煤体瓦斯运移的容阻效应分析北大核心

通过对多孔介质吸附-渗流理论及实验分析,提出了对煤体瓦斯运移规律的新认识。研究结果发现:煤体结构对瓦斯运移具有容阻效应,'容储'、'阻力'二重特性并存构成了煤基质瓦斯运移的基本功能;瓦斯运移过程中的吸附特性差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长速度、吸附平衡时间和最大吸附能力4项指标;瓦斯运移过程中扩散和渗流2种方式并存,当裂隙及大孔内瓦斯压力较中-微孔隙系统瓦斯压力高时,煤体内瓦斯运移以渗流为主,否则以扩散为主;煤体裂隙越发育,煤体对瓦斯压降变化越敏感,瓦斯解吸效率越高。     

煤体瓦斯运移的容阻效应分析

通过对多孔介质吸附-渗流理论及实验分析,提出了对煤体瓦斯运移规律的新认识。研究结果发现:煤体结构对瓦斯运移具有容阻效应,"容储"、"阻力"二重特性并存构成了煤基质瓦斯运移的基本功能;瓦斯运移过程中的吸附特性差异体现在吸附响应时间、吸附速率增长速度、吸附平衡时间和最大吸附能力4项指标;瓦斯运移过程中扩散和渗流2种方式并存,当裂隙及大孔内瓦斯压力较中-微孔隙系统瓦斯压力高时,煤体内瓦斯运移以渗流为主,否则以扩散为主;煤体裂隙越发育,煤体对瓦斯压降变化越敏感,瓦斯解吸效率越高。     

煤层瓦斯解吸扩散过程中甲烷碳同位素分馏动力学模型

甲烷在多孔介质煤层中运移时,会发生显著的同位素分馏,目前的模型和机制并不能完全解释瓦斯运移过程中的同位素分馏现象。以不同分子间的竞争吸附作用、扩散能力差异性以及碳同位素分馏解吸-扩散成因等理论为基础,构建了煤层甲烷碳同位素分馏动力学模型。研究结果表明,在解吸过程中,甲烷碳同位素逐渐变重。瞬时同位素值在解吸后期呈指数级变重,累计同位素值随时间的变化与气体的累计脱气量随时间的变化相似。在气体扩散过程中,扩散系数比值（D₁/D₂）对同位素分馏具有显著的控制作用。煤心中吸附气的体积分数占到90%以上,吸附/解吸引起的同位素分馏变化与耦合作用下引起的同位素分馏变化相近,该模型较好的预测了煤心瓦斯解吸中碳同位素分馏试验。甲烷在孔隙中的解吸、扩散是碳同位素发生分馏的重要原因,在此过程中游离气和吸附气引起的同位素分馏具有阶段性。通过该模型的参数与煤心的参数匹配后,可以获得煤心吸附气含量、游离气含量,进而评价煤层瓦斯含量。将该模型应用到煤层钻孔瓦斯抽采过程中,结合现场测试和实验室测试确定模型参数,建立煤层钻孔抽采瓦斯碳同位素值与瓦斯抽采情况的关系。可以判断煤层...     

煤中瓦斯非稳态扩散特征模型及实验验证

为了研究煤中瓦斯的运移规律,首先建立了煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,然后以不同粒径煤样为对象,通过改进的解吸实验装置研究了煤中瓦斯解吸-扩散特性,实验验证了该模型的可靠性。结果表明,通过建立煤中瓦斯非恒定扩散系数模型,得到了煤中瓦斯扩散过程中不同时刻条件下的扩散系数,获得了煤中瓦斯的非稳态扩散特征。煤样的初期解吸速度相对较快,随后逐渐降低;煤样粒径越小,瓦斯的总解吸量和解吸速度均越大,煤样接近解吸平衡时所用的时间越短。相同压力下,初始时刻煤样的有效扩散系数随着煤样粒径的增大而减小,解吸-扩散实验结果验证了上述模型具有较高的可靠性。     

