深部煤层瓦斯吸附规律研究

瓦斯吸附常数是煤层瓦斯基础参数中重要组成部分,通过采集平顶山矿区深部煤层不同地点煤样,利用WY-98A型瓦斯吸附常数测定仪进行高压等温吸附试验,试验结果表明,吸附曲线符合langmuir吸附方程,吸附曲线随着吸附压力升高,先表现为吸附量急剧增大,后吸附量缓慢增加,当吸附压力达到5 MPa左右时,吸附曲线平缓,逐渐达到极限吸附量。在吸附阶段前期,吸附瓦斯量快速增加,在饱和吸附量中占比超过70%,同时瓦斯吸附量与煤质参数中挥发分关系密切,呈现出挥发分越大、吸附量越小的反比关系。     

深部煤层瓦斯赋存机制研究现状及展望

深部煤层瓦斯赋存机制是指导深部煤炭和瓦斯资源安全高效开采的重要理论基础。相比浅部煤层,深部煤层的赋存环境具有高地应力、高地温、高瓦斯压力、低渗透率的"三高一低"特征,其决定了深部瓦斯赋存独有特征以及深部资源产出面临的技术难题。系统回顾了应力、温度、压力、渗透率对深部煤层瓦斯赋存规律的影响,指出单一物理场影响研究存在的不足,明确了多场耦合作用环境是研究深部煤层瓦斯赋存机制的客观条件,为深部煤层瓦斯赋存机制研究指明了方向。     

深部矿井瓦斯赋存非线性特征

为了研究深部矿井瓦斯赋存非线性特征,提出了瓦斯含量临界深度的概念,它是地层压力和地层温度对煤体吸附性综合作用的结果,而这2个影响因素的影响效果是相反的。以平煤十矿为例,测定瓦斯吸附常数和瓦斯含量参数,建立深部矿井瓦斯赋存规律模型,分析发现平煤十矿戊9煤层在920 m处瓦斯吸附常数a值相比875 m处不升反降,己组煤层瓦斯含量在910 m左右随着埋深增加而不再明显增大,甚至略微减小,结果表明深部矿井瓦斯赋存具有非线性特征,即深部矿井在一定深度存在瓦斯含量临界深度。     

煤层软硬分层吸附瓦斯性能差异性及其对瓦斯赋存的影响

为研究煤层软、硬分层吸附瓦斯性能差异性及其对瓦斯赋存的影响,分析了煤层内软分层的形成机理及结构特征,采集了我国多个煤与瓦斯突出矿井的煤样作为试验对象,应用高压容量法开展了软、硬分层煤样吸附瓦斯性能参数的对比试验,探讨了软煤、硬煤吸附性能的差异性。在此基础上,对煤层软、硬分层吸附瓦斯性能差异性与瓦斯赋存特征之间的关联进行了研究,结果表明：试验煤样软分层的极限吸附量均大于硬分层;随着瓦斯压力的增加,试验煤样软、硬分层瓦斯含量的差值逐渐增大,其曲线的变化特征与Langmuir方程类似,并且软、硬分层瓦斯含量数值的差异主要由吸附量差值构成;煤层软、硬分层吸附瓦斯性能的差异不仅对煤层原始瓦斯赋存特征有着显著的影响,同时还将影响煤巷掘进、瓦斯抽采过程中煤体内瓦斯流场的分布规律,需要根据煤层软、硬分层的组合特点,制订切实有效的瓦斯抽采技术方案。     

煤的瓦斯吸附动力学机制及温度效应

基于煤对瓦斯的多层吸附假设,推导了煤中瓦斯的多层吸附理论,并采用此理论对煤的瓦斯吸附试验规律进行拟合分析。结果表明:煤对瓦斯的多层吸附理论很好地拟合瓦斯等温吸附,拟合相关性均达到0.99以上;煤体表面单层吸附瓦斯体积V_m随温度降低而线性增大;煤的吸附热Q和瓦斯凝聚热QL差值(Q-Q_L)与温度T线性相关;瓦斯在煤表面吸附层数n随温度降低线性增大。     

