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。     

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。     

高压容量法测定吸附常数-低压点对甲烷吸附常数测定结果的影响

为了考察不同的低压点对a、b测值造成的影响,通过对不同矿区煤样进行高压容量法等温解吸实验,根据吸附量与压力和温度在高压状态下符合朗格缪尔方程,利用最小二乘法求出a、b值。综合分析认为,不同低压点设置的不同,造成a、b测值的不同。利用朗格缪尔方程,将实测相同的压力点分别代入得出吸附量,与实际在此压力下的吸附量比较得出:低压点为0.6～1.1 MPa时的a、b值推算出的吸附量与实测值误差相对较小;同样,相同吸附量推算压力具有相同结论。     

温度对煤吸附性能的影响

为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响,采用WY-98B型吸附常数测定仪,选取了含气量较高矿井的3种煤样,进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试,并据此拟合出了温度与Langmuir吸附常数a的曲线方程.利用计算煤表面能的方法,推导出了温度与Langmuir吸附常数b的关系.实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高,煤体吸附甲烷量变小,压力越大这种变化趋势越大;Langmuir常数a随温度的增大而减小,吸附量越大的煤样,其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大;Langmuir常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p_t以及煤自身物理性能所决定的常数k;在一定温度范围内,温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示.     

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。     

煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究

为研究煤体灰分、挥发分对煤吸附甲烷性能的影响,运用高容量吸附装置测定同一煤矿不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线和吸附常数a、b值,并运用SPSS多元线性回归软件进行分析。实验结果表明:不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且二者对于煤吸附甲烷性能均有一定的影响。煤灰分不变时,吸附常数a值随挥发分的增大而线性递增,吸附常数b值随挥发分的增大而线性递减;煤挥发分不变时,a值随灰分的增大而线性递增,b值随灰分的增大而线性递减。研究结果为准确测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等参数提供了一定的理论依据。     

液氮冻融对煤体孔隙演变和吸附行为的影响研究

为探究液氮冻融对煤体孔隙结构和吸附行为的影响,采用低温氮气和二氧化碳吸附法对冻融前后煤样孔隙结构进行表征,并开展了不同冻融次数下甲烷等温吸附实验。结果表明:冻融后煤样的滞后指数HI降低,孔隙系统的连通性得以改善,有利于煤中气体的运移;2~100 nm孔隙在冻融后均有不同程度的增加,一些孔隙演变为比自身孔径更小甚至小于2 nm的孔隙;冻融后微孔孔径分布发生了变化,微孔孔容和微孔吸附量增加;随着液氮处理次数增加,对甲烷最终吸附量的影响不断减弱,达到4次处理后,液氮处理对煤体最终吸附量的影响几乎达到饱和;煤样经不同次数的液氮处理后朗格缪尔参数V;和p;均增加,p;越大越有利于煤层气的开采。     

突出危险煤吸附、解吸瓦斯变形特性试验研究

采用自主研制的煤体高压吸附-解吸变形试验系统,进行了突出危险煤在不同瓦斯压力条件下的吸附-解吸变形全过程试验,探讨了突出危险煤吸附瓦斯产生膨胀变形、解吸瓦斯产生收缩变形这一特有的力学行为。研究结果表明,突出危险煤在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的演化规律,即先后经历抽真空收缩变形、充气压缩变形、吸附膨胀变形、卸压膨胀变形、卸压后弹性恢复变形和解吸收缩变形等6个阶段;吸附膨胀变形和解吸收缩变形过程中,煤样的应变变化率绝对值均随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值,其变形规律服从朗格缪尔方程;煤样的吸附膨胀变形和解吸收缩变形均呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,使垂直层理方向的应变明显大于平行层理方向的应变;煤样吸附膨胀变形值与瓦斯压力关系对二次函数和朗格缪尔方程均具有较好的拟合效果,煤样解吸收缩变形值与原始瓦斯压力呈很好的幂函数关系和二次函数关系;煤样解吸瓦斯后存在一定的残余变形值。     

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5～15 kJ/mol内...     

