不同温压条件下煤瓦斯吸附特性的试验研究

为研究温度、压力对煤吸附瓦斯性能的影响,进行了不同温度下煤的瓦斯等温吸附试验。试验测试出煤样在35℃、50℃、65℃、80℃、105℃下的等温吸附线。研究表明:随着温度的升高,同一压力下煤样的吸附量减小,温度越高,吸附量减小趋势越明显;温度相同时,煤样的吸附量随着压力的增大而增大;在某一温度区间内,随着温度的升高,煤样的吸附常数a、b值线性递减。     

不同温度条件下煤对瓦斯的等温吸附实验研究

 为探索Langmuir方程吸附常数与温度之间的变化规律,利用HCA型高压容量法吸附装置,针对重庆能源投资集团松藻煤电公司8#煤层煤样,分别在温度为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃条件下进行了煤对瓦斯的等温吸附实验。结果表明,当温度一定时,吸附量随瓦斯压力的升高逐渐增加并趋于一稳定值;压力一定时,随着温度的升高,煤的瓦斯吸附量呈下降趋势;而且,随着温度的升高,吸附常数a值有逐渐降低趋势,而b值明显呈线性关系显著下降;吸附常数a、b与温度T的分别符合二次函数和线性方程关系。     

低温下温度对无烟煤瓦斯吸附能力的影响

井下直接测定煤层瓦斯含量时,常出现煤样温度过高、瓦斯放散量过多导致损失量的推算不准确,使煤层瓦斯含量的测值出现偏差。基于0℃以上的常温时煤对瓦斯的吸附能力随温度降低而增强的性质,提出冷冻取煤样方法,减少吸附瓦斯的损失量,使瓦斯含量的测值更准确。通过实验探究了低温下温度对煤的瓦斯吸附能力的影响,从理论上证明该方法可行。     

降温促进煤体对瓦斯吸附效应的试验研究

为了减少煤样取心过程瓦斯漏失量和准确测定煤层瓦斯含量,提出了煤样冷冻取心技术,并开展了环境温度对煤体瓦斯吸附特性的影响研究。采用自制温控吸附装置,在20、-10、-20、-30℃条件下,对不同变质程度的无烟煤、贫煤、气肥煤的瓦斯等温吸附特性进行测试,分析环境温度对煤体瓦斯吸附特性影响,研究煤体降温对促进瓦斯吸附的影响规律。研究结果表明:煤体瓦斯饱和吸附量随温度降低线性增大,且随单位温度降低,气肥煤、贫煤和无烟煤饱和吸附量分别增大0.130、0.148、0.189 cm3/g。同时环境温度降低,随之瓦斯吸附平衡压力增大,煤体瓦斯吸附增量百分比先速减,而后缓减直至趋于稳定。降温促进了煤体对瓦斯的吸附,且环境温度越低,煤体对瓦斯的促吸效果越明显。同一吸附平衡压力下,降低单位温度瓦斯吸附增量百分比仅与煤的性质有关,与其温度环境无关。     

低温对煤中瓦斯放散的抑制作用

针对煤矿井下瓦斯含量测定中煤样温度过高、瓦斯放散量过多导致损失量推算出现偏差,使煤层瓦斯含量测值不准确的问题,基于煤的瓦斯放散速度随温度升高而增加的性质,提出了低温(0℃以下)取煤样的方法,以期通过抑制瓦斯的放散来提高瓦斯含量测值的准确性。结合实验室现有条件,设计了低温条件下煤的吸附/解吸实验。结果表明,低温取样可以增加煤对瓦斯的吸附性能,减慢瓦斯放散速度,尤其是对解吸初期影响较大,低温对煤中的瓦斯放散具有抑制作用。     

煤对瓦斯吸附特征研究

通过分析煤对瓦斯的吸附作用,指出温度和瓦斯压力对煤体的吸附量影响显著,瓦斯压力越大,温度越低,吸附量越大。吸附温度对吸附常数a,b都有显著影响a,随温度的升高而降低。煤体放散瓦斯的速度符合文特式和孙重旭式,在初期,瓦斯放散的速度极快,并迅速衰减,决定突出强度。     

真实取心过程中煤心瓦斯扩散规律模拟测试

为揭示取心过程中取心管管壁与煤层摩擦引起的温度变化,研究真实取心过程煤心瓦斯扩散规律,进行了取心管取心过程管壁温度现场测试和不同条件下取心管取心过程瓦斯扩散规律模拟测试。结果表明:取心过程温度变化主要分为缓慢升温阶段、快速升温阶段和缓慢降温阶段。取心管煤心瓦斯扩散规律模拟测试共设置3组模拟试验:同一煤心瓦斯压力下,恒定环境温度中煤心瓦斯解吸量小于取心管取心过程中解吸量;在同一煤心瓦斯压力和管壁升温速率条件下,取心深度越大,煤心瓦斯解吸量越大,不同取心深度的煤心瓦斯累计解吸量区别较小影响瓦斯损失量的主要因素是时间;在同一煤心瓦斯压力和取心深度条件下,煤心瓦斯解吸量随管壁升温速率的升高而增大。在进行煤层瓦斯含量现场测定时,应尽可能降低煤心温度、减小取心时间,从而抑制瓦斯含量的损失,提高瓦斯含量测定的准确性。     