深部煤层无烟煤甲烷吸附特性研究

为了研究深部煤层无烟煤的甲烷吸附特性,利用高温高压煤的吸附试验模拟深部煤层所处的高温高压环境,测得无烟煤软、硬煤在不同温度(40、70、110℃)下的瓦斯吸附常数,采用吸附势理论计算出软、硬煤在不同条件下的吸附势特征曲线,分析了高温高压深部煤层下的甲烷吸附特性;基于压汞法测试高温高压吸附试验前、后的无烟煤软、硬煤的孔隙结构参数,研究了不同温度下深部煤层无烟煤软、硬煤的孔隙结构的变化对甲烷吸附的影响。研究结果表明:无烟煤软煤的微孔孔隙结构较硬煤发达,甲烷极限吸附量大,有利于甲烷的吸附;高温高压吸附试验前后煤的吸附特征曲线呈递减趋势,煤样的吸附势随着吸附空间的增大而减小;高温高压下无烟煤软、硬煤的总孔体积增大、孔隙连通度低于原煤,其煤孔隙向更致密方向发展。     

高温矿井瓦斯吸附规律模拟实验研究

当前实验室对煤层瓦斯吸附量的测定都会按照相关标准在特定的实验条件下完成,不能反映深部煤层高温条件的瓦斯吸附规律,基于此开展实验模拟在不同高温条件下煤样对瓦斯的吸附情况,得出深部煤层高温环境下的瓦斯的吸附规律。     

深部煤层超临界甲烷吸附量预测研究

为了预测深部煤层超临界甲烷吸附量,构建了吸附势模型与等量吸附热模型,探究了这2种模型在预测超临界甲烷吸附量时的误差。根据温度300.5 K和323.0 K条件下的等温吸附数据,分别应用2种模型预测了温度313.0 K条件下的超临界甲烷吸附量,并与实测值进行对比,结果表明：研究超临界吸附时要修正压力;等量吸附热模型可应用在超临界吸附领域,当压力为6.0~7.5 MPa时,吸附量预测值平均相对误差为3.17%,吸附势模型预测值平均相对误差为3.60%;随着压力的增加,吸附势模型预测误差逐渐减小,而等量吸附热模型预测误差呈增大趋势;当压力小于6.99 MPa时,等量吸附热模型预测误差较小;当压力超过6.99 MPa时,吸附势模型预测效果较好。综合分析预测结果,2种模型的预测误差均在工程允许误差范围以内,而吸附势模型计算过程简单、需要的数据较少,在工程应用领域适用性更好。     

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。     

丁集煤业深部煤层瓦斯赋存规律模拟与验证

为了研究丁集煤业深部煤层瓦斯赋存的真实状态,揭示丁集煤业深部煤层瓦斯赋存规律,基于多物理场耦合模型,通过数值模拟软件研究了淮南煤田丁集煤业深部煤层瓦斯赋存特点,研究得出瓦斯压力、瓦斯含量及煤层的渗透率随深度增加呈非线性分布,煤体变形量、煤体温度对原煤瓦斯含量、渗透率分布具有不同程度的影响。     

井下水力压裂对深部低透煤层瓦斯含量的影响规律研究

水力压裂是解决深部低透煤层抽采瓦斯困难的主要方法之一,为了进一步提升瓦斯高效抽采及客观评价压裂效果,有必要对压裂后煤层瓦斯含量的影响规律进行研究。在平煤股份十二矿深部低透煤层开展了底抽巷上行穿层钻孔水力压裂增透试验,设计了18个压裂效果考察钻孔,通过取样测定每个考察钻孔的瓦斯含量,详细分析了水力压裂后目标煤层及邻近煤层瓦斯含量的变化规律。研究结果表明：压裂钻孔周围35 m范围内目标煤层的瓦斯含量较原始瓦斯含量平均降低了63%,邻近煤层的瓦斯含量较原始瓦斯含量平均降低了27%;沿目标煤层倾向的瓦斯含量平均降幅高于走向。研究结果可为深部低透煤层水力压裂钻孔与抽采钻孔的优化设计提供参考。     

皖南煤田深部煤层赋存分析及开拓安排

介绍了皖南煤系地层煤层赋存情况、构造形成原因,分析了煤层构造特征及断层的分布规律,根据具体情况提出了有针对性的开拓安排.     

