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。     

超声波激励下煤层气解吸扩散特性的研究

为了揭示超声波强化煤层气高效抽采的机理,自主研发了可控超声波激励煤吸附/解吸甲烷试验装置,试验研究了不同功率的超声波激励下煤中甲烷的解吸规律,结果表明:不加超声波和超声波激励下煤中甲烷的解吸动力学规律相同,在煤中的甲烷解吸全过程中,甲烷的初始解吸速度较大,随着时间的缓慢增加,解吸速度逐渐减小,最终趋于0,且解吸规律能很好地遵循扩散模型;超声波作用下煤中甲烷解吸量增大,且超声波功率越大,解吸量增幅增加,解吸量增加26.1%～65.6%;基于传热传质学理论,超声波激励下煤的传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明超声波能促进甲烷解吸、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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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...     

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。     

大功率声波作用下煤层气吸附特性及其模型

利用声波的机械振动效应、热效应和空化效应,自行设计了大功率声波作用下甲烷吸附/解吸实验装置,实验研究了不同声强、不同频率的声波作用下不同煤样对甲烷的吸附特性。实验结果表明,不加声波与加声波条件下煤吸附甲烷的规律相同,而声波作用下煤对甲烷吸附的能力降低,且煤吸附甲烷量随声强的增大而降低;应用Langmuir方程、D-R方程、Freundlich方程、BET方程对实验数据进行拟合,得出:Langmuir模型和D-R模型能较好地反映煤吸附甲烷规律,且吸附模型参数a,K',Qm,Qn减小,且与声强J呈线性递减关系。在现有吸附模型的基础上,引入声强J参数,通过修正,建立了声波作用下煤对甲烷的吸附模型,并确定了模型参数的数值分析求解方法。     

声场作用下煤储层渗透性试验研究

利用自主研发的声场作用下煤层气渗流实验系统,实验研究了声场对煤储层渗流特性的影响。实验得出:不加声场下,煤体的渗透率随有效应力比、有效体应力的增加呈先减小后增大的趋势,渗透率初始快速降低,然后趋于平缓,最后增大;有效应力比恒定时,煤体的渗透率随有效体应力的增大而减小,最后趋于平缓;声场作用下煤体的渗透率大于无声场下,渗透率随声场作用时间的增加呈先增大后趋于稳定的趋势,且渗透率随声强的增加而增大,声场作用前后渗透率之比与声强呈线性关系;相同条件下,声场能促进煤层气扩散、运移,离震源越近,声场提高煤层渗透率效果越明显,因声波在煤层中传播发生衰减,声能降低,煤层气流量增量与距震源距离呈负指数关系。     

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。     

甲烷在煤的微孔隙喉道通过性及其对解吸的影响机理

煤是天然的多孔介质,其内部含有大量破碎煤块与多种类型的微孔隙结构,甲烷在煤的微孔隙喉道通过性是影响甲烷解吸效率的重要原因之一。基于单孔喉模型,分别对孔喉直径、孔喉几何形态与甲烷分子在孔喉附近的Leonard-Jones势的关系进行了分析;基于两能态模型,得到了孔喉势阱/势垒的几何临界尺寸及变化规律,研究发现,当R/r_0(孔喉半径/甲烷分子直径)0.89时,孔喉平面位置对甲烷分子存在势垒,孔喉平面两侧存在势阱;当R/r_00.89时,孔喉平面仅存在势阱,势阱深度随着孔喉增大逐渐降低。基于玻尔兹曼能量分布定律与麦克斯韦分子速率分布原理,推导出了温度、压力、孔喉直径对微孔隙吸附/解吸甲烷过程中的孔喉通过性影响的定量关系,分析表明温度、压力差、孔喉直径是影响甲烷通过孔喉的主要因素。温度越高,压力差越大,孔喉直径越大,孔隙甲烷的通过性越好,反之则通过性越差。基于上述理论分析,建立了煤的非均匀孔喉结构模型,通过数值模拟方法进行了含孔喉微孔隙吸附/解吸甲烷规律研究。研究证明,煤中孔喉势阱对甲烷分子运移的阻滞作用,是引起煤层甲烷吸附/解吸速率下降与甲烷解吸滞后现象,导致煤层气开采期限内解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影响越明显。研究结果对于煤层气开采效率评价及煤层原位致裂增透改性强化煤层气开采提供借鉴。     

饱和蒸汽作用下煤体吸附甲烷运移产量规律试验研究

为得到低渗透储层煤层气注蒸汽开采过程煤层气运移产量规律,在实验室试制了蒸汽加热三轴解吸渗透试验装置,并进行了不同饱和蒸汽压力条件下煤样吸附甲烷运移产量测定试验。试验结果表明,在一定的围、轴压下,甲烷运移产量随解吸时间呈现Langmuir变化趋势;在不同的注蒸汽压力条件下,甲烷运移产量随饱和蒸汽压力的增加而增大、增幅减小,煤体温度随蒸汽注入压力不同呈现指数增长形式,在一定时间内由于换热效率降低使煤体达到注热饱和,继续注热无明显效果;煤体注蒸汽后,由于应力急剧增加造成短时期内无甲烷运移产出,随应力的降低和游离甲烷增加,甲烷运移速率呈现指数型增长趋势,甲烷运移最终产量增加,甲烷运移产量较未注热最高可增产46.3%。试验结果可为煤层气注蒸汽开采工艺方案及产量预测提供参考。     

地应力对煤层气勘探与开发的影响

地应力是指岩土体内一点固有的应力状态, 煤层气是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气。我国煤层气勘探与开发还处于初级阶段,而地应力对煤层勘探与开发有十分显著的影响,其影响主要包括以下三个方面：（1）地应力对煤储层渗透性、储层压力的影响;（2）地应力对煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流的影响。地应力增加,储层压力增大,煤层吸附气体的量增多,但渗透率降低,给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难;（3）地应力对天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性,以及人工压裂裂缝的形态和延伸方向的影响等。所以十分有必要系统论述地应力对煤层气勘探与开发的影响。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响

煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一,添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应.选用典型高瓦斯矿井煤样,配制了不同质量分数烷基糖苷(APG0810)表面活性剂,利用红外光谱仪(FTIR)、顺磁共振波谱仪(EPR)及微电泳仪等,研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自...