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。     

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。     

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。     

构造煤多尺度孔隙中瓦斯扩散的动扩散系数新模型

针对原生煤和构造煤2类煤种的瓦斯扩散进行对比实验,结果表明:与原生煤相比,构造煤的瓦斯扩散率前期增加更加迅速,后期衰减也更加迅速;构造煤的全过程扩散率一直大于原生煤。实验发现,扩散系数是随时间增大而逐渐衰减的变量,为此提出动扩散系数的表达式,建立了动扩散系数新扩散模型。通过验证,新扩散模型对不同煤种的构造煤瓦斯扩散全程能够准确描述,拟合精度均高于经典模型,表明新扩散模型更加精确、适用范围更广泛。     

煤粒中瓦斯时变扩散规律的解析研究

针对瓦斯在煤粒中的菲克型扩散,对煤粒瓦斯放散过程中扩散系数发生变化的机理进行了分析,并通过求取时变扩散系数Dt的公式对南桐煤样在瓦斯解吸放散过程中的扩散系数变化规律进行了测定,通过对实验数据的分析,得出了时变扩散系数的数学模型,推导出了时变扩散方程的解析解。     

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。     

承压煤体瓦斯解吸-扩散特性实验研究

为了研究承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性,建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型,并采用单孔模型和双孔模型计算了粒度0.25~0.5,0.5~1和1~2 mm煤样在0~12 MPa轴向压力条件下的瓦斯扩散系数。实验结果表明:双孔模型计算结果与实验数据相关性系数均稳定在99.5%以上,拟合效果优于单孔模型,其中,宏观有效扩散系数在10~(-4)s~(-1)数量级上,高出微观有效扩散系数1~2个数量级;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随轴压升高呈先下降后波动上升的趋势,与受载煤体扩散动态理论模型相符;煤样粒度越大,宏观/微观有效扩散系数对应力越敏感,并且宏观有效扩散系数对应力的敏感性高于微观有效扩散系数;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随煤样粒度减小而增大。研究结果能为井下构造煤瓦斯扩散规律提供借鉴。     

颗粒煤负压解吸扩散特征参数研究

为了研究颗粒煤负压解吸扩散特征参数,采用自制颗粒煤瓦斯负压解吸实验系统,模拟负压取样过程初期负压阶段瓦斯解吸扩散规律,研究颗粒煤不同吸附平衡压力(0.5、0.74、1MPa)在不同负压(-40、-50、-60 kPa)下解吸扩散规律,并基于第三类边界条件经典扩散模型分析了颗粒煤瓦斯负压解吸扩散特征参数。研究结果表明:负压环境下颗粒煤瓦斯极限瓦斯解吸量随着环境负压值的增大而增加,随着吸附平衡压力的升高极限瓦斯解吸量的增幅变小;同一吸附平衡压力下,随着负压值的增大,传质毕欧准数和传质傅立叶准数随之增大,负压值越大颗粒煤外部对流传质阻力越小,扩散场扰动波及的深度越深入煤粒内部;同一吸附平衡压力下扩散系数随着负压值的增大而增大,同一负压值下随着吸附平衡压力的增大而减小,负压值增大改变了瓦斯解吸动力学参数,加快了瓦斯解吸扩散。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了进一步研究煤层中瓦斯解吸扩散的特征及其规律,设计了等温瓦斯吸附解吸实验系统,该系统主要由温度控制系统,瓦斯吸附解吸系统和数据采集与处理系统3部分组成。通过自制煤样,实验研究了2种煤质、2种粒度的4种不同煤样在30℃恒定温度、不同吸附平衡压力点下的瓦斯解吸扩散规律。通过对比分析,提出了瓦斯累计解吸量与时间之间的关系式,建立的煤的瓦斯累计解吸量的数学模型,并分析了影响模型中各参数变化的因素。     

密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题,更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制,首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验,得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据,并评估了4种解吸经验公式的精确性;随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型,提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型;在此基础上,建立了相关的解吸扩...     

瓦斯气体在煤孔隙中的扩散模式

根据气体在多孔介质中的扩散模式,结合煤结构的实际特点,分析了瓦斯气体在煤孔隙中的扩散机理,得出瓦斯在煤体中有以下几种扩散模式：菲克型扩散、诺森扩散、过渡扩散、表面扩散和晶体扩散,并分析了煤层中影响瓦斯扩散的因素和各种扩散模式的适用条件。     

温度效应对煤层瓦斯吸附解吸特性影响的实验研究

对煤体瓦斯吸附解吸扩散过程进行了理论分析,根据Clausius-Clapeyron方程计算煤体在不同温度下的吸附热值,利用菲克定律求解煤体瓦斯在不同温度下的扩散系数和动力学扩散参数,研究其与温度之间的关系,并利用阿伦尼乌斯修正式计算得到煤体瓦斯解吸过程的活化能。研究结果表明,煤体瓦斯吸附量随着吸附温度的升高而降低,初始有效扩散系数及动力学扩散参数与瓦斯解吸温度呈正相关关系,利用阿伦尼乌斯修正式,计算得到实验煤样瓦斯解吸扩散活化能为2.71 kJ/mol。从吸附热力学、解吸动力学,以及分子活化能3个方面研究了温度效应对瓦斯吸附解吸特性的影响,可为工程实践提供一定的基础理论支撑。     

柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散模型与实验

为了提高长钻孔瓦斯含量测定的准确性,进行了φ50 mm×100 mm柱状煤心径向和1～3mm颗粒煤球向瓦斯解吸流动实验。实验结果表明：常系数扩散模型不能准确描述柱状煤心瓦斯的径向流动全过程;90 min前,实验值大于理论值;90 min后,实验值小于理论值,这种现象是由于煤体的多尺度孔隙结构引起的。进而提出了柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散系数新模型。计算表明：新的径向动态表观扩散模型能精确描述瓦斯在柱状煤心中的表观扩散;相同时间内柱状煤的径向解吸比率远小于颗粒煤球向解吸比例,损失量较小;因而,进行长钻孔长时间测定瓦斯含量时,柱状煤心比颗粒煤更有优势。     

煤粒瓦斯扩散特性的研究现状与进展

对煤粒瓦斯扩散特性的研究进行了系统地梳理,认为可将该领域的研究成果分为:线性扩散理论、基于时变扩散系数的瓦斯扩散理论与多因素影响下的瓦斯扩散理论。在此基础上,通过详细分析,认为当前煤粒瓦斯扩散特性的研究方向可概括为:①考虑煤粒形状的瓦斯扩散特性的研究; ②吸附解吸迟滞现象对煤粒瓦斯扩散特性的影响; ③开展多物理场耦合作用下的煤粒瓦斯扩散特性研究。     

瓦斯对煤自燃特性参数影响的实验研究

选取原煤样、经过瓦斯解吸处理和通甲烷处理的3种不同瓦斯含量的混合煤样,利用程序升温实验对其自燃特性参数进行实验研究,通过对不同煤温条件下的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率及放热强度进行分析,得到了氧化自燃过程中瓦斯对煤氧化自燃特性的影响规律,揭示了瓦斯对煤自燃的抑制作用。     

新扩散模型下温度对煤粒瓦斯动态扩散系数的影响

升温促进煤基质中瓦斯快速大幅解吸/扩散是热激励法增产瓦斯机理之一,其首要关键科学问题是探明温度对扩散系数的影响规律和影响机理。采用恒温与升温方法进行了3种不同条件下的扩散实验：（1）初始同压不同温吸附后恒温扩散;（2）同初始吸附量条件下（高温高压、低温低压吸附后）恒温扩散;（3）同初始温压吸附后的升温扩散实验。实验结果表明：实验（1）,（2）中用单孔隙经典扩散模型计算的常扩散系数随温度升高呈现无规律的波动形态,经典模型无法解释这一现象。原因是经典模型不能精确描述全时段扩散过程,误差极大,继而发现了扩散系数随时间延长而衰减的特有现象。为此,提出了能精确描述全时扩散过程的动态扩散系数新模型。新模型分析表明,煤基质中多尺度非均质孔隙形态决定了多级孔隙扩散系数分布,进而导致了扩散系数随时间延长而衰减。新模型下动扩散系数随温度升高单调递增,符合阿雷尼乌斯关系,规律惟一,经典模型常扩散系数是新模型动态扩散系数的平均值。新模型涵盖了经典模型,前者是后者的推广。     

软硬煤瓦斯扩散系数动态变化规律的差异性

为了研究软硬煤瓦斯扩散特征的差异性,选择淮南丁集、安阳龙山2种变质程度的软硬煤样,模拟了瓦斯吸附-解吸动态扩散过程,对比了软硬煤瓦斯扩散系数的动态变化特征。采用压汞法测定了软硬煤的孔隙结构参数,分析了软硬煤解吸扩散参数差异的产生机理。结果表明:软硬煤在解吸的初始阶段,软煤的扩散系数明显大于硬煤,但随时间衰减也更快;在整个扩散时间内,煤粒瓦斯扩散系数随放散时间呈现单调递减的减函数,即呈幂函数衰减,最终趋于稳定,扩散系数体现出时变性的特征;软煤的中孔和大孔孔容明显大于硬煤,以致软煤的扩散系数明显大于硬煤;储存于不同孔隙和位置的瓦斯扩散路径的差异是软硬煤瓦斯扩散系数随时间变化的原因。     

煤屑瓦斯全程扩散规律的实验研究

为深入探讨煤屑瓦斯全程扩散规律,基于传感器及计算机数据采集技术,运用瓦斯流量测定装置,完整测定了煤屑瓦斯在整个解吸期间的扩散过程;利用Matlab曲线拟合工具,对实验数据进行分析,得出了煤屑瓦斯全程扩散规律曲线。研究表明：煤屑瓦斯流量在扩散瞬间达到峰值,此后随时间的延长逐渐衰减,最终无限趋近于0;煤样罐内“死空间”的存在导致峰值出现,其出现时刻与喷口面积有关;在区间（0, t ）内,扩散曲线存在一条水平渐近线Q v ＝0,但少数学者提出的铅直渐近线并不存在。