温度对煤吸附瓦斯的动力学特性影响实验研究

为了探究温度对中等程度焦煤中甲烷的吸附解吸特征的影响规律,采用等温吸附实验和甲烷解吸实验分析煤样在不同温度下的变化情况,结合Langmuir模型、等量吸附热、煤表面自由能和解吸量模型对所得实验数据进行分析。结果表明：随着温度的升高,甲烷吸附量及Langmuir吸附常数a、b均呈现下降的趋势;煤的吸附是放热过程,伴随着甲烷吸附量的增大等量吸附热随之增加;温度会导致煤表面自由能改变,温度升高煤表面自由能变化值减小,表现为甲烷吸附量减少;解吸曲线具有明显的Langmuir特征,温度升高会促进甲烷解吸,且最初10 min中的解吸速率增速较快。

     

温度对原煤与型煤渗流特性的影响分析

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,在有效应力保持恒定的情况下,分别测定了不同温度条件下型煤及原煤的渗透率,并比较了温度对2种煤样渗透率的影响规律。由于不同煤样的渗透率存在显著差异,为了消除个体差异,定义了温度敏感性系数,该系数可以反映煤样渗透率对温度的敏感性。通过温度敏感性系数的定义,进一步研究了2种煤样的渗透率对温度的敏感性的差异。研究结果表明,当有效应力一定时,2种煤样的渗透率均随着温度的升高逐渐降低,变化规律近似服从负指数函数关系;在相同试验条件下,型煤的渗透率远大于原煤;当有效应力一定时,2种煤样的渗透率对温度的敏感性均随着温度的升高逐渐降低,原煤的渗透率对温度的敏感性高于型煤。     

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.     

瓦斯压力对卸荷原煤力学及渗透特性的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,在不同瓦斯压力条件下对含瓦斯煤进行了固定轴向应力的卸围压瓦斯渗流试验,研究卸围压过程中瓦斯压力对煤体的力学及渗透特性的影响。研究结果表明：开始卸围压后,煤体出现明显的扩容现象,径向发生明显膨胀应变,煤体中的渗流通道张开,煤体中瓦斯的渗流速率随之加快;随着瓦斯压力的升高,解除单位围压后煤样产生的变形变大,渗流速率升高的速率也随之增大;瓦斯压力越高,煤样从开始卸围压起至破坏的时间越短,即煤体强度越低;在卸围压初始阶段,煤样变形模量变化不大,在进入屈服阶段和失稳破坏阶段后,煤样的变形模量减小的速率开始明显加快。从煤样开始卸围压至破坏之前,煤样的变形模量下降了3.71%~7.45%;煤样的泊松比逐渐增大,围压与泊松比的对应具有较为明显的幂函数关系。     

岩浆岩侵蚀型煤的瓦斯吸附特性研究

采用实验研究和方程拟合的方法,对陶一煤矿岩浆岩侵入型煤层煤样的瓦斯吸附特性进行了研究。实验研究结果表明,陶一煤矿煤层因受岩浆岩的侵入影响,煤层变质程度增高,其对瓦斯的吸附量偏低,且压力常数b出现负值,吸附曲线不能用Langmuir方程来描述,也不符合其他6类等温吸附曲线中的任何一类。     

孔隙压力及温度对含瓦斯原煤渗透率影响的试验研究

以贵州矿区林华煤矿9号煤层的原煤试件为研究对象,借助自主研发出口压力可调的三轴渗流装置,开展了不同孔隙压力及温度作用下的三轴渗流试验。研究表明:当进口瓦斯压力恒定,孔隙压力在1.8~2.4 MPa之间变化时,含瓦斯原煤渗透率随孔隙压力变化呈递增的指数函数关系;当孔隙压力不变时,含瓦斯原煤渗透率随温度升高而下降,但下降幅度随温度而异,两者服从乘幂函数分布;若压差不变时,含瓦斯原煤渗透率随温度升高而下降;温度恒定时,含瓦斯原煤渗透率则随压差增大而减小。借助上述试验结果,推导了含瓦斯原煤渗透率受孔隙压力和温度耦合作用的函数关系式。     

