结果表明:同一吸附平衡压力下,随着含水率的增加,增大了瓦斯的扩散阻力,抑制了瓦斯的扩散,瓦斯扩散量逐渐减小,扩散速度也逐渐减小,水分对瓦斯解吸产生了明显的抑制效应。研究结果为煤层瓦斯治理提供了理论基础。     

负压环境下含瓦斯煤扩散特性试验研究

为了揭示含瓦斯煤在负压环境下的扩散特性,在实验室分别模拟了0、10、20、30、40 k Pa负压环境下含瓦斯煤的扩散解吸过程,对比分析了不同负压环境下的瓦斯解吸量、解吸速度、扩散率和扩散系数的变化情况。试验结果表明:瓦斯解吸量随环境负压的增加逐渐增大,360 min时累计解吸量最大增加37.45%,负压具有促进煤中瓦斯解吸的作用;负压对前15 min内瓦斯解吸速度的影响比较显著,尤其对前3 min内瓦斯解吸速度影响最大,衰减高达60%左右,15 min后负压对解吸速度的影响较弱;吸附平衡压力相同条件下,瓦斯扩散率、扩散系数均随着负压的增大而增大;负压增大引起扩散系数的增大是促进瓦斯解吸的主要原因。     

软硬煤瓦斯扩散特性及差异性研究

为了弄清软硬煤瓦斯扩散特性的差异性,采用吸附解吸实验装置对软硬煤的瓦斯扩散特性进行测试,结果表明:软煤的瓦斯极限吸附量大于硬煤的瓦斯极限吸附量;软硬煤的瓦斯扩散量随着时间的增加而增加,软煤的瓦斯扩散量大于硬煤的瓦斯扩散量;软硬煤的瓦斯扩散率随着时间的增加而增加,但增加的梯度逐渐减小,软煤的瓦斯扩散率大于硬煤的瓦斯扩散率;软硬煤的瓦斯扩散系数随着时间的增加而减小,在扩散的前期软硬煤扩散系数减小幅度最大,随着时间的延长,扩散系数减小幅度逐渐减小;软煤扩散系数的衰减速度大于硬煤瓦斯扩散系数的衰减速度,软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤的瓦斯扩散系数,研究结果为煤层瓦斯防治提供理论指导。     

不同煤阶煤对甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究甲烷在不同煤阶煤中的吸附、扩散特性及规律,进行了等温甲烷吸附解吸实验。选取新疆阜康矿区长焰煤、潞安高河矿区贫瘦煤2种煤,制成60~80目的煤样,在30℃恒定温度,相同的平衡压力条件下进行吸附扩散实验,对比分析研究甲烷在不同煤阶中的扩散量、扩散率、扩散系数的差异,并解释其产生差异的原因:相同条件下,阜康矿区长焰煤扩散量小于高河矿区贫瘦煤的扩散量,原因是吸附量与煤的比表面积有关,贫瘦煤中微孔和过渡孔发育,其比表面积比长焰煤的更大,有利于吸附的缘故;阜康矿区长焰煤扩散率大于高河矿区贫瘦煤的扩散率,原因是长焰煤中大孔和中孔所占比例大于高变质程度的贫瘦煤,孔隙连通性好、渗透性强,有利于甲烷的扩散;阜康矿区长焰煤扩系数大于高河矿区贫瘦煤的扩散系数;根据公式扩散系数与扩散率成正相关,其规律性与扩散率规律一致。     

煤层温度与瓦斯赋存状态和抽采率关系的实验研究

为了探索温度对瓦斯赋存状态与抽采效果的影响,实验研究了煤样在不同温度下的吸附解吸变化规律。根据实验数据,给出Langmuir吸附常数a和b值随温度变化的回归方程及扩散速度随温度、时间的回归方程。实验结果表明:吸附常数a和b值都随温度的升高而降低,a随温度变化符合二次函数关系,b则符合线性函数关系;相同压力作用下,解吸量、扩散速度和总扩散量随温度的升高而增大;温度越高,扩散初速度越大;温度不变时,扩散速度随时间延长呈负指数迅速衰减。根据实验结论和相关物理学原理,煤层外加的电场、交变电磁场、功率超声波等方法能提高煤层温度,具有促进瓦斯解吸和增大扩散速率的作用,能提高瓦斯抽采率;瓦斯扩散初速度越大,煤层突出危险性越高,所以降低煤层温度,可以减小煤层的突出危险性。     

