低温氮吸附法和高压吸附甲烷法研究煤的吸附能力

选取几组不同变质程度的煤样(无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、褐煤),在液氮温度下,通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量,绘制低温氮吸附下的Langmuir吸附曲线综合图;同时,对煤样进行高压等温吸附甲烷试验。结果表明,这几组不同变质程度煤低温氮吸附的能力依次为:无烟煤>肥煤>瘦煤>褐煤>贫煤>焦煤,高压吸附甲烷的能力为:贫煤>无烟煤>褐煤>肥煤>瘦煤>焦煤。经过比较分析,在高压条件下,二者的吸附量是有差别的。     

液氮冷浸前后煤体的微观结构精细化表征方法研究

随着煤层增透技术的发展，液氮冷浸致裂煤体促进瓦斯抽采的研究取得了广泛关注。为研究液氮冷浸对不同煤质煤体微观结构的改造效果，分别采用电镜扫描仪、压汞仪和低温氮吸附仪对液氮冷浸前后不同煤质煤样（贫煤、肥煤和无烟煤）的微观结构进行了联合表征，对比分析了液氮冷浸对不同煤质煤样孔体积、比表面积分布情况的影响。结果表明：液氮冷浸煤体产生的热应力大于煤的抗拉强度，导致煤的微结构破坏，出现微裂隙萌生或颗粒脱落等现象，显著增加煤的透气性；液氮冷浸后不同煤质煤样的总孔体积和比表面积均增大，肥煤总孔体积增长率最小，其次是无烟煤，贫煤总孔体积增长率最大；液氮冷浸促使煤样内部微孔、小孔、中孔及宏孔/裂隙的孔体积均增大，促使煤样内部大孔贯通形成宏孔/裂隙，导致大孔的孔体积减少；液氮冷浸后各煤样的孔比表面积均集中分布在10～100 nm，并有明显的峰值特征；液氮冷浸促使贫煤、肥煤和无烟煤煤样的吸附量增大，且处于中高压区(0.4

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基于红外成像技术的煤中甲烷分布特征研究

为了研究煤体在吸附过程中,甲烷的非均匀分布以及煤体温度的改变特征,通过红外热成像的方法和MATLAB程序,对不同变质程度的煤样进行观测分析。结果表明:在吸附过程中,不同煤阶的煤样截面具有不同范围的吸附明显区域,该区域温度变化大,且随着吸附压力的增大,该现象越显著;当煤样吸附达到平衡时,在任意吸附平衡压力下均存在某一温度变化临界值;在温度改变量大于该临界值的煤体截面区域范围,煤体中不同温度变化增量段的甲烷吸附量的分布比率高于煤单元数量分布比率,则定义该煤体区域为甲烷吸附聚积区;随着吸附压力的增大,煤样截面区域的温度变化范围变大,煤样吸附的非均匀性增强;随着温度变化量的增大,不同温度变化增量段的煤单元数量分布比率及其对应的甲烷吸附量分布比率呈现先增大后减小的趋势,服从正态分布。     

煤粒吸附瓦斯过程中的温度变化研究

为了更好地揭示煤吸附瓦斯过程中温度变化规律,设计完善了煤体吸附瓦斯温度测试系统,对煤体吸附瓦斯过程中的热效应进行了实验研究。实验结果显示,煤体吸附瓦斯过程中温度升高,吸附过程中释放能量;温度随时间的变化呈指数函数关系;吸附平衡压力越大,温度变化量和温度变化梯度越大;环境温度越高,吸附过程中温度变化量越小。     

降温过程对高地温煤层瓦斯解吸的影响

选用唐口煤矿5301工作面新鲜暴露煤作为试验煤样,在实验室模拟高地温煤层降温开采环境,设置吸附温度为45℃,吸附平衡压力分别为0.3 MPa、0.5 MPa、0.8MPa的情况下,改变瓦斯解吸环境温度,进行颗粒煤的吸附-解吸试验。试验结果表明,同吸附温度和吸附平衡压力下,解吸环境温度越低,解吸速度越慢,同时间段内瓦斯解吸量越少。以吸附平衡压力0.3MPa、解吸温度25℃时的瓦斯解吸速度为基准,通过数据拟合,确定解吸温度T与解吸速度修正系数γ的关系,并以此推算出吸附温度为45℃时,不同解吸环境下,任意时刻累积瓦斯解吸量。     