温度对Langmuir吸附常数影响的实验研究

为探索深部煤体中地温对瓦斯赋存的影响,基于单分子层吸附理论,采用热力学理论推导出Langmuir方程,得到了温度与Langmuir吸附常数a、b随温度变化的理论表达式,进行了不同温度下的煤与瓦斯等温吸附实验;实验表明,对于给定气-固吸附体系,Langmuir吸附常数a值只与吸附质和吸附剂的自身属性有关,并由吸附剂的固有总吸附位数决定,而与外界的温度和压力无关;对于同一种煤而言,可以认为a值是一个常数。不同吸附剂的b值因吸附剂自身物理特性的不同也会有一定的差异;b值随温度的升高逐渐减小,用导出的理论方程证明了温度与a、b值的统计热力学关系,并用实验进行了证实,澄清了以往温度与a、b值关系的实验性争议。工程应用中,在一定温度区间内,吸附常数b值与温度的关系可以采用线性减函数简化描述。     

温度及含水量对煤吸附甲烷特性影响的实验研究

利用瓦斯吸附常数测定仪,对高瓦斯煤样进行了温度及含水量影响吸附甲烷特性的实验研究。研究结果表明:温度与吸附常数a及温度校正系数之间呈负指数关系,与吸附常数b呈正指数变化;煤样含水量与吸附常数a、水分校正系数倒数之间呈一次线性关系,而与吸附常数b之间没有固定的关系式;最后得到煤层瓦斯含量与温度校正系数及水分校正系数之间的关系式。研究结果对于进一步研究煤对甲烷吸附特性、完善间接法测定瓦斯含量具有一定的理论指导意义。     

不同水分、压力对原煤颗粒体系流动特性的影响

利用自动控制料斗旋转角度的方法,得到原煤下落质量比与料斗倾斜角度之间的关系曲线,称其为流动曲线。通过对流动曲线分析可得,外水分对原煤流动性的影响很大,随着外水分的增大,原煤的流动性变差,当外水分超过8％时,原煤的流动曲线呈现“阶梯状”,此时电厂原煤仓或落煤管易发生“堵塞”现象;压力对原煤的流动性影响很小,只有当外水分达到13％左右时,才会使原煤初始阶段的流动性变差,该种现象主要归结于料仓内出现的“粮仓效应”。     

不同密度级原煤的泥化特性

对淮南矿区不同密度级原煤进行泥化研究，并分别用激光粒度仪和 X-射线衍射仪对不同密度级原煤泥化产物的粒度组成、矿物组成进行分析。结果表明：1.5~1.6 g/cm 3原煤的泥化率较大，为10.23%；>1.7 g/cm 3原煤的泥化率最大，高达13.79%；泥化煤泥中含有大量<0.045 mm粒级的细颗粒，其中>1.7 g/cm 3原煤泥化<0.045 mm粒级煤泥中<0.025 mm的微细颗粒占99%；随原煤密度增加，泥化煤泥中石英含量逐渐增大，中间密度级原煤泥化煤泥中高岭土含量最高；泥化煤泥中主要矿物为石英和高岭土，其严重影响了煤泥水的澄清处理。     

不同粒径煤矸石温度场影响下重构土壤水分时空响应特征

为研究煤矸石基质风化过程中温度场变化引起的充填复垦重构土壤水分时空响应特征,选取不同粒径级配同等覆土厚度的煤矸石充填复垦田间试验小区,分层分区埋设温度和湿度传感器,动态监测重构土壤不同梯度的温度及水分。实验结果表明:煤矸石层及充填界面温度总体低于土壤剖面15 cm(H1层),25 cm(H2层)处温度,高于35 cm(H3层)处土壤温度,说明地表热传导作用于H1,H2层土壤,但是在充填界面上存在由煤矸石风化作用引起的温度场变化演替现象;复垦地土壤水分随土壤深度的增加而降低,各复垦地土壤水分总体分布趋势为中粗粒径细粒径粗粒径,中粗粒径和细粒径复垦地块土壤水分平均差异值为3.7%;H3层土壤温度与煤矸石层温度相关性最高;试验地各层土壤水分与煤矸石层温度相关系数大小呈H3H2H1;各复垦地土壤温度与水分相关性显著,粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.716,中粗粒径复垦地块的平均相关性系数为0.668,细粒径复垦地块的平均相关性系数为0.626。     

高温三轴应力下气煤蠕变特征及本构模型

采用中国矿业大学研制的“600 ℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,对尺寸为 200 mm×400 mm的山东兴隆庄气煤进行了200 ℃和400 ℃两个温度点的三轴应力下的蠕变实验。实验表明：200 ℃时,气煤蠕变具有明显的第1,2阶段,但未出现加速蠕变阶段,而400 ℃时,气煤在很短时间内就进入加速蠕变阶段;在温度和应力共同作用下,气煤在加载瞬间及后续变形过程中,始终伴随着显著的塑性变形,煤体变形为典型的黏弹塑性变形。通过对不同温度下气煤的渗透率和孔隙率的分析,初步判断300 ℃是气煤蠕变特征发生变化的临界温度。根据气煤高温蠕变特征,引入一种新型的非线性黏壶,构建了气煤的高温蠕变本构模型,该本构模型轴向蠕变的理论曲线和实验曲线吻合较好,表明该本构模型能较好地模拟高温下气煤的蠕变特征。     

