煤在温度和压力综合影响下的吸附性能及气含量预测

通过对有代表性煤样的副样进行不同温度等吸附试验,在进行等温吸附实验前对煤样进行平衡水分处理,使煤样的水分含量接近原地煤的水分含量,研究发现,在等压条件下,煤吸附甲烷量随着温度的增加呈线性减少,相同温度,不同压力,不同煤样吸附量的减少量不相同,在温度和压力综合作用下,在较低温度和压力区,压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响,随着温度和压力的增加煤吸附甲烷量增大;在较高温度和压力区,温度对煤吸附能力的影响大于压力的影响,煤吸附甲烷量减少;煤变质不同,吸附量增大到吸附量减少的转折点不相同,建立了接近原地煤层气储集条件（包括温度、压力、水分,灰分,煤变质）综合影响下煤层气含量预测方法,该方法已被全国煤层气资源量计算应用。     

温度对煤吸附甲烷的影响研究进展

我国煤层气资源丰富,但是在煤炭开采过程中大量低浓度煤层气的排空,致使其综合利用率偏低。煤对甲烷的吸附受多种因素制约,其中温度对其影响争议较大,主要原因在于对温度的影响认识不清,尤其是温度压力综合效应以及低温状态下(T0℃)的影响。文章根据不同温度下甲烷的吸附特征,综合论述了温度对煤吸附甲烷的解吸特征、吸附热、孔隙扩散和吸附理论模型等方面的影响规律,温度的研究范围主要集中在10~80℃,对于低温条件下的吸附特征,文献中鲜有报导。为更进一步认识温度的影响规律,有必要扩展温度的研究范围,探索低温条件下甲烷的吸附特性,为现有煤层气浓缩技术提供新的研究思路。     

煤岩显微组成对甲烷吸附能力的影响研究

为分析煤岩显微组分对甲烷吸附作用的影响,对我国柴达木、鄂尔多斯和沁水等盆地的11个煤田49个煤样的煤质、煤岩显微组分和甲烷等温吸附关系进行了系统试验。结果表明：低、中煤阶煤的甲烷吸附能力随镜质组含量的增加而增加,而高煤阶煤的吸附能力则随之增加而降低。惰质组含量对煤吸附甲烷能力的影响较大,高煤阶煤的甲烷吸附能力随惰质组含量的增加而增加,而低、中煤阶煤的甲烷吸附能力则随之增加呈先增加后降低的趋势。低、中煤阶煤中的丝质体含量越低、半丝质体含量越高,煤的吸附能力越强。低煤阶煤吸附甲烷的能力与壳质组呈负相关关系。     

煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究

为研究煤体灰分、挥发分对煤吸附甲烷性能的影响,运用高容量吸附装置测定同一煤矿不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线和吸附常数a、b值,并运用SPSS多元线性回归软件进行分析。实验结果表明:不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且二者对于煤吸附甲烷性能均有一定的影响。煤灰分不变时,吸附常数a值随挥发分的增大而线性递增,吸附常数b值随挥发分的增大而线性递减;煤挥发分不变时,a值随灰分的增大而线性递增,b值随灰分的增大而线性递减。研究结果为准确测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等参数提供了一定的理论依据。     

煤中水分对煤吸附甲烷量的影响

借助新型容量法高压吸附装置,对不同煤种6个原煤进行了测定。通过对3个煤种各种水分含量煤样吸附等温线的实测,得出了考虑煤挥发分影响的新的水分对甲烷吸附量影响的经验公式。与国内外现用经验式相比,新经验式考虑了煤种的影响,实践证明较现用经验式更为适用。     

关于煤甲烷吸附体系吸附规律的试验研究

该文依据气体吸附与凝聚的基本理论,通过实验探讨了常温下甲烷吸附体系对各种等温方程的适用性,分析了用朗格缪尔方程描述对甲烷吸附规律的不足,指出常温下煤对甲烷的吸附应是单层的。     