高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验

以北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样,模拟深部煤层的实际温度、压力和水分含量条件,进行高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验.实验结果表明：褐煤的朗格缪尔体积(VL)随温度的升高而减小;焦煤的朗格缪尔体积随温度的升高而增大;气煤和无烟煤的朗格缪尔体积随温度的升高先增大,后减小。研究表明：煤层埋藏深度增加,温度增高,吸附量减小;温度增高,平衡水分含量降低;平衡水分含量降低,吸附量增大.高温高压平衡水条件下煤吸附CH4的实验结果表现的特性是由于压力、温度和水分对煤吸附的综合作用的结果.在开展深部煤层等温吸附实验研究时,应该选用与模拟深度相对应的温度下平衡水含量的煤样。     

硬软煤质量比变化对煤吸附甲烷的影响

在单一煤体吸附甲烷的基础上,选用山西某煤矿同一进风巷硬软煤,按不同质量比进行分层混合.运用Langmuir单分子层吸附理论,对硬软煤处于不同质量比条件下混合煤样对其吸附特性的影响进行了实验研究.得出吸附量随硬软煤质量比变化的关系曲线、吸附常数a,b随硬软煤质量比变化关系式及瓦斯放散初速度AP随硬软煤质量比变化关系式,对瓦斯涌出受硬软煤质量比变化的影响进行了理论分析.分析结果表明软煤质量和其上部硬煤质量近似相等时,吸附常数a及放散初速度AP达到最大值,吸附常数b达到最小值.这一发现说明了在此情况下,煤对甲烷的吸附量及其压力均达到最大值,一旦扰动此类煤层,便会形成较大的压力梯度及浓度梯度,发生大量瓦斯涌出,研究结果对煤与瓦斯突出机理提供了理论基础.     

直流脉冲电场对煤的甲烷吸附特性的影响研究

为了研究电场作用对煤的甲烷吸附能力及吸附常数a、b值的影响,采用了直流脉冲电源,通过改变直流脉冲电场频率来进行实验研究。结果表明:在外加直流脉冲电场作用下,煤的甲烷吸附特性仍然遵循朗格缪尔(Langmuir)等温吸附曲线;直流脉冲电场对煤的甲烷吸附特性有抑制作用,即随着电场频率的增大,煤对甲烷的吸附量减少;直流脉冲电场减小了煤的比表面积,从而使煤对甲烷的吸附能力减弱;同时,煤的吸附常数b值随着直流脉冲电场频率增大成负指数减小,而吸附常数a值则基本不变。     

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。     

高温高压下瓦斯在煤体内表面吸附力变化研究

采用实验的方法研究了3种煤样在高温高压条件下瓦斯在煤体内表面的吸附规律。通过研究发现:在高温高压作用下,瓦斯的吸附过程仍可以用朗格缪尔模型准确描述,同等压力条件下,所有煤样的瓦斯吸附能力随温度升高而明显下降。瓦斯饱和吸附量总体上都随着温度的升高而降低,变质程度高的煤样的朗格缪尔吸附压力随着温度的升高其下降速率较另2个煤样更快。此外瓦斯在不同温度条件下的饱和吸附量随固定碳含量增加而增加,在25、40、80℃时,饱和吸附量随挥发分含量增高而降低,但是在120℃时,先降低后增加。     

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。     

电脉冲对烟煤官能团及甲烷吸附特性影响研究北大核心

利用电脉冲致裂煤体增渗实验系统,对贵州轿子山煤矿烟煤进行电脉冲致裂实验,并结合工业分析、傅里叶红外光谱测试和等温吸附实验方法,研究了不同击穿电压条件下电脉冲致裂煤体的电流峰值、煤体官能团结构和吸附甲烷能力的演化规律。结果表明:煤样电脉冲击穿煤体的过程主要经历了热击穿、电击穿和残余阶段,同时,击穿煤样的电流峰值随着击穿电压的升高而增大,且呈现指数化趋势;电脉冲击穿煤样的官能团结构发生明显变化,CH吸收峰随着击穿电压的增加而升高,C=C、-CH_(3)、-CH_(2)、-OH吸收峰随击穿电压的提高而降低;电脉冲击穿煤样的甲烷极限吸附量a值都比原煤低,煤样吸附常数b值随击穿电压增加呈现出波动式的变化,表明电脉冲击穿煤体后,明显降低了煤样对甲烷的吸附能力,有利于煤层气的高效开采。     