气化用煤及混配煤的粘温特性研究

以枣庄烟煤、枣庄无烟煤、济宁煤、东北煤、胜利煤和准东次烟煤等为原料,测定其发热量、煤灰熔融温度及煤的粘度,并对结果进行了分析比较。分析了化学组分等对煤灰熔融性温度及粘度的影响,高温下煤灰熔融性、煤灰的粘温特性对煤气化炉的设计、稳态运行及煤种适应性评价具有十分重要的意义。     

不同初始应力下卸荷煤体氧化特性

为探讨不同初始应力下卸荷煤体氧化特性,采用程序升温实验、煤岩三轴蠕变实验、压汞实验对易自燃原煤样及其不同初始应力下卸荷煤样进行微观氧化特性对比研究。结果表明:宏观方面,不同初始应力下卸荷煤体比原始煤样更容易氧化,特征温度点下各实验煤样的CO产生量-应变曲线与轴应力-应变曲线具有相似的规律,且煤样氧化能力随初始应力大小变化曲线呈"驼峰状",当初始应力达到15 MPa,煤岩处于塑性变形裂隙扩展阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力显著增强;初始应力达到25 MPa,煤岩处于应变软化阶段,煤样卸荷后与氧气接触能力最强,间接增强了煤样的氧化能力。不同初始应力下卸荷煤体的特征温度点均提前于原始煤样,使得发生氧化自燃的时间提前。微观方面,煤体总孔容和孔径分布共同制约着氧化反应进程,初始应力使煤体的孔容积、孔径增大,小孔和微孔是O_2与煤基质氧化反应区域的主要贡献者,小孔、微孔孔容值和比表面积随初始应力的变化趋势与实验煤样氧化能力随初始应力变化趋势相同。根据实验结果,随着煤层埋深增大,地应力增高,采动卸荷后煤体氧化危险程度增大;当煤层赋存地应力随埋深达到临界值后,采动卸荷后煤体氧化危险性程度将会降低;对于同一开采水平,应力相对集中区卸荷后煤体将更易发生氧化自燃,其氧化难易程度与煤体强度、赋存应力存在一定关联。     

含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统,测定煤样在含水率、围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系表达式,揭示了受水分影响的含瓦斯煤渗透特性的一些新的认识：① 不同含水率煤样,固定瓦斯压力条件下,含瓦斯煤渗透率随围压的增大而减小,且呈指数函数关系;② 不同含水率条件下的含瓦斯煤,随着瓦斯压力的增大,含瓦斯煤渗透率的先减小后增大,呈现出“V”字型变化趋势,具有明显的Klinkenberg效应;③ 瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大于围压的影响;④ 恒定温度环境条件下,含水率对含瓦斯煤的渗透性有很明显的影响,随着煤样中含水率的增加,含瓦斯煤的渗透率逐渐减小,整体呈负指数关系。     

2009—2010年我国原煤生产和选煤厂概况

依据大量详尽的数据资料,介绍了我国各省份2009—2010年原煤产量和原煤入选量情况,以及国有重点煤矿选煤厂概况。     

不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究

煤炭地下开采过程中,常会遇到不同瓦斯赋存压力和三维受力状态等复杂条件下的煤岩体瓦斯渗透问题,为系统探究其瓦斯渗透规律,利用改进的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,开展了原煤三轴压缩全过程渗透试验,对不同瓦斯压力原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨,分析了煤岩变形破坏过程中其瓦斯渗透特性,以及不同瓦斯压力下煤岩的瓦斯渗透特性。结果表明：煤岩瓦斯渗透率-应变曲线与煤岩三轴压缩全应力-应变曲线具有很好的对应关系,其瓦斯渗透率随加载变形破坏呈先减小后增大趋势,在峰前70%~85%应力水平时达到最小值,煤岩瓦斯渗透率在应力峰值附近时均有不同程度的急剧上升;另一方面,煤岩瓦斯渗透率和瓦斯流量随瓦斯压力的升高呈先增加后减小的趋势,瓦斯压力为1 MPa时达到最大值,在1~3 MPa时,煤岩具有较好的渗透能力,针对现场实际情况,通过类似分析,设定合理的抽采负压区间,从而保证煤与瓦斯共采安全高效进行。