高温条件下煤对CO_2的吸附解吸特性实验研究

为了研究煤在不同环境温度下对CO_2的吸附解吸特性,为利用天然煤层的强吸附性进行CO_2封存或用CO_2驱替煤层瓦斯等技术提供基础依据,针对内蒙古榆林葫芦素煤矿和河南焦作方庄煤矿煤样,在自主研制的高温气体吸附解吸设备上进行定容吸附解吸实验,研究煤样在高温条件下对CO_2的吸附解吸特性。结果表明:在相同温度条件下,同种煤样随着粒径的减小,吸附量逐渐变大,温度越高,吸附量越低,当吸附温度达到150℃左右时,不同粒径煤样的吸附量基本一致;不同粒径煤样,解吸量都随着温度的上升而增加,温度越高,初始时刻累积解吸量的增加也越快;随着时间的增加,解吸速度慢慢减小,最后达到解吸平衡;煤样解吸率随着温度的上升而变大,随着粒径的减小而逐渐增大;当温度上升到150℃以后,不同粒径煤样的解吸量和解吸率趋于一致;同一煤样在相同条件下解吸速度在最初阶段达到最大值,随着解吸的进行,解吸速度迅速衰减,最后趋于同一个值;同一煤样粒径越小,初始时刻的解吸速度越大;同一煤样温度越高,初始时刻的解吸速度越快。     

煤吸附/解吸瓦斯变形特征及孔隙性影响实验研究

煤吸附/解吸瓦斯的力学响应特征是煤与瓦斯突出机制研究中的重要问题。利用煤体吸附/解吸变形试验系统,对取自开滦矿区赵各庄矿9号煤层的原煤样品进行不同吸附压力下的吸附/解吸变形观测,配合高压压汞实验和液氮吸附实验研究煤样吸附解吸变形存在差异的原因。实验结果显示:煤吸附/解吸瓦斯产生的膨胀/收缩变形呈各向异性,卸压初期煤样收缩变形较快,之后变形速率减缓,变形需要很长时间才能稳定;吸附压力越大,瓦斯解吸时煤样的收缩变形越显著;煤的微孔含量和孔隙连续性是影响其吸附解吸变形量、解吸变形速率和残余变形量的主要因素。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,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,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

煤层瓦斯渗流非线性运动规律实验研究

以焦作矿区赵固二矿采集加工的原煤煤样为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热–流–固–力耦合实验装置,在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度膨胀变化量的基础上,对煤样渗透率与有效应力之间的变化关系以及煤样中瓦斯运动规律进行实验研究,建立受载煤体渗透率与有效应力关系方程及描述煤层瓦斯非线性渗流规律的运动方程。研究结果表明:(1)渗透率随有效应力增大而呈非线性递减关系,具有负指数变化规律;(2)在围压和轴压固定情况下,研究不同孔隙压力梯度下瓦斯渗流规律,得到瓦斯渗流速度在煤体变形作用下呈现非线性特征,同时将所建方程与实验数据进行拟合,由相关度可知,实验结果与拟合结果相一致,表明所建立的运动方程与研究方法是合理的。     

煤样粒径对煤与瓦斯突出影响的试验研究

 煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下生产中的一种极其复杂的地质动力现象,严重威胁着煤矿安全生产。以由不同煤粉粒径压制而成的型煤为研究对象,采用偏光分析软件、应变控制式三轴仪,对型煤物理力学性质进行研究。并在此基础之上,应用煤与瓦斯突出模拟试验台进行不同粒径条件下的煤与瓦斯突出模拟试验,以探索研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出特性的影响规律。研究结果表明,煤样粒径影响型煤的物理力学性质进而对煤与瓦斯突出产生明显的影响效果。具体表现在：煤样粒径越小,型煤表面孔隙结构的分形维数越大,其对瓦斯的吸附特性越好,同时其力学强度也越高;突出模拟试验表明,煤样粒径越小,煤与瓦斯突出发生的强度越大,吸附过程中吸附的瓦斯量也越大,但是煤与瓦斯突出过程中的破碎效果则越不明显。     