软硬煤的瓦斯扩散系数研究

为掌握软硬煤的瓦斯扩散规律,采用自研的瓦斯吸附解吸实验装置对不同吸附平衡压力条件下的软硬煤瓦斯扩散系数进行测试。结果表明:吸附平衡压力越大,煤的瓦斯扩散量越大,煤的瓦斯扩散量与时间满足幂函数的关系;煤的瓦斯扩散率随吸附平衡压力的增大而减小;在同一吸附平衡压力下,软煤的瓦斯扩散率大于硬煤;软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤,煤的瓦斯扩散系数与吸附平衡压力满足幂指数的函数关系。     

真实取心过程中煤心瓦斯扩散规律模拟测试

为揭示取心过程中取心管管壁与煤层摩擦引起的温度变化,研究真实取心过程煤心瓦斯扩散规律,进行了取心管取心过程管壁温度现场测试和不同条件下取心管取心过程瓦斯扩散规律模拟测试。结果表明:取心过程温度变化主要分为缓慢升温阶段、快速升温阶段和缓慢降温阶段。取心管煤心瓦斯扩散规律模拟测试共设置3组模拟试验:同一煤心瓦斯压力下,恒定环境温度中煤心瓦斯解吸量小于取心管取心过程中解吸量;在同一煤心瓦斯压力和管壁升温速率条件下,取心深度越大,煤心瓦斯解吸量越大,不同取心深度的煤心瓦斯累计解吸量区别较小影响瓦斯损失量的主要因素是时间;在同一煤心瓦斯压力和取心深度条件下,煤心瓦斯解吸量随管壁升温速率的升高而增大。在进行煤层瓦斯含量现场测定时,应尽可能降低煤心温度、减小取心时间,从而抑制瓦斯含量的损失,提高瓦斯含量测定的准确性。     

煤中瓦斯非稳态扩散特征模型及实验验证

为了研究煤中瓦斯的运移规律,首先建立了煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,然后以不同粒径煤样为对象,通过改进的解吸实验装置研究了煤中瓦斯解吸-扩散特性,实验验证了该模型的可靠性。结果表明,通过建立煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,得到了煤中瓦斯扩散过程中不同时刻条件下的扩散系数,获得了煤中瓦斯的非稳态扩散特征。煤样的初期解吸速度相对较快,随后逐渐降低;煤样粒径越小,瓦斯的总解吸量和解吸速度均越大,煤样接近解吸平衡时所用的时间越短。相同压力下,初始时刻煤样的有效扩散系数随着煤样粒径的增大而减小,解吸-扩散实验结果验证了上述模型具有较高的可靠性。     

在交变电场声场作用下煤解吸吸附瓦斯特性分析

在交变电场、声场作用下对煤解吸、吸附瓦斯特性进行了实验研究。得出在交变电场作用下，煤样吸附甲烷的量能很好地遵从Langmuir方程。随交变电场电压增大，吸附常数a变化不大，而吸附常数b却逐渐减小。交变电场的作用减弱了煤的吸附能力和解吸能力，减缓了含甲烷煤的解吸过程。声场的作用使煤的吸附量明显减少，吸附能力降低，且煤的瓦斯吸附量随声强增大而减小。     

声震法促进煤中甲烷气解吸规律的实验及机理

研究了在超声波作用下煤中甲烷气的解吸特性和超声波的热效应.结果表明：超声波的机械振动作用使甲烷气在煤体上的附着力减弱,同时超声波使煤体吸收的声能转化为热能,煤体质点温度升高,使甲烷气与煤表面分子间的吸附作用减弱,从而促进煤体中甲烷气的解吸和扩散.