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。     

深部煤层赋存环境温度及对瓦斯吸附影响微观机制

为探究深部煤层赋存环境温度变化及对瓦斯吸附的影响,在研究地温变化规律的基础上,预测了深部煤层赋存环境温度,通过高压容量法测试了5组不同温度下吸附常数,从理论上分析了温度对分子热运动的作用效应,利用Materials Studio软件模拟了5组不同温度下的平均吸附热绝对值。研究结果表明：随着埋藏深度的增加,煤层赋存环境温度呈线性升高;随着温度的升高,吸附常数a呈线性减小,吸附常数b呈现出阶段性变化,在30℃～120℃变化较小,高于120℃后迅速增大;环境温度升高,分子热运动加剧,增加了甲烷分子的脱附速度;平均瓦斯吸附热的绝对值随着温度的升高线性增大,增加了瓦斯吸附难度,降低了瓦斯吸附量。     

高温高压下瓦斯在煤体内表面吸附力变化研究

采用实验的方法研究了3种煤样在高温高压条件下瓦斯在煤体内表面的吸附规律。通过研究发现:在高温高压作用下,瓦斯的吸附过程仍可以用朗格缪尔模型准确描述,同等压力条件下,所有煤样的瓦斯吸附能力随温度升高而明显下降。瓦斯饱和吸附量总体上都随着温度的升高而降低,变质程度高的煤样的朗格缪尔吸附压力随着温度的升高其下降速率较另2个煤样更快。此外瓦斯在不同温度条件下的饱和吸附量随固定碳含量增加而增加,在25、40、80℃时,饱和吸附量随挥发分含量增高而降低,但是在120℃时,先降低后增加。     

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。     

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。     

温度对煤体瓦斯吸附量影响规律的试验研究

为了研究恒压条件下,随着温度的升高煤吸附的瓦斯量以及吸附速率的变化情况,选取粒度为60~80目的安泽矿煤样,依次测试出煤样在压力0.6 MPa,温度为35、50、65、80、105℃条件下的等温吸附线,以及吸附量与时间的关系曲线。研究表明:随着温度的升高,煤吸附的瓦斯量下降,温度越高,这种趋势越明显;随着时间的增加,各温度下的吸附速率逐渐减小。当吸附进行至200 min时,各温度下的吸附速率已低于0.005 cm~3/(g·min),而后吸附速率缓慢下降;在吸附过程中,温度越高,同一时间点下的吸附速率越小。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

在交变电场声场作用下煤解吸吸附瓦斯特性分析

在交变电场、声场作用下对煤解吸、吸附瓦斯特性进行了实验研究。得出在交变电场作用下，煤样吸附甲烷的量能很好地遵从Langmuir方程。随交变电场电压增大，吸附常数a变化不大，而吸附常数b却逐渐减小。交变电场的作用减弱了煤的吸附能力和解吸能力，减缓了含甲烷煤的解吸过程。声场的作用使煤的吸附量明显减少，吸附能力降低，且煤的瓦斯吸附量随声强增大而减小。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

构造煤与原生结构煤吸附放散特征研究

本文研究了5对矿井的两种煤样的吸附与放散特性。吸附实验发现构造煤与原生结构煤相比吸附量有所增加,但增加幅度不大,且这种变化的幅度随着变质程度降低而逐渐变大。构造煤煤样的Langmuir吸附常数"a"值均比原生结构煤较大,变化幅度约为1%~4%,而"b"值却没有明显的变化规律。对比原生结构煤与构造煤的煤体表面吸附自由能估算结果得知大部分构造煤样的比表面自由能有所提高,吸附的表面活性增大。瓦斯放散实验发现,构造煤的瓦斯放散初速度变化相对较大,除麒麟矿外,变化幅度在14%~25%之间。这说明构造煤具有更强的放散瓦斯能力。在长期的地质应力作用下,构造煤煤体更加破碎,不仅吸附能力得到了一定的提高,瓦斯能更加顺利的放散。这也是地质构造带具有更大的瓦斯突出危险性的一个原因。     

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。     

构造煤纳米级孔隙与瓦斯吸附能力关系研究

采用低温液氮实验对研究构造煤的纳米级孔隙结构特征,并利用等温吸附实验解释构造煤纳米孔隙与瓦斯吸附能力的关系。研究结果表明:3种煤样不同孔径孔容和比表面积都有所增加,约在50 nm孔径出现峰值,得出纳米孔隙是煤对瓦斯吸附强度的决定因素。相对于原煤,构造煤吸附瓦斯量略有增加,相对于同层共生原煤,构造煤吸附能力的变化主要取决于纳米级孔隙的变化,其纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素。     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.