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。     

山西省煤层气(瓦斯)开发利用现状及发展方向

为了探究煤岩体系微观组分及孔隙结构对甲烷吸附的影响规律, 选取沙曲一矿6组煤岩样, 通过工业分析、X射线衍射、扫描电镜与能谱分析、低温氮吸附、计算机断层扫描, 以及煤岩甲烷吸附实验,分别研究煤岩样微观组分、孔隙结构特征对甲烷吸附的影响。研究结果表明: 煤样和岩样无机组分质量分数分别为15.82%~20.93%、90.80%~94.68%, 均以石英和黏土矿物为主;岩样BET比表面积为3.32~8.70 m²/g、吸附孔体积为0.009 5~0.019 1 cm³/g, 均大于煤样的BET比表面积和吸附孔体积;岩样孔隙表面粗糙度、孔结构复杂度略大于煤样的孔隙表面粗糙度、孔结构复杂度, 与黏土矿物含量高有关。煤岩样甲烷等温吸附曲线均符合朗格缪尔模型, 可用极限吸附量V_L和朗格缪尔压力p_L描述吸附规律;相同吸附温度下, 岩样存在一定的吸附性, 煤样吸附性远大于岩样。分析得出, 煤岩样的有机组分含量、黏土矿物含量、表面分形维数、比表面积和吸附孔体积对甲烷吸附过程V_L、p_L影响显著。基于多元线性回归分析了5种因素对甲烷吸附规律的影响关系: 有机组分含量高、比表面积大的样品CH₄分子极限吸附量V_L越大, 而黏土矿物含量高不利于吸附甲烷;吸附孔体积越小、黏土矿物含量越高、比表面积越大, 朗格缪尔压力p_L越大。

     

静电场对煤样吸附瓦斯的影响研究

为研究静电场对瓦斯吸附作用的影响,运用EST802静电发生器对不同煤样分别施加0、4、8、12、16 k V的恒定电压,然后采用WY-98B吸附常数测定仪测定各煤样的瓦斯吸附量及Langmuir吸附常数a、b值。得出:在相同实验条件下,加场前后煤样瓦斯吸附量随电压升高而增加,b值相对a值变化明显,且呈增大趋势;对于不同煤阶不同破坏类型煤样受静电场影响程度上有:中高变质的烟煤大于无烟煤,软煤大于硬煤,且煤岩组分对含瓦斯煤样的电场响应程度影响较大。     

多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究

为研究温度、含水量、粒径、变质程度4个因素对煤吸附甲烷特性的影响,应用正交试验设计,采用吸附常数测定仪进行甲烷吸附试验,运用多因素方差分析、多元回归分析方法得到Langmuir吸附常数a、b与各因素的关系及吸附常数a随多因素变化的关系式。试验结果表明:多因素影响下煤样吸附甲烷过程满足Langmuir单分子层吸附理论;各因素对Langmuir吸附常数a、b的大小均有影响,但影响程度存在差异,各因素对吸附常数a的影响程度由大到小依次为变质程度、温度、粒径、含水量,对吸附常数b的影响程度由大到小依次为变质程度、含水量、温度、粒径;吸附常数a与变质程度的变化呈正相关,与温度、含水量、粒径的变化呈负相关,吸附常数b与变质程度的变化呈正相关,与温度变化呈负相关,随粒径、含水量变化呈阶段性变化。通过对煤吸附甲烷多因素影响分析,为进一步研究煤体吸附甲烷特性提供理论基础,同时为井下开采过程中实施防突措施提供了理论指导。