低阶煤颗粒-气泡诱导时间测试及表面改性

低阶煤由于表面含有大量极性含氧官能团,孔隙发达,导致浮选效率低。通过表面改性提高煤表面的疏水性是改善浮选性能的关键。采用扫描电子显微镜分析了低阶煤的表面形貌,通过改变煤样表面粗糙度以及使用酸碱溶液浸泡对煤样进行改性,并采用接触角测试表征煤样改性后表面润湿性的变化,借助诱导时间测量装置研究了煤样改性后颗粒-气泡粘附特性,通过浮选试验验证改性后煤样表面可浮性的变化。结果表明,低阶煤表面粗糙,孔隙和裂隙较发达,有较多细小颗粒附着在表面。改变煤样表面粗糙度并测量诱导时间发现,煤片的接触角越大,煤样-气泡间诱导时间越小。采用pH=1的盐酸对煤样进行改性,随着浸泡时间的增加,煤样-气泡间诱导时间逐渐减小。将煤样置于不同pH值溶液中浸泡,随着溶液pH值的增加,在酸性溶液中煤样接触角逐渐增加,诱导时间逐渐减小;在碱性溶液中,煤样接触角先增加后减小,诱导时间呈现先减小后增加的趋势。不同pH值溶液对煤样改性后浮选试验结果与诱导时间测试结果一致,表明酸溶液以及适当浓度的碱溶液改性可以提高煤样疏水性,提高精煤可燃体回收率,改善浮选性能。     

结合孔隙结构分析注水对煤体瓦斯解吸的影响

 为了研究煤体瓦斯的解吸特性受高压注水影响的机制,结合压汞试验测定的煤的沟通孔隙率和孔径分布规律以及煤样注水后水残留在煤样中的质量,对不同煤种一定吸附瓦斯压力在注入不同压力水的条件下,煤体瓦斯解吸规律的差异进行分析。结果表明：(1) 不同煤种在同等吸附瓦斯压力条件下,沟通孔隙率越大,煤体瓦斯解吸能力越强;(2) 相同煤种煤体瓦斯的解吸能力与吸附瓦斯压力大小有关,吸附压力越大,解吸能力越强;(3) 根据煤的孔径分布规律和注水后煤中水的含量,计算出不同注水压力下水进入到煤体的临界孔隙尺度,该值直接影响煤体瓦斯的解吸能力,即临界孔隙尺度越小,解吸率越低;(4) 通过数据拟合得出煤体瓦斯的解吸率与水进入到煤体的临界孔隙尺度符合Langmuir型规律的函数关系式。     

粒度对煤自燃过程中特征温度的影响

将5种不同粒径伊泰煤在空气氛围中以两种不同升温速率进行热重实验,通过分析煤样TG-DTG曲线探讨煤样粒度对煤自燃过程中特征温度值的影响。结果表明,在两种不同升温速率下,煤样粒径减小,临界温度降低;活性温度仅有小幅降低;增速温度并未显示明显的规律性;粒径对煤样着火温度的影响较小;对于未经筛选的混合煤样,其活性温度和增速温度均与其平均粒径相近的样品的活化温度和增速温度接近,但其临界温度呈现最低值,说明粒度分布宽的煤样其自燃危险性更强。     

低频振动对煤样解吸特性的影响

 为研究低频振动对煤样解吸瓦斯性能的影响,研制瓦斯吸附解吸激振与测试系统。试验结果表明,在低频振动作用下,随着频率降低,解吸量和解吸速度增大,衰减速度越快;煤样瓦斯的解吸强度、衰减系数随时间变化逐渐减小。采用瓦斯解吸速度和振动理论的相关知识分析试验结果,认为低频扰动会导致煤的孔隙性减弱、渗透率降低、扩散速率减慢,不利于瓦斯分子的解吸。扰动作用下,吸附伴生分子虽然获得脱附能,但由于扩散速率的减慢,解吸速度很慢,解吸量小;无扰动作用时,煤样原有的孔隙性没有改变,虽然吸附伴生分子没有获得脱附能,然而由于渗透率较大,扩散速率相对较大,解吸速度相对有振动作用时反而较快,解吸量大。因此,低频振动使煤样的孔隙性减弱,增大分子的平均自由程,导致分子在煤样中扩散变慢,同时在运动层面上由于形成数层细小的孔隙层,增加煤样内部的吸附位,从而减缓瓦斯在煤样中的解吸。     

阳泉无烟煤不同粒径煤的孔隙结构试验研究

为了探究粒径对煤质特性、表面积、孔体积、孔径分布等结构参数的影响,综合利用工业分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、液氮吸附等手段,对山西阳泉新景煤矿同一煤层、同一区域的大型煤块煤样进行了研究分析。研究表明:煤样的水分、挥发分和固定碳的质量分数受粒径变化的影响较小,灰分、微孔和中孔的表面积以及孔体积受粒径影响较大。随着粒径的减小,灰分相对质量分数减小,微孔和中孔的表面积以及孔体积增大,煤对氮气的吸附能力增强,增强主要原因在于孔径约为10 nm的孔隙增多。煤样表面赋存大量矿物颗粒、孔洞及裂隙,其中裂隙受矿物杂质胶结作用影响明显。     

