基于插值计算和红外观测的煤样吸附/解吸实验研究

基于红外热成像技术,对煤同一平面上的不同区域进行了吸附/解吸过程的红外观察,并对相关数据进行了插值计算和分析。研究表明:贫煤比无烟煤有较快的升温速率和较大的升温量。吸附过程符合指数函数关系,解吸过程符合对数函数关系;大尺度下,煤样表面的不同区域在吸附过程中升温量不同。升温量大的区域,其吸附瓦斯的量也相对较多;提出了"相关系数"ξ的概念,即:ξ=V_b/T_b,将吸附量V_b与温度变化量T_b进行关联,可以以此来评估某地区煤层气工业抽采的可行性。     

煤吸附瓦斯细观特性研究

为研究甲烷吸附孔隙压力对煤膨胀变形的影响,实验应用μCT225kVFCB型高精度显微CT实验系统,对直径为5 mm的细观煤样进行了不同孔隙压力下的吸附瓦斯扫描实验,并通过对其孔隙率与膨胀变形量的观测与分析得到了煤吸附瓦斯细观特性。研究发现：在细观实验中煤样吸附瓦斯会导致煤体孔隙率下降,并发生体积膨胀变形;体积膨胀变形规律符合朗格缪尔方程,且煤样不同位置的孔隙率与体积变化均具有非均匀性。研究结果表明：在吸附瓦斯过程中,煤体骨架体积膨胀会导致煤体孔隙体积减小与外观体积膨胀,且煤体骨架膨胀变形时更倾向于通过挤压煤体原始孔隙来获得膨胀空间。     

煤吸附甲烷结构变形的多尺度特征

通过扫描电镜对细观无烟煤样表面结构进行观测,研究了由结构镜质体与细观裂隙引起的煤体细观结构多尺度非均质特征;对比煤样表面CT扫描测试与分析结果,证实了不同尺度下煤体细观结构非均质特征与密度非均匀分布的一致性,即,在较小尺度下,由于煤中结构镜质体与细观裂隙结构的多样性,煤的细观结构和密度分布非均匀性很强,随着尺度的增大,煤的细观结构非均质特征减弱,密度分布非均匀性也减弱。通过对不同吸附压力下煤吸附甲烷CT扫描的数据进行多尺度三维分割与统计,揭示了煤吸附甲烷后细观结构膨胀/挤压变形与密度分布的相关性随结构尺度变化的规律;在小尺度上,低密度结构容易被挤压,中密度结构膨胀和挤压变形同时存在,高密度结构易于发生膨胀变形。随着煤结构尺度的增大,变形方式与原始结构密度的相关性降低。通过对不同尺度与吸附压力下的煤结构膨胀/挤压变形量、膨胀/挤压变形体积统计与分析,发现在甲烷吸附过程中,煤结构的膨胀变形和挤压变形均随结构尺度的增加而减小。煤的膨胀变形主要受吸附压力和结构尺度的影响,而挤压变形主要受结构尺度的单一因素的影响;煤中挤压变形体积始终小于膨胀变形体积。煤体结构的膨胀变形量与挤压变形量随尺度增加的衰减过程是非同步的,在小尺度下,煤体结构的挤压变形量比膨胀变形量更大,随着尺度增加,挤压变形量衰减速度比膨胀变形量衰减速度更快。研究结果对于煤层气开采过程中的气体渗流特征的多尺度精准动态评提供借鉴。     

甲烷在煤的微孔隙喉道通过性及其对解吸的影响机理

煤是天然的多孔介质,其内部含有大量破碎煤块与多种类型的微孔隙结构,甲烷在煤的微孔隙喉道通过性是影响甲烷解吸效率的重要原因之一。基于单孔喉模型,分别对孔喉直径、孔喉几何形态与甲烷分子在孔喉附近的Leonard-Jones势的关系进行了分析;基于两能态模型,得到了孔喉势阱/势垒的几何临界尺寸及变化规律,研究发现,当R/r_0(孔喉半径/甲烷分子直径)0.89时,孔喉平面位置对甲烷分子存在势垒,孔喉平面两侧存在势阱;当R/r_00.89时,孔喉平面仅存在势阱,势阱深度随着孔喉增大逐渐降低。基于玻尔兹曼能量分布定律与麦克斯韦分子速率分布原理,推导出了温度、压力、孔喉直径对微孔隙吸附/解吸甲烷过程中的孔喉通过性影响的定量关系,分析表明温度、压力差、孔喉直径是影响甲烷通过孔喉的主要因素。温度越高,压力差越大,孔喉直径越大,孔隙甲烷的通过性越好,反之则通过性越差。基于上述理论分析,建立了煤的非均匀孔喉结构模型,通过数值模拟方法进行了含孔喉微孔隙吸附/解吸甲烷规律研究。研究证明,煤中孔喉势阱对甲烷分子运移的阻滞作用,是引起煤层甲烷吸附/解吸速率下降与甲烷解吸滞后现象,导致煤层气开采期限内解吸率低下的重要原因之一;微孔隙孔喉越小,其影响越明显。研究结果对于煤层气开采效率评价及煤层原位致裂增透改性强化煤层气开采提供借鉴。     

