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。     

中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构及其对甲烷吸附能力的影响

通过镜质组反射率测试、显微组分测定、液氮吸附和等温吸附实验等,对河南中北部典型矿区6种中-高煤阶构造变形煤纳米级孔隙结构和吸附特征进行了研究。结果表明:中-高煤阶构造变形煤纳米级孔体积主要以过渡孔(10~100 nm)为主,而比表面积由微孔(1.5~10 nm)控制。纳米级孔体积、比表面积和过渡孔孔容从脆性变形碎裂煤、碎粒煤到韧性变形糜棱煤逐渐增大;中-高煤阶构造变形煤Langmuir体积与纳米级孔体积和比表面积之间呈线性正相关;过渡孔和微孔的分布关系对煤层气解吸特征产生重要影响,且过渡孔体积越大,甲烷解吸越容易。     

纳米压裂液对煤孔隙结构影响实验研究

为研究纳米压裂液对煤孔隙结构影响。以低中高阶煤样为研究对象,制备普通清洁压裂液和不同浓度纳米压裂液,对普通清洁压裂液和不同浓度纳米压裂液处理后煤样开展低温液氮吸附实验。结果表明：纳米压裂液处理后煤孔隙形态发生变化,孔隙连通性变差;不同浓度纳米压裂液处理后煤样小孔面积和孔体积明显增大。分形维数拟合结果表明：处理后3种煤阶煤样的孔隙结构由复杂变为简单;低阶煤处理后煤体表面变得粗糙,中阶和高阶煤处理后煤体表面变得光滑。以上研究结果揭示了纳米压裂液对煤孔隙结构影响的微观机理,对纳米压裂液煤储层的损害研究和低损伤纳米压裂液研制具有指导意义。     

韩城矿区构造煤瓦斯吸附性能试验研究

利用自主研制的煤样瓦斯吸附解吸装置,在恒温、相同初始压力条件下,对比研究了韩城矿区的块状原生结构煤和构造煤的瓦斯吸附规律,分析了其影响因素。试验结果显示:在平衡状态下,糜棱煤、碎裂煤和鳞片煤的单位质量瓦斯吸附量分别为原生结构煤的2.11、2.26、2.52倍。所有煤样的瓦斯吸附速率随时间的变化规律均呈单调递减的曲线形式,在吸附的初始阶段,构造煤的瓦斯吸附速率更快,尤其是在0~2 min时间段内这种差异最明显。构造煤在更短时间内达到吸附平衡,吸附效率更高。良好的致密性和原生裂隙不发育的特点决定了原生结构煤较强的瓦斯"封存"能力。良好的孔隙和后生裂隙的发育决定了构造煤在吸附性能方面要优于原生结构煤,而不同级别的孔隙发育比例和裂隙结构连通的差异性则是构造煤吸附性能差别的主因素。     

构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释

采用恒温煤粒瓦斯放散试验方法,研究了构造煤和原生煤瓦斯放散过程的差异性,结果表明构造煤在瓦斯放散初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.15~4.06倍,构造煤趋近极限瓦斯解吸量所需时间不足原生煤所需时间的25%,原生煤的极限瓦斯解吸量略高于构造煤,构造煤与原生煤对典型瓦斯放散数学表达式的适用性存在很大不同。为解释试验结果,采用压汞法和低温氮吸附法对煤的孔隙结构进行测试,分析得到中孔及大孔分布是导致构造煤和原生煤瓦斯放散特征差异的主要因素,大分子结构等其他因素对瓦斯放散特征的影响有待于进一步研究。     

