煤低温氧化过程气体产物变化规律研究

利用自制煤氧化装置,对褐煤、烟煤和无烟煤进行低温氧化实验,结果表明,不同煤样,低温氧化产生的气体及温度不同,气体的生成量与氧化温度呈指数关系,其相关性很好;揭示了煤的低温氧化过程气体浓度与温度变化特征,提出多标志气体进行煤自燃早期预测预报。     

煤氧化过程中气体的形成特征与煤自燃指标气体选择

利用氧化模拟实验和色谱分析，结合煤岩学分析，对不同性质煤样在氧化模拟实验过程中生成气体的组成和数量进行了详细分析，提出生成气体的组成和数量在内因上主要取决于煤温、煤阶和显微组分组成３个主要因素。将煤自燃指标气体分为三类，建立各类指标气体与煤温、煤阶、煤岩类型之间的数量关系。煤自燃指标气体产率随煤温上升基本上呈指数上升，但煤自燃指标气体产率与煤温相关关系曲线型式受控于煤阶和显微组分组成。不同煤阶煤应     

煤自燃指标气体的吸附与浓缩规律

针对煤自燃指标气体在井下风流中浓度小而无法有效预报煤炭自燃程度的缺点,采用煤自燃指标气体的吸附浓缩实验系统,通过对煤样在不同温度条件下热解放出的烃类指标气体吸附浓缩前后检测结果分析,得出烃类指标气体的吸附浓缩规律,以及气体吸附浓缩后甲烷比、乙烷比、烯烷比与煤温的变化关系,使得相同温度下经吸附浓缩后可检测出的组分增多,且各组分气体检出的初始温度大幅降低,使检测出指标气体的初始温度平均提前了90 ℃左右,提高了各组分气体检测的灵敏度.     

软硬煤二元气体竞争吸附差异性研究北大核心

同一煤层软煤和硬煤物性参数特征不同,导致其对气体吸附行为存在差异。基于实验室测试模拟的方法,测试软硬煤体物性参数的差异性,搭建二元气体竞争吸附实验平台,研究软、硬煤体CO2和CH4竞争吸附特性规律。结果表明:除坚固性系数f值外,软硬煤基本参数相近,软煤微孔体积及孔表面积大于硬煤;单组分等温吸附,软煤吸附量大于硬煤,对CO2吸附量大于CH4,过程呈先增加后平缓趋势;煤对单一组分的CO2的吸附量最大,对CH4的吸附量最小,煤对CO2+CH42种混合气体总吸附量介于两者之间;随着吸附平衡压力增加,煤对混合气体的吸附曲线会逐渐远离煤对单一组分的CH4的吸附曲线,而不断接近CO2的吸附曲线。     

煤自燃过程特征气体与磁性变化规律实验研究

为了研究煤自燃过程中主要特征气体及磁性随温度的变化规律,利用煤自然发火实验装置对神府矿区的不粘煤进行自燃模拟实验,测试了不同温度下特征气体的产生量,并用改进的古埃型磁测仪测试了常温和加热处理后煤样的比磁化率。实验结果表明,常温下粒径、磁场强度对煤磁性均产生影响,煤自燃过程中磁性剧烈变化之前,CO和CO_2气体产生量随着温度的增大逐渐增大;磁性剧烈变化阶段,当煤比磁化率随着温度的升高急剧增大时,CO和CO_2气体产生量趋于稳定直至下降;270℃为该煤磁性突变的临界点,临界点附近C_2H_4和C_2H_6产生量迅速增大,并且在300℃至350℃增大速率最快。     

煤对三元混合气体的吸附特性研究

通过对4种不同煤级煤开展相同浓度配比的70%CO₂+20%N₂+10%CH₄三元混合气体的等温吸附实验,探讨了煤对混合气体的吸附特征。实验结果表明:不同煤级煤对混合三元气体（70%CO₂+20%N₂+10%CH₄）的等温吸附曲线具有明显抛物线的特征,不再适于用Langmuir方程,而多项式模型能够准确地描述煤对混合气体的吸附特性。无烟煤（4号煤样）对混合气体的吸附量明显高于焦煤（3号煤样）、气煤（2号煤样）、褐煤（1号煤样）,后3种煤样吸附混合气体（70%CO₂+20%N₂+10%CH₄）的总体变化趋势是随着煤级的升高吸附量降低,即V_1号>V_2号>V_3号,中煤级焦煤的吸附量最低,这与以往单组分气体吸附量随着煤级的升高而增大有所不同,可见混合气体的成分以及所占比例均对煤的吸附性能产生重大的影响。     