新疆低煤阶煤层吸附能力对煤层气开发影响因素分析

煤的吸附特征是评价煤储层储集特征、煤层气解吸、扩散和渗流的基础,吸附-解吸性能对煤储层含气性和煤层气井的产能具有重大影响,是评价煤储层开发潜力的重要参数。通过采集样品采用等温吸附实验获取煤储层吸附参数,评价新疆主要煤田煤层的吸附特征,发现新疆煤层以低煤阶为主,低煤阶煤储层储气能力较好,且易于解吸,有利于煤层气的开发,煤层气开发潜力好,希望对新疆低煤阶煤层气开发具有指导意义。     

基于不同温压条件等温吸附实验的低煤级储层吸附气含量估算方法

为系统分析低煤级煤储层原位吸附气含量,收集了8个样品在25℃和45℃平衡水条件下的等温吸附资料,开展了2个低煤级煤样平衡水条件下等温吸附实验,提出了基于不同温压等温吸附实验的低煤级储层原位吸附气含量预测方法。结果显示:低煤级煤吸附气含量随温度增大而减小,甲烷吸附递减量随压力增加呈指数变化而非线性变化,基于预测方法对海拉尔盆地4煤样和准噶尔盆地南缘阜康矿区F1井钻遇层位原位条件下的吸附气含量进行了估算,结果显示低煤级储层吸附气含量随埋深增加而增加,但增加趋势不明显,与中-高煤级储层吸附气含量随埋深增大变化趋势不同,同时预测结果为F1井实测含气量所验证。本论文成果有助于低煤级储层煤层气的勘探与开发。     

水分对CH4和CO2在煤中竞争吸附特性影响研究

为研究水分对CH₄和CO₂及混合气体在煤中竞争吸附的影响,通过自主研发的含瓦斯煤多元气体竞争吸附试验系统进行不同含水率煤对CH₄和CO₂单组分吸附研究,试验结果表明：水分并没有改变CH₄和CO₂等温吸附曲线的基本规律,在相同条件下,水分也未影响煤对单组分气体吸附能力的排序,始终是煤对CO₂的吸附能力大于对CH₄的吸附能力。相同条件下,水分对CH₄的抑制率大于CO₂吸附量抑制率,说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行水对混合气体的竞争吸附影响研究试验,发现：当注入煤体的气体比例保持不变时,在同一吸附平衡压力下,混合气体的吸附总量随着水分含量的升高而降低,并且吸附平衡后的CH₄吸附量和CO₂吸附量都随着煤体中水分含量的增大而减小;而当含水率不变时,同一注气比例下的气体吸附平衡压力越大,吸附平衡后的CH₄吸附量和CO₂吸附量越大。游离相中的CO₂的体积分数始终低于气源,而CH₄体积分数始终高于气源。不同条件下CO₂/CH₄选择系数的数值均大于1,范围处在4.8～5.4,煤对CO₂的吸附亲和能力大于CH₄。相同组分混合气体吸附条件下,CO₂/CH₄选择系数均随着试验煤样含水率变大而降低。该研究进一步完善影响煤对气体吸附的因素的理论分析,以及为工程实践为井下注气促抽瓦斯技术提供理论依据。     