平顶山矿区深部矿井瓦斯含量与埋深关系研究

影响煤层对瓦斯气体吸附能力的因素很多,包括构造、煤质、地温和地层压力等,在构造和煤质等因素相似的前提下,通常浅部煤层瓦斯含量随着埋深增加而逐渐增大,但是到一定埋深后,煤层瓦斯含量与埋深不再呈现简单的正相关关系。平顶山矿区逐渐进入深部开采,研究深部煤层瓦斯分布规律可以为深部矿井瓦斯防治、抽采达标等提供技术指导。     

水分对瓦斯吸附常数及放散初速度影响的实验研究

利用瓦斯吸附常数测定仪及瓦斯放散初速度测定仪,分别对高瓦斯煤样进行了水分影响甲烷吸附特性及瓦斯放散初速度的实验研究。研究结果表明:水分与吸附常数a、水分校正系数倒数以及瓦斯放散初速度之间呈一次线性关系,而水分与吸附常数b之间则没有固定的关系式。实验结果对于进一步研究煤对甲烷吸附特性,以及煤体扰动后发生瓦斯动力规律具有一定的理论价值。     

煤样粒径对煤吸附常数及瓦斯放散初速度的影响

运用Langmuir单分子层吸附理论,对煤在不同粒径条件下吸附瓦斯气体进行了实验研究。利用WY-98A型瓦斯常数测定仪及WFC-2型瓦斯放散初速度测定仪,分别对不同煤样在不同粒径条件下吸附甲烷气体的等温吸附曲线、吸附常数a、b及瓦斯放散初速度△p进行了定性与定量分析,并得出了吸附常数a及放散初速度△p随粒径变化的关系式。结果表明,吸附常数a随粒径出现阶段性的变化,瓦斯放散初速度随粒径变化呈现出对数函数的变化规律。     

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。     

煤层温度与瓦斯赋存状态和抽采率关系的实验研究

为了探索温度对瓦斯赋存状态与抽采效果的影响,实验研究了煤样在不同温度下的吸附解吸变化规律。根据实验数据,给出Langmuir吸附常数a和b值随温度变化的回归方程及扩散速度随温度、时间的回归方程。实验结果表明:吸附常数a和b值都随温度的升高而降低,a随温度变化符合二次函数关系,b则符合线性函数关系;相同压力作用下,解吸量、扩散速度和总扩散量随温度的升高而增大;温度越高,扩散初速度越大;温度不变时,扩散速度随时间延长呈负指数迅速衰减。根据实验结论和相关物理学原理,煤层外加的电场、交变电磁场、功率超声波等方法能提高煤层温度,具有促进瓦斯解吸和增大扩散速率的作用,能提高瓦斯抽采率;瓦斯扩散初速度越大,煤层突出危险性越高,所以降低煤层温度,可以减小煤层的突出危险性。     

平沟煤矿瓦斯吸附常数测定

瓦斯吸附常数是瓦斯突出参数中最重要的参数之一,反映了煤层的最大瓦斯吸附量和煤质特征。文章介绍了平沟煤矿瓦斯吸附常数测定方法及结果。对瓦斯基本参数的测定具有重要的指导意义。     

考虑时效影响的深部煤层瓦斯运移特性

为了考虑长期抽采过程中时间效应对煤体渗透率的影响,结合平均有效应力建立了时间效应和气体解吸效应耦合作用下的深部煤体孔隙率及渗透率演化模型。运用COMSOL Multiphysics对钻孔周围瓦斯运移过程进行了定量计算,结合现场数据对是否考虑时间效应的瓦斯渗流场变化规律进行了对比分析,并对长期抽采过程中深部煤层瓦斯运移规律进行了模拟分析。结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力的下降呈指数型上升趋势;考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果明显小于未考虑时间效应模型的结果,且随着抽采时间的增长,蠕变本构中的黏弹性元件使得煤体更为致密,深部煤层的时间效应越发明显,考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果与未考虑时间效应的结果差值逐渐增大;考虑时间效应的模拟结果与现场数据匹配度较高,更符合深部煤层孔隙率和渗透率的实际演化特征。在同一抽采时刻,随着距钻孔中心距离的减小,渗透率呈现升高的趋势,压力呈现降低的趋势,当模拟抽采时间为1 d时,临近钻孔中心处渗透率较大、瓦斯压力较小;在不同抽采时刻,当抽采时间逐渐增长时,相同位置处的渗透率逐渐增大,瓦斯压力逐渐减小,当抽采时间由1 d增至30 d时,临近钻孔中心处的渗透率增长近1. 4倍,瓦斯压力降低近3. 8倍,且模型内渗透率与瓦斯压力的演化趋于平衡状态。