基于氮气吸附-扫描电镜的构造煤孔隙特征研究

煤的孔隙结构特征与瓦斯的吸附和运移密切相关,构造煤的孔隙结构特征由于受到构造应力的破坏而趋于复杂,因此开展构造煤孔隙发育的研究是提升瓦斯治理水平的重要方向。以西山煤田南部东于煤矿三组构造煤和一组原生煤为研究对象,采取低温液氮吸附法和扫描电子显微镜(SEM),联合观测构造煤与原生煤的孔隙特征。研究表明：三组构造煤的氮气吸附量为原生煤的2.04倍、1.49倍和2.90倍,三组构造煤的孔容为原生煤的2.08倍、1.53倍和2.96倍;三组构造煤的孔容大部分由微孔和小孔提供均达到69.71%以上,孔比表面积大部分由微孔提供均达到了79.04%以上;原生煤的孔容大部分由微孔和小孔提供达到了89.38%,孔比表面积微孔占比93.97%;三组构造煤的孔隙结构相比原生煤更加复杂,具有更大的分形维数(2.6985～2.7106);三组构造煤(10000倍)表面分形维数分别为1.962、1.979、1.947均大于原生煤1.945,构造煤与原生煤相比有更为发育的孔隙特征;分形维数D₁与总孔比表面积、微孔比表面积成正比;挥发分含量在一定范围内与总孔比表面积、微孔比表面积、小孔比表面积成...     

原生煤与构造煤孔隙结构的压力响应特征

为模拟原生煤和构造煤在煤层中的加压和解吸后的性能,实验选取原生煤赵庄3#原生煤和阳泉二矿8#煤构造煤,利用BSD-PH全自动高压气体吸附分析仪进行甲烷气体逐梯次加压到10 MPa,然后开始解吸甲烷气体到大气压,再抽真空处理。处理后的样品,利用Tristar II比表面仪进行低温氮实验研究煤孔隙结构。结果表明：（1）原生煤和构造煤在加压后,均发生孔隙结构变化,原生煤比构造煤的抗压能力强。（2）加压后,原生煤和构造煤最可几孔径均有往后移动的趋势,表明压力会影响孔径大小。（3）原生煤吸附性能较好,构造煤吸附性能稍次,甲烷解吸后,原生煤孔隙结构影响较小,构造煤孔隙结构易受到破坏。研究成果可为构造煤层气开采及煤矿瓦斯突出防控提供一定的依据。     

基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响

采集淮南煤田3个不同矿区13-1煤层、焦作矿区中马村煤矿二1煤层不同分层的不同煤体结构煤样进行低温液氮吸附试验,分析研究了不同煤体结构构造煤的孔隙特征。由此将构造煤的低温液氮回线划分为H1、H2、H3三类,构造煤的孔隙划分为4类：两端开口的孔,一端开口的孔,墨水瓶形孔和狭缝形孔。碎裂煤中主要为一端开口的圆筒形孔和两端开口的圆筒形孔;碎粒煤和糜棱煤则主要包含狭缝形平板孔、墨水瓶形孔和一端开口的圆筒形孔。研究表明：构造煤对气体的吸附一般发生在孔径3.3 nm左右的孔隙;随煤体破坏强度增大,比表面积和孔体积的分形维数均在增大。综合孔隙特征研究结果,对糜棱煤、碎粒煤煤层分布发育地区容易引发瓦斯突出的机制进行了探讨。     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

为探究向斜构造中煤体孔隙结构发育规律,以长城三矿1311S工作面向斜构造为研究对象,从向斜构造区域不同位置选取煤样,通过低温氮气吸附实验,对煤体孔隙结构特征进行分析。结果表明,向斜构造区域内煤体孔隙结构呈现规律性分布,比表面积与总孔体积从轴部向两翼逐渐减小,平均孔直径则逐渐增大;最可几孔径均分布在2 nm左右,向斜轴部最可几孔径小于两翼;通过对比分析分形维数得出,随着两翼距离向斜轴部越近,分形维数数值呈现线性增大趋势。通过对同一向斜不同位置煤体的孔隙结构特征进行分析,总结出向斜构造中煤体孔隙结构发育规律。

     

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。     

西南地区构造煤吸附解吸特性研究

在系统采集西南地区典型矿井构造煤样的基础上,通过等温吸附解吸实验,探讨了不同变质变形条件下构造煤瓦斯特性。中高变质作用阶段,变质程度对瓦斯吸附的影响作用大于变形强度,无论变形强弱,低变质煤的吸附量均低于中高变质煤;在低阶煤阶段,影响甲烷吸附量的主控因素则为构造煤变形强度。解吸较好的样品主要为高变质或高变形构造煤,瓦斯解吸量和解吸应力敏感性符合文特式。瓦斯解吸初期应力敏感性强弱为:高变质弱变形煤中变质煤及高变质强变形煤低变质煤。     