温度对煤样罐内煤体瓦斯解吸的影响

采用特制的瓦斯解吸试验系统,对阳煤五矿15号煤煤样进行了不同吸附和解吸温度条件下煤屑瓦斯解吸量测定实验及恒温和变温吸附解吸条件下煤样罐中煤屑瓦斯解吸过程中温度变化测定实验。试验结果表明:煤屑在40 ℃吸附后,在27 ℃解吸时速度明显低于40 ℃下解吸速度,30 ℃吸附40 ℃解吸明显高于40 ℃吸附27 ℃解吸的解吸速度;气体分子的吸附解吸过程伴随着多孔介质系统的能量改变而导致了温度变化,热量从煤样罐外围环境传导到煤样需要一定时间,在瓦斯解吸过程中,外界温度的急剧变化不会立即对解吸扩散过程产生影响,在这一时间阶段内,对煤样温度变化起主要决定作用的还是煤解吸瓦斯过程中自身的吸热反应,但一定时间后其决定作用将会是外界温度。     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究

简要介绍了煤吸附斯气体的本质,影响煤吸附量的主要因素以及煤吸附瓦斯气体的过程;分析了煤体瓦斯解吸扩散的主要形式和影响煤体瓦斯扩散速度的主要因素。     

受振粒煤瓦斯扩散特性实验研究

为了探究机械振动对粒煤瓦斯扩散特性的影响,建立振动-吸附-解吸实验系统,选取桧树亭矿1～3 mm和0.25～0.3 mm粒径的贫煤,开展煤样瓦斯解吸-扩散实验,采用瓦斯气体扩散模型进行分析振动前后不同粒径的煤样的解吸-扩散情况。结果表明：施加振动能够提升粒煤的瓦斯扩散量和扩散速度,初始有效扩散系数在振动过程中也得到了提升。通过对比发现,小粒径煤样具有相对较小的扩散系数,在解吸前期拥有较大的扩散速度,振动对其扩散特性的影响较大。分析认为,一方面,小粒径煤样的振动作用的增强,导致振动产生的外力作用越明显,进而加剧了瓦斯扩散程度;另一方面,粒径大的煤样具有更大的表面积,与小粒径煤样相比,能够吸附的瓦斯更多,因此初始扩散速度较大。     

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。     

粒径、水分对煤中甲烷的吸附-扩散实验研究

为了研究粒径、水分对煤中甲烷的吸附、扩散影响,进行了甲烷等温吸附-扩散实验。选取潞安古城矿区3号煤,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粒径、含水煤样中的扩散量、扩散速度的差异。通过实验发现:在相同的吸附平衡压力下,同一水分不同粒径煤样,同一时间大粒径煤中甲烷扩散量和扩散速度均小于小粒径的扩散量和扩散速度;同一粒径不同含水煤样,同一时间煤样含水量越小,瓦斯解吸量越大,水分对瓦斯解吸起着明显的抑制作用,煤样含水量越高,同一时间瓦斯解吸速度越小,随着时间的增加解吸速度逐渐缓慢。研究不同主控因素下的甲烷扩散规律,对煤层气开发和矿井瓦斯灾害防治有很好的指导意义。     

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。     

温度场变化对高压注水煤体瓦斯解吸量影响规律研究

通过不同温度条件下煤与瓦斯吸附、解吸实验,研究了煤与瓦斯吸附、解吸的微观机理,重点分析了高压注水对煤体瓦斯吸附、解吸的影响规律.利用具有压力控制单元和温度控制单元的煤样吸附解吸实验系统,测定煤样在不同温度下瓦斯的解吸量,通过吸附压力降低曲线计算出了吸附速率.     

烟煤吸附、解吸过程中热流特征实验初探

煤吸附、解吸瓦斯过程中会伴有明显的热效应,其变化规律对煤与瓦斯突出等瓦斯灾害预测技术具有重要的研究价值.利用自行设计搭建的多参量煤吸附、解吸热效应测试实验系统,开展0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa 3种压力下,烟煤对于CO2、N2、CH43种气体吸附、解吸过程中压力、温度和热流测试实验,综合分析了烟煤吸附...     

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。     

逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程,瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量,是煤与瓦斯突出的主要能量来源.发生煤与瓦斯突出时,煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸,为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性,以晋城矿区无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附-解吸试验装置,进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验,分析了逐...     