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。     

基于晶格理论模型煤的瓦斯吸附性能预测

采用瓦斯吸附试验测试系统,在303、293 K对气肥煤、贫煤和无烟煤等进行瓦斯等温吸附试验,并基于晶格理论模型和某一温度下煤的吸附试验为依据,开展不同温度下煤的瓦斯吸附规律预测。结果表明:不同变质程度煤中游离瓦斯摩尔密度与吸附量存在线性关系。与瓦斯吸附等温线的实测结果相比,采用晶格理论模型预测得到不同变质程度煤的等温吸附曲线无论是趋势还是定量结果均十分吻合,相对误差均不超过3.8%。     

低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性试验研究

液氮致裂煤层增透技术具有良好的发展前景,而针对低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性研究目前尚不完善,大部分研究处于初步研究阶段;为了对液氮冻融作用及试验初始温度作用下的煤体瓦斯吸附特性变化规律及变化趋势进行研究,选取新疆硫磺沟煤矿煤样作为研究对象,利用PCTPro高压气体吸附仪对试验煤样在不同液氮冻融时间(0、30、60、90、120 min)及不同试验初始温度(30、40、50、60、70℃)条件下的吸附特性进行了研究,得出了不同液氮冻融时间及不同试验初始温度条件下煤体瓦斯吸附量、吸附增量及煤体瓦斯饱和吸附量的变化,并根据试验结果选取了3种吸附理论模型对试验结果进行拟合,分析拟合效果对吸附理论进行优选。归纳煤体在2个变量影响下吸附特性的变化。研究结果表明:煤体瓦斯吸附量随液氮冻融时间增加而逐渐增大、随试验初始温度增大而逐渐减小;煤体瓦斯饱和吸附量随液氮冻融时间增加呈上升趋势、随试验初始温度增加呈下降趋势。在2个变量条件下进行不同理论模型拟合,结果表明Langmuir理论模型拟合效果最好,其拟合度最高,误差范围小; 2个变量影响条件下,Langmuir理论模型中吸附常数b无明显规律,其影响因...     

低温环境无烟煤瓦斯吸附特性研究

以焦作无烟煤为研究对象,采用自制高低温吸附装置,通过对煤在-30,-20,-10,20,30℃下瓦斯吸附过程的测试,研究煤在低温环境下的瓦斯吸附特性。实验结果表明:温度对煤的瓦斯吸附量影响效应明显,温度越低,煤的瓦斯吸附量越大;在低温环境下(0℃以下),吸附常数a、b值随温度降低而增大,温度每降低1℃,a值升高约18%,b值升高约4%。在取心过程中,降低环境温度,可以增加煤的瓦斯吸附能力,减少井下钻孔取心过程的漏失瓦斯量,提高瓦斯含量测值的准确性。     

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。     

粉煤粒径对瓦斯吸附平衡时间的影响机制

煤体粉化程度的大小易导致煤中瓦斯吸附状态的差异,对煤孔内瓦斯的运移时间具有重要影响,研究结果对提高煤中瓦斯含量测定精度具有重要作用。以马场矿4个粒径级别粉煤为研究对象,开展了各粒径煤粉的吸附量及吸附平衡时间等吸附性能测定工作。主要研究结论如下:粒径级越小,煤样吸附瓦斯量越大,测定结果可分为"微米级、十微米及小粒径百微米级、大粒径百微米级及毫米级"4个等温线分级;同时,煤样吸附平衡时间随粒径减小而急剧缩短,即由毫米级粒径煤样的数天,缩短至微米级粒径煤样的5 min,说明粒径的改变,可直接影响煤样内瓦斯扩散路径的复杂程度,进而影响吸附平衡时间。综合分析可知,百微米粒径煤样可明显缩短吸附平衡时间且提高瓦斯含量测定精度。     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.     