基于双一阶函数组合模型的不同粒径颗粒煤 瓦斯吸附动力学特征研究

基于不同粒径颗粒煤的吸附实验,建立了双一阶函数组合模型,对煤对瓦斯的吸附过程进行计算分析。研究结果表明:煤对瓦斯的吸附过程是瓦斯在孔隙中的宏观迁移和微观连续吸附的组合,采用双一阶函数组合模型可以实现数据的完美拟合;随着粒径增大,甲烷吸附(快速和缓慢吸附过程)半衰期增大;煤颗粒粒径越小,煤对瓦斯的吸附越容易且吸附量越大。     

含瓦斯煤低温吸附过程能量变化规律研究

为了得出煤吸附甲烷过程中能量变化规律,通过高低温智能吸附实验箱分别进行温度为30、15、0、-15、-30、-45℃,初始吸附压力为1、1.5、2、2.5、3 MPa的煤吸附甲烷实验。结果表明：加大注气压力和降低吸附温度是影响煤在吸附甲烷过程温度变化量增大的2个重要因素;一定质量煤样吸附甲烷前后表面自由能会降低,热量会升高,且其差值因甲烷压力的升高而逐步增大;升压或降温在煤吸附甲烷过程中都使得煤温度变化量增大,实质上是煤表面自由能甲烷分子势能转化为热量值来维持整体能量平衡的现象。     

平朔矿区9~#煤程序升温氧化过程中指标气体变化规律研究

通过对平朔9#煤煤样程序升温氧化实验,得出了煤升温氧化过程中H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C3H8等气体浓度随温度变化的规律,以及指标气体的相关性结果,结果表明:H2与CO具有较强的相关性,可作用为指标气体预测煤层自燃。     

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明：煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。     

煤粒瓦斯吸附规律的实验研究及数值分析

为研究煤粒瓦斯流动规律,进行了煤粒瓦斯定压动态吸附实验,得到3种粒度煤样在不同瓦斯压力下累积吸附量随时间变化的实测曲线。基于达西定律和朗格缪尔方程,建立了煤粒瓦斯吸附数学模型,编制解算程序对煤粒瓦斯吸附过程进行数值分析,得到煤粒内部瓦斯压力的变化规律及累积吸附量与时间的关系曲线。通过将数值分析结果与实验结果进行对比,发现二者变化趋势吻合良好,由此验证了煤粒瓦斯吸附过程符合达西定律。     

长期浸水风干煤瓦斯吸附解吸规律研究

为了探究长期浸水风干煤对瓦斯的吸附解吸规律,选取未浸水的原煤和浸水15 d、1个月、3个月、5个月的风干煤样,通过瓦斯吸附和解吸实验、液氮吸附实验,研究了不同浸水时间条件下风干煤的瓦斯吸附和解吸变化规律,以及孔隙结构分布特征。研究结果表明：随着浸水时间的增加,煤样累计瓦斯吸附量先减小后增大,对瓦斯的最大吸附量先减小后增大,而Langmuir压力先增大后逐渐减小;15 d浸水风干煤样的瓦斯初期解吸率大于其他长期浸水风干煤样的解吸率,而从1个月到5个月浸水风干煤样的解吸率逐渐降低;随着浸水时间的增加,煤样的BET平均孔径和BJH累计孔容逐渐增大,BET比表面积先减小后逐渐增大,同时与吸附量相关的微孔占比和微孔比表面积呈现先减小后增大的趋势。     

瓦斯吸附对煤体的影响分析

利用自行研制的实验装置研究了在瓦斯压力变化过程中煤体吸附瓦斯后发生的变形,并在已有研究的基础上讨论了瓦斯对煤体的影响。研究结果表明：煤样吸附瓦斯气体后发生膨胀变形;游离和吸附瓦斯的存在会削弱煤体的强度,使煤体脆性度增大,其失稳破坏更易发生,煤体失稳破坏进程加快;煤体吸附的瓦斯气体中吸附性越强的气体所占比例越大,煤体发生的膨胀变形将越大;在现场受限条件下,煤体产生的膨胀应力越大,煤体的强度降低得越多。     

含水煤岩变形破坏过程中瓦斯运移规律的实验研究

配合自制煤岩三轴流固耦合夹持装置,采用实验方法对煤岩变形破裂过程中瓦斯运移规律进行研究。实验结果表明：煤岩破裂前后,瓦斯解吸量、解吸速率以及渗透率的差异较大,在弹性压密到强化阶段,瓦斯解吸规律基本遵循Langmuir等温吸附规律。在煤岩破裂阶段,瓦斯解吸量和解吸速率都急剧增大,瓦斯渗透率的变化表现为少许滞后于应变的特点;在瓦斯压力较低的情况下,煤岩渗透性能受含水饱和度的影响显著,破裂后气测渗透率值比压密阶段高近6倍,含水饱和度增大后,煤岩破裂前后气测渗透率变化规律大致相同,虽然增大了煤岩孔隙压力,但煤岩变形破裂全过程中测定的气测渗透率反而降低。     