温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究

为研究温度冲击下煤体裂隙结构演化特征,以期从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。采用SLX–80型高低温实验系统对原煤进行4种温差条件下的冷热冲击实验,利用工业显微CT系统对温度冲击前后的煤样进行扫描和裂隙结构的三维立体重建,基于VGStudio MAX图像分析系统建立煤样清晰的裂隙可视模型,并对煤体裂隙结构演化特征进行量化表征,运用非定常热应力理论分析温度冲击下的破煤机制。研究结果表明:温度冲击促使煤体内部裂隙扩展加宽,萌生新裂隙,裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系,不同温差产生的热应力决定了煤样的损伤程度;温度冲击过程中产生了大量的声发射信号,声发射信号的产生主要集中在前600 s,且温差越大所产生的声发射能量越高;温度冲击所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程,分别利用量筒倒转法和振动击实试验,测定了不同粒度粗粒的极限孔隙比,分析了极限孔隙比随粒径变化的规律;采用压实容量表征粗粒孔隙比变化范围,探究了压实容量与粒径的关系;开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征试验,分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明:粗粒最大孔隙比随着粒径的增大先快速减小后缓慢增大,最小孔隙比随着粒径的增大线性减小;粗粒土压实容量随着粒径的增大先减小后增大;粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大;颗粒破碎使粗粒土向着级配连续的方向发展,粗粒土逐渐趋于均匀化.     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征

采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附-解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响.研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因.研究煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附-解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义.     

赵庄3#煤中甲烷吸附特性的分子模拟

基于巨正则蒙特卡洛(grand canonical Monte Carlo, GCMC)方法研究了温度、压力及煤层含水率对甲烷在赵庄3#煤孔隙内吸附性能的影响规律。结果表明,甲烷吸附量随着温度及含水率的升高呈下降趋势,不同温度及含水率条件下甲烷吸附均符合Ⅰ型吸附等温线类型,可采用Langmuir吸附方程描述。采用Langmuir吸附方程拟合得到了适用于预测甲烷在不同温度、含水率条件下的吸附等温线方程,对赵庄3#煤中煤层气的开采具有一定的指导意义。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征

为了研究割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征,以杨柳煤矿10煤层7个煤样为研究对象,采用甲烷等温吸附实验测定煤样的Langmuir方程吸附常数a和b,通过压汞实验和低温液氮吸附实验的有机结合,表征煤样孔径分布和比表面积的变化.结果表明:(1)随着煤样与割缝孔距离的增大,吸附常数α呈逐渐增大的趋势,而吸附常数b的变化趋势则相反,但与甲烷等温吸附曲线的曲率变化趋势一致.(2)随着煤样与割缝孔距离的增大,煤样孔径分布发生显著的变化,吸附孔孔容比从33.27％增大到55.38％,比表面积从7.254 m2/g增大到9.856 m2/g.(3)割缝预抽后,煤样参数曲线(Langmuir方程吸附常数、吸附孔孔容比和比表面积)的变化幅度均呈现出平缓→急剧→平缓的趋势,具有有界性和非线性的特征,符合Boltzmann方程.割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化存在明显的分区特征:变化显著区(小于1.8 m)、变化过渡区(1.8～4.5 m)和变化不显著区(大于4.5 m).(4)割缝预抽后煤体瓦斯压力下降,有效应力增大,进而控制煤体的吸附特性.研究结果可以为煤层水力割缝增透实践提供可靠的基础理论支撑.     

功率超声影响的煤中甲烷气促解规律实验研究

 功率超声激励促解煤层甲烷气是一种不受储层地质条件和气源特性限制,具有普遍应用价值的增采技术。通过CT观测实验,对超声波作用下煤样不同尺度裂隙发展规律进行深入分析,从微观上揭示功率超声促解机制。在对比促解实验测定结果的基础上,研究功率超声作用煤样解吸量变化规律。研究结果表明：CT观测实验很好地证明了超声的机械震碎作用;在功率超声激励作用下,煤样裂隙条数显著增多,贯通裂隙增多且单条裂纹最大宽度显著增大;超声波作用后煤中甲烷气的解吸量有显著提高,建立超声声强参数影响的煤中甲烷气解吸量随解吸时间变化的修正公式。由修正公式拟合结果可知：煤中甲烷气饱和吸附后的解吸量 和 均随孔隙压力的增加而增大,相同孔隙压力下的甲烷气饱和吸附解吸量 大于无超声作用时的解吸量 ,其原因在于在功率超声的声场强度影响下,煤质点的动能和位能增加,煤表面甚至基质内部吸附的甲烷更容易脱附变成游离态,从而达到煤层甲烷气促解作用。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。