煤的吸附作用对瓦斯渗流特性影响的实验研究

为研究煤的吸附作用对瓦斯渗流特性的影响,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,进行了瓦斯吸附平衡前后和不同吸附气体的三轴渗流试验。试验表明,相同煤样在瓦斯吸附平衡后渗透率明显低于吸附平衡前的渗透率;相同煤样通过不同气体的渗透率具有KHe>KCH4>KCO2的规律,不同吸附气体煤样的渗透率与气体压力服从指数分布;煤体渗透率与煤的变质程度具有一定的相关性。     

电位梯度对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响实验研究

选用3种电位梯度分别对东曲矿贫煤进行电化学改性实验,对改性前后的煤样进行瓦斯吸附解吸测试,并通过低温液氮吸附测试和红外光谱测试分析改性前后煤样孔隙结构和表面基团的变化。结果表明:未改性贫煤煤样的饱和吸附量为30.030 mL/g,煤样的Langmuir压力为0.876 MPa,最终解吸率为83.204%,经1、2、4 V/cm 3种电位梯度电化学改性后,煤样的饱和吸附量分别降低为29.239、28.329、26.667 mL/g;Langmuir压力分别升高为0.932、1.042、1.048 MPa;最终解吸率分别提高84.235%、85.541%和87.840%;电位梯度越大,改性后煤样的比表面积越小,平均孔径越大,含氧官能团数量越多,故抑制瓦斯吸附、强化瓦斯解吸的效果越好。     

温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。     

余吾矿构造煤吸附动力学特性

针对构造煤瓦斯吸附动力学特性,以山西潞安余吾煤矿为工程背景,选取了4种不同破坏类型的构造煤样,进行了压汞测试和瓦斯等温吸附实验,获得了煤体孔隙分布特征和瓦斯吸附动力学曲线,并分析了吸附压力、吸附量及吸附速率随时间的变化规律。研究结果表明:吸附压力随吸附时长的增加而不断降低,在吸附开始的前20 min内压力急剧降低,降幅高达60%以上;随吸附时长的增加,各煤样瓦斯吸附量经历了先急剧增大再缓慢增加最后达到平衡的非线性变化过程;吸附速率曲线表明,随煤体破坏程度的增加,瓦斯吸附速率逐渐增大,吸附性增强。不同破坏类型构造煤孔隙分布差异显著,进而影响瓦斯吸附动力学特性,在煤矿瓦斯治理和煤层气开发中应予以考虑。     

水分对不同煤阶煤瓦斯放散初速度的影响

为提高矿井煤与瓦斯突出预测的准确性,对经过干燥处理的不同含水量的无烟煤、焦煤和长焰煤的瓦斯放散初速度进行了测定。结果表明:水分对无烟煤、焦煤和长焰煤的瓦斯放散初速度均有影响,同一煤阶煤样的水分越大,瓦斯放散初速度越小;且瓦斯放散初速度随水分增加呈指数式减小,水分减小了煤样的瓦斯吸附量是造成瓦斯放散初速度减小的根本原因;水分对无烟煤瓦斯放散初速度影响最大,长焰煤居中,焦煤最小,其原因为不同煤阶煤的孔隙特性不同。     

不同温压条件下煤瓦斯吸附特性的试验研究

为研究温度、压力对煤吸附瓦斯性能的影响,进行了不同温度下煤的瓦斯等温吸附试验。试验测试出煤样在35℃、50℃、65℃、80℃、105℃下的等温吸附线。研究表明:随着温度的升高,同一压力下煤样的吸附量减小,温度越高,吸附量减小趋势越明显;温度相同时,煤样的吸附量随着压力的增大而增大;在某一温度区间内,随着温度的升高,煤样的吸附常数a、b值线性递减。     

静电场作用下煤体瓦斯解吸实验研究

为探究静电场作用下下煤体解吸瓦斯响应特征,构建静电场下煤体瓦斯解吸实验平台,分析研究了不同电场强度、加电时间对不同变质程度颗粒煤体瓦斯解吸量、解吸速度的变化规律,并利用比表面自由能公式结合Langmuir和Gibbs计算静电场下的变化量.实验结果表明:静电场作用下煤体瓦斯解吸量和解吸速度随电场强度的增加呈先增大再减小的趋势,不同变质程度颗粒煤存在特征电场强度和特征加电时间,并在该处解吸量获得极值.其中,古汉山无烟煤、鹤壁贫瘦煤、平顶山肥煤和义马褐煤的特征加电时间均为4 h,特征电场强度分别为120,40,40 kV/m和120 kV/m;静电场作用下瓦斯解吸速度在前期得到提高,吸附体系比表面自由能呈先增大后减小的趋势,变化幅度在3％～16％.