煤中瓦斯包分布特征研究

利用红外热成像手段,对不同压力下煤吸附解吸甲烷过程中瓦斯包演化过程进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律。研究表明:煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的瓦斯包,吸附/解吸甲烷时,煤中瓦斯包比邻近区域具有更明显的升温/降温现象;吸附压力越大,煤样吸附平衡时间越短。通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的瓦斯包区域进行提取,可有效计算其甲烷吸附特征。计算表明,随着吸附压力升高,煤体瓦斯包中甲烷集中程度降低。在微米尺度下,煤中瓦斯包分布具有分形特征,且分形维数均在1.95~2.00之间。随着吸附压力升高,瓦斯包中甲烷集中程度降低,不同尺度的瓦斯包均发生了连通演化。     

煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟

利用蒙特卡洛方法建立了煤与甲烷吸附动力学的数值模型,并对两种非均匀势阱煤样模型的吸附甲烷过程进行计算,分析其在不同温度与吸附压力下吸附甲烷特性以及吸附热的变化规律。研究表明:非均匀势阱煤样模型等温吸附过程与理想朗格缪尔曲线有明显不同,等压吸附过程可利用负指数规律精确描述。煤样模型势阱深度分布的非均匀特征对煤与甲烷吸附热,以及吸附量对于温度和压力的敏感性均有一定影响。通过对不同吸附压力下吸附速率参数b的拟合计算,推导出非均匀势阱等温吸附方程,物理实验验证表明该方程对真实煤样吸附解吸甲烷过程的描述比理想朗格缪尔方程更加精确。     

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5～15 kJ/mol内...     

基于煤粉堵塞的煤体解堵试验研究

采用气-液-固三相驱替模拟系统,开展了煤样封堵及反向注水、气驱替煤粉解堵煤样的系列室内实验,探讨了不同封堵压力及解堵介质、压力下煤样渗透率的变化特征。结果表明：煤样封堵过程中液相渗透率随时间呈对数衰减规律;达到平衡时间随着封堵压力的提高呈现衰减的趋势;煤粉颗粒沉积在渗流入口端堵塞煤样的孔裂隙通道,是引起煤样渗透率下降的主要原因;当解堵介质为水：反向注水压力等于封堵压力时煤样最终液相渗透率低于封堵前的数值,反向注水压力大于封堵压力时煤样液相渗透率会在一定的时间段内有小幅度提高,而且反向注水压力越大,液相渗透率上升的反应速度越快,煤样的最终液相渗透率与封堵完成后相当;当解堵介质为气：反向注气压力大于或等于封堵压力时能够完全解堵污染煤样：煤样的气相渗透率变化曲线为类“S”型曲线且全过程气相渗流经历了线性增长阶段、指数增长阶段、稳定阶段;少量小粒径低密度悬浮煤粉颗粒产出促进了渗透率的缓慢提高;密度相对较大的下沉颗粒产出是煤样快速完成解堵的主要原因;反向注气压力越高,解堵速度越快且反向注气压力越接近封堵压力解堵速度对压力变化的敏感性越高;反向注气解堵污染煤样的能力强于反向注水,水、气体分子性质的...     

煤吸附解吸甲烷细观结构变形试验研究

利用扫描电镜与CT扫描相结合的方法,通过对直径为8.5 mm的细观煤样进行不同压力下的吸附解吸甲烷试验,研究其内部细观结构的变形规律。研究表明,煤样是煤基质中含有少量黏土矿物质的天然非均质岩体;吸附解吸甲烷过程中,煤的细观结构变形分为膨胀变形(密度减小)与挤压变形(密度增大)。低吸附压力下,含黏土矿物质区域急剧膨胀,对邻近煤基质形成局部挤压,细观变形程度明显,压力升高后膨胀变形增强,挤压变形减弱;不含黏土矿物质的煤基质区域变形程度较低,近似于均匀变形。解吸后,煤不同区域的变形恢复能力与其非均匀程度有关,非均匀性越强,其变形恢复能力越差。     

注热强化煤层气抽采的试验研究及工业应用

煤层气作为煤层中主要的清洁能源,其高效抽采和利用,将有利于提高资源利用率和保障煤矿安全生产。然而,甲烷的强吸附性和煤层的低渗透性,导致煤层气的采收率特别低。基于能量守恒方程,完善了注热强化煤层气抽采的理论,在实验室和煤矿井下分别进行了注热强化煤层气抽采的试验,研究了不同条件下甲烷的解吸规律和注热对煤层气抽采的促进作用。室内试验结果表明,注水解吸、自然解吸和注热解吸3种条件下的煤样终态解吸率分别为12%、37%和81%。定量计算结果表明,自然解吸和注水解吸后的注热强化解吸,分别可以增加46%和68%的解吸率,证明了注热具有强化甲烷解吸以及解除水锁效应的作用。阳泉矿区现场试验结果表明,注热方法不仅可以提高煤层气的抽采率,还可以缩短煤层气的抽采时间。注热方法可以将煤层气的浓度和日产气量分别提高10倍和100倍,其中最大煤层气浓度和最大日均产气量分别为98%和123 m3/d。8号注热钻孔的有效注热半径超过5 m,并且注热后的抽采阶段是煤层气高效抽采时间段。研究结果可为注热强化煤层气抽采的现场应用和煤矿井下局部瓦斯的防治提供参考。