中煤级煤Micro-Raman结构对甲烷吸附的响应

煤与甲烷、二氧化碳等流体作用后的体积膨胀及其机制一直是煤层气地质学和煤与瓦斯突 出防治研究中的重要课题之一。 以往的研究主要集中在宏观吸附膨胀及变形,并从力学的角度解 释其膨胀机制。 实际上,煤作为由大分子构成的分子体系,与甲烷、二氧化碳的相互作用是一种分 子现象,其膨胀变形的本质应该是分子体系发生了变化,因此揭示煤大分子结构对煤体吸附膨胀的 响应特征是认识其机制的基础。 应用显微-拉曼光谱法对吸附甲烷前后的 8 个中煤级煤样( 镜质 组最大反射率 Ro =1.08%~1.80%)进行了结构表征,并运用 origin 8.5 软件对煤样吸附甲烷前后的 拉曼光谱曲线进行了分峰拟合,在此基础上计算了煤样吸附前后的拉曼光谱结构参数。 结果表明: 原煤和吸附煤的 G 峰与 D 峰的峰位差 d(G-D)随着煤级的增加有增大趋势,G 峰半峰宽 (FWHM-G)呈减小趋势,表明在反射率 1.08%~1.80%阶段,煤结构有序度和微晶尺寸随煤级增加 而逐渐增加;大芳香环(≥6)的相对含量(AD /AG)出现先增加后减小的趋势,这是以较大芳香环的 生成为主转为向石墨结构生成为主的结果;随着煤级增加,原煤的大芳香环结构中“杂质”(AS /AD) 及氢化芳环上的 C—C 的含量( AS / Atotal ) 均有减小的趋势,反映出煤结构中 sp2 -sp3 杂化烷基碳或氢 化芳环逐渐减少,有序度逐渐增加;当 Ro >1.3%时,吸附煤相对原煤的 d(G-D)及 AD / AG 减少,小芳 香环相对含量(AGR+VR+VL /AD),AS /AD,AS /Atotal和 FWHM-G 增加,表明甲烷吸附变形引起环数较大 的芳香环和微晶结构破裂形成较小的芳香环。 这一结果对于认识煤大分子结构与甲烷的相互作用 机制提供了理论依据。     

煤中甲烷等温吸附模型的研究

利用SPSS软件对Langmuir,Freundlich,Langrnuir-Freundlich,Toth,扩展Langmuir,BET,D—R,D—A等8个模型以及3个曲线回归方程对晋城和潞安二煤CH4吸附实验数据进行拟合,并分别检验了实验数据的拟合程度．结果表明：这些模型和方程对煤吸附CH4实验数据都拟合较好,模型或方程的参数越多拟合程度越高;Langmuir模型对煤吸附CH4等温线拟合程度并不很高,D—A提供了最好的拟合;3参数BET模型中的超临界饱和蒸气压可用经验公式估算．     

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。     

煤对甲烷吸附性能影响因素的实验研究

系统总结了实验室研究煤吸附性能的流程,对实验煤样的采集及煤样工业分析的原理作了较为详细的论述,并对试验煤样进行了工业分析,得出煤样的特征参数.在此基础上,采用WY-98B型吸附常数测定仪,通过多组实验研究了粒径及温度对煤体吸附甲烷的影响,根据实验结果提出了粒径和温度对煤体吸附性能的影响规律.这既是对前人理论研究的验证,同时又为现场实践提供一定的依据.     

煤的发热量与灰分、水分关系探讨

以实际经验与统计资料为基础，分析探讨了煤的发热量与灰分水分的相关关系，并提出与以前个别著述的不同见解，观点新颖，根据现实情况提出了存在这种关系的理论依据，以供探讨。     

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。     

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。     

延迟突出煤吸附甲烷特性的研究

采用容量法对延迟突出煤吸附甲烷的特性进行了研究,结果表明：吸附常数ａ较大且ｂ较小时,易发生延迟突出;延迟突出煤的吸附／解吸动力学过程遵从吸附／解吸－扩散控制模型等,延迟突出煤样的放散能力较弱,导致了煤瓦斯突出的延迟。     

煤吸附甲烷的影响因素敏感性正交试验

为研究煤体吸附甲烷的影响因素敏感性特征,选取温度、含水率、煤粒度、挥发分为煤吸附甲烷的影响因素,按照正交设计原理选取有代表性的试验点进行甲烷吸附试验,采用极差分析法进行因素敏感性分析,结果表明:Langmuir吸附常数a对各影响因素的敏感性大小次序为挥发分温度煤粒度含水率;Langmuir吸附常数b对各影响因素的敏感性大小次序为挥发分含水率温度煤粒度;对于同煤阶煤体,各影响因素中,温度对Langmuir吸附常数a起主要控制作用,而吸附常数a表征煤体对甲烷的极限吸附量,因此,井下采煤过程中,温度、含水率等多因素变化时,首要实时监测温度变化,以防止温度突然变化诱发瓦斯大量解吸,引发瓦斯超限甚至是煤与瓦斯突出事故。