煤阶对煤吸附能力影响的微观机理研究

本文利用量子化学计算方法计算了单个苯环、以及分别添加了羧基、醛基、羟基、甲基和亚甲基后的煤结构单元与甲烷分子的吸附作用能。通过计算,发现煤中含氧官能团会降低煤结构与甲烷的吸附作用,从而降低了煤对甲烷的吸附能力;而煤中脂肪侧链则会增大煤结构与甲烷的吸附作用,从而提高了煤对甲烷的吸附能力。利用煤结构化学、煤吸附理论知识以及本次量子化学计算结果,综合分析了煤吸附甲烷的langmuir体积随煤阶的变化规律,并从微观的角度很好的解释了煤吸附能力（langmuir体积）随煤阶的增加而变化的实验现象。     

王庄煤矿不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附性能的研究

为研究不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附的影响,以山西沁水煤田王庄煤矿3号煤层为工程背景,测试了4种不同破坏类型煤样的瓦斯吸附性能;采用低温液氮吸附法分析了不同破坏类型煤样的孔隙结构特征,通过FHH公式计算了煤体孔隙分形维数,并针对不同变形破坏程度煤的结构差异性进行了对比分析。结果表明:不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著,煤样的Langmuir体积VL从24.34cm~3/g增加到36.16cm~3/g,煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附;不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著,煤样中值孔径变化范围为13.54~28.37nm,总比表面积在0.389~0.965m~2/g之间变化,分形维数值在2.389~2.682之间变化;总体来看,随煤体破坏程度的增加,煤孔径减小,孔比表面积增加,孔隙结构趋于复杂化,煤体拥有更强的吸附能力。     

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。     

构造煤瓦斯解吸特征及对煤与瓦斯突出的影响

通过改进的煤样瓦斯解吸装置,精确测定了不同平衡压力下构造煤与原生煤的恒温瓦斯解吸量与解吸速度数据,分析了构造煤的瓦斯解吸特征。实验结果表明:构造煤的瓦斯解吸量具有明显的分段特征,其初期瓦斯解吸量更大,第1 min内瓦斯解吸量可达120 min总解吸量的31.55%～38.07%,远高于同条件原生煤的10.94%～14.24%;构造煤的初始解吸速度可达10.11～15.75 mL/(g·min),是同条件下原生煤的的1.72～2.32倍,构造煤的初期解吸特征主要由第1 min内的解吸特性控制。通过现场数据分析了钻屑瓦斯解吸指标K_1随构造煤平均厚度变化情况,两者呈线性关系且显著正相关,说明在构造煤发育区域煤与瓦斯突出危险性显著增加。     

直流电场作用对煤瓦斯吸附性影响试验研究

采用直流电场作为物理场,研制了一种直流电场作用煤瓦斯吸附性试验装置,在该装置上对煤瓦斯的吸附性进行了试验研究,并进一步分析了电场作用对煤瓦斯饱和吸附量和吸附常数等吸附性质的影响。试验结果表明:直流电场作用能够降低煤对瓦斯的吸附性,对煤吸附瓦斯的吸附等温线有影响,且电压作用对煤瓦斯吸附量的影响大于频率对其的影响;直流电场作用下煤对瓦斯吸附的饱和吸附量和吸附常数减小,随着电压或频率的增加,煤对瓦斯的饱和吸附量呈线性规律减小,吸附常数呈指数规律减小。     

温度对煤的瓦斯吸附常数影响实验研究

采用HCA-1型高压容量法瓦斯吸附装置,对煤样进行了不同温度下的吸附瓦斯等温线测试,研究了温度对煤的瓦斯吸附常数的影响,并结合物理化学方法,建立了煤的瓦斯吸附常数随温度变化的函数关系。在进行深部矿井瓦斯抽采工程设计中,该研究成果可为煤层气资源评价提供科学依据和理论指导。