考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状

针对考虑流固耦合的瓦斯运移问题,本文基于对前人研究的分析,总结了关于含瓦斯煤体的有效应力原理及瓦斯运移机理的研究成果。指出了研究中存在的主要问题,得出了以下结论:1关于煤与瓦斯的有效应力原理,亟需给出吸附膨胀应力及孔隙压力的分担比例;2关于瓦斯在煤体中的运移机理,应考虑如何在瓦斯的运移过程中彻底地区分扩散和渗透过程。     

低渗透突出煤破坏过程中瓦斯运移规律研究

利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟实验装置,结合数值模型的建立,基于实验和数值模拟的基础上,分析研究了低渗透性突出煤层在煤与瓦斯突出过程中瓦斯的运移规律,研究结果表明:低渗透性突出煤层在受地应力或移动支承压力的反复作用下,煤体渗透性增加,吸附态瓦斯解吸,内部瓦斯压力升高,并呈初期增长速率较快,之后逐渐变小,最后变缓的趋势;同时,游离态瓦斯向气体压力低的采掘空间方向运移,当大量的游离瓦斯不能及时扩散、运移到外界,导致煤体内部瓦斯压力持续升高并积聚到一定程度时,就会与地应力共同作用而造成煤与瓦斯的突出,因此,降低游离瓦斯压力是低渗透性突出煤层防突技术的关键。     

注水对煤层吸附瓦斯解吸影响的试验研究

水力化措施在煤矿开采中广泛应用,为了研究注水对煤层瓦斯解吸的影响,采用高压吸附-注水-解吸测试装置对不同吸附平衡压力和水分条件下煤对瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量及总瓦斯解吸量进行了测试计算。结果表明:注水过程中及注水一段时间内煤样罐瓦斯压力呈现出继续增高的趋势,说明注入的水置换出了煤体吸附的瓦斯,且水分越高,置换解吸量越大,测试的最大置换量可达11.88 mL/g;卸压后,注水煤样的瓦斯解吸量减小,且水分越大,瓦斯解吸量降幅越大,降幅最大值可达68.29%;注水后煤的总解吸量增大,说明注水对试验煤样的瓦斯解吸起促进作用。     

基于热力学解吸阈值的煤与瓦斯突出研究北大核心

从热力学角度诠释煤的解吸过程,根据实测高阶构造煤和原生煤的系列等温吸附数据回归求得温度-压力-吸附方程(TPAE)的4个待定参数,将TPAE变形成类似克劳修斯-克拉佩龙方程的不定积分式,并求得等量吸附焓;将坚固性系数与解吸阈值的乘积定义为突出阈值(OT),并用于比较几种煤之间发生煤与瓦斯突出的难易程度。结果显示:吸附是可以自发进行的放热过程,解吸是不能自发进行的吸热过程;解吸所需的能量相当于让解吸阈值(DT);构造煤发生煤与瓦斯突出的可能性是原生煤的8.1倍;构造煤的解吸速率随单位时间的延长而非线性下降;外来输入的能量越大,解吸速率衰减得越快;爆破产生很大的能量,已远超突出阈值,更加容易诱发煤与瓦斯突出。     

基于煤中甲烷赋存和运移特性的新孔隙分类方法

煤中复杂的多尺度孔隙结构是瓦斯赋存的空间和运移的通道，厘清甲烷在不同孔隙中的赋存和运移特性对煤层瓦斯的抽采利用以及灾害防治具有重要意义。在过去的几十年中，学者们对煤中复杂孔隙结构进行了大量的研究与分类。随着孔隙测试技术的发展，以及对煤中甲烷赋存和运移特性的进一步认识，发现现有的煤孔隙分类方法存在不足。因此，对以往的孔隙分类方法进行全面回顾，并基于最新的煤中甲烷赋存和运移特性的研究成果，提出了一种新的针对煤和甲烷系统的孔隙分类方法。将煤中孔隙结构划分为不可达孔(<0.38 nm)、填充孔(0.38～1.50 nm,吸附相扩散)、扩散孔(1.50～100 nm,游离相扩散)和渗流孔(>100 nm)4类，且煤中不同孔隙(填充孔、扩散孔和渗流孔)形成顺序串联，相同孔隙形成相互并联为主的连接模式。煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附于填充孔中，填充孔中的吸附态甲烷作为煤层瓦斯运移的源头，以吸附相扩散的形式为扩散孔中的游离相扩散提供源源不断的甲烷分子，而扩散孔中运移的甲烷也汇总至渗流孔并不断渗流到抽采钻孔或煤壁表面。新的煤孔隙分类方法总结了甲烷分子在不同尺寸孔隙结构中的赋存形式(微孔填充吸...