电场对煤表面结构及瓦斯吸附性的影响

采用直流电场作为物理场,利用已研制的电场作用下煤的瓦斯吸附试验装置,对电压作用下煤的瓦斯吸附性进行了试验研究,对电压作用前后试验煤样表面结构进行了XPS能谱测试,对煤样表面结构C元素含氧官能团的种类及其相对含量进行了分析,目的是基于煤表面结构揭示电场作用对煤的瓦斯吸附性影响机理。试验结果表明:电压作用可以弱化煤的瓦斯吸附性,在80 k Hz/1 k V,80 k Hz/3 k V和80 k Hz/5 k V电场作用下,煤表面结构C元素含氧官能团发生改性,C—C/C—H键相对含量从47.22%减少到24.95%,生成C—O键、C=O羰基官能团、COO—羧基或醌官能团,使得这3种含氧官能团相对含量增加,其最大值分别为54.44%,13.89%和7.39%;随着煤表面结构C元素C—C/C—H键相对含量的减少,煤的瓦斯饱和吸附量a呈线性规律减小,吸附常数b呈指数规律减小;与电场作用前相比,作用后煤总孔面积、中值孔径(体积)、中值孔径(面积)和平均孔径等孔隙结构参数均增加。     

突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。     

煤与瓦斯突出过程煤体破裂演化规律

研制了一套煤与瓦斯突出模拟实验装置,通过高速摄像对突出全过程进行实时观测,从而实现对突出过程中煤体破裂演化规律进行了分析。通过对12次试验结果的分析发现,煤与瓦斯突出是个力学发展过程,它经历了孕育、启动、发展和停止4个阶段,受瓦斯压力和孔洞壁的径向应力大小影响,煤与瓦斯突出多次间歇式发展;实验条件下,煤与瓦斯突出启动后,从发展到结束过程耗时不足0.1 s;位于试验装置不同部位的煤体,突出瞬间煤体运动轨迹各不相同;通过对突出后煤体的裂纹分布规律进行分析,发现裂纹几乎平行出现,且裂纹的倾斜角度处在65°~70°,裂纹近似圆弧,圆心位置在突出口;试验还发现在0.481~0.764 MPa存在一个临界瓦斯压力值,可以使突出连续发生,从而具备了发生大型突出的瓦斯压力条件。     

煤体吸附-解吸瓦斯变形特征实验研究

在煤层瓦斯抽放过程中,煤体瓦斯处于吸附-解吸状态,煤体发生膨胀和收缩。利用自主设计的煤体变形实验装置,分析了杜儿坪煤矿原煤在不同方式下吸附-解吸全过程中变形特征。实验结果表明：煤体变形量随着瓦斯压力的增加而增大,垂直层理方向变形量大于平行层理方向变形量;煤体在一次加压吸附实验中分为变形下降阶段、变形快速上升阶段和变形平稳上升至稳定阶段3个阶段;等梯度加压吸附-降压解吸过程中,0→0.5 MPa阶段变形量最大;等梯度加压吸附煤体变形量大于一次加到目标压力值的吸附煤体变形量,且等梯度解吸煤体残余变形量较大;煤体吸附-解吸变形可分为充气下降阶段、吸附快速上升阶段、吸附变形平稳上升至平稳阶段、解吸变形快速下降阶段和解吸平稳下降至稳定阶段。     

不同浓度烟气在煤中的竞争吸附行为及机理

为研究不同浓度电厂烟气注入采空区后CO_2的封存效果、O_2的抑制吸附程度和竞争吸附机理,采用巨正则系综蒙特卡洛方法,建立煤结构模型,模拟采空区温度压力环境注入不同比例烟气时CO_2,N_2,O_2在煤中的竞争吸附行为,以作为指导烟气注气的依据。结果表明:随着烟气含量的增加,N_2和O_2的吸附量降低,CO_2和总吸附量升高,但升高和降低的速率减小,而等量吸附热随烟气含量变化的变异系数仅为0.48%~1.39%。随着烟气含量的增加,CO_2对N_2和O_2的吸附选择性降低,竞争性减弱。煤对CO_2的优先吸附位在能量最低的-34~-30 k J/mol区域,被占满后转向次优先吸附位。即吸附能力并不能直接反映吸附量,其主要由气相中各组分浓度控制,同时受竞争性和吸附位影响。