粒状煤和块状煤等温吸附CH_4试验研究

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

水分润湿过程中煤中瓦斯解吸规律试验

为了深入探讨水分对煤中瓦斯解吸特性的影响,采用试验和理论分析相结合的方法,按照原煤的固有粒度配比加工制作型煤,充分干燥后使其吸附平衡以模拟原始煤体,然后利用自制的试验装置实现水分自然进入含瓦斯煤,再测试水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内的瓦斯压力变化情况。结果表明:水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内瓦斯压力不断升高,水分能置换出煤中吸附瓦斯;相同吸附平衡压力下,煤样含水率越高,水分占据的有效吸附位越多,累计瓦斯解吸量越大,当煤样含水率达到煤的极限吸水率时,累计瓦斯解吸量达到极限值;同一含水率条件下,随吸附平衡压力增长,煤样吸附饱和度逐渐增加,水分越难进入煤体内部细微孔隙,造成累计瓦斯解吸量逐渐增加,但增幅逐渐减小,随吸附平衡压力不断升高,极限瓦斯解吸量趋于一定值。     

高温高压吸附后焦煤的孔隙结构变化特性

为研究高温高压气体吸附试验中焦煤基质膨胀后孔隙结构变化特性,首先开展了软、硬焦煤在不同吸附平衡温度(30℃、40℃、50℃)下的高温高压吸附试验,然后利用压汞法测试吸附试验前、后煤样的孔隙结构,研究了不同吸附平衡温度下的软、硬焦煤吸附性能及高温高压吸附试验对软、硬煤孔隙结构的影响.结果表明:在相同温度和压力下,硬煤瓦斯吸附量及吸附常数a均小于相应的软煤;随吸附平衡温度升高,同一煤样的瓦斯吸附量减少;高温高压吸附试验后,煤样含有大量的半封闭型的微孔和小孔,孔隙连通性变差,煤中孔隙向着更加致密的方向发展,有利于瓦斯的储存.     

不同瓦斯压力下煤体力学特性试验研究

为研究瓦斯对煤体力学特性的影响,设计不同瓦斯压力条件下煤体单轴压缩试验,研究煤样力学参数及变形特征随瓦斯压力的变化趋势,探讨瓦斯对煤体力学性质的影响机制,得出单轴压缩下煤样力学参数,并记录煤样的破坏形态。研究结果表明:随瓦斯压力增大,应力-应变曲线压实阶段增大,弹性阶段缩小,失稳破坏后曲线缓慢下降,抗压强度和弹性模量单调减小,峰值应变单调增大;不含瓦斯煤样受载破坏产生的裂纹较为单一,含瓦斯煤样受载破坏后出现明显主裂纹及多向分叉裂纹,并出现局部煤体脱落现象。     

常压下煤对N2/CO2/CH4单组分气体吸附特性研究

为了研究常压不同条件下煤样对N2/CO2/CH4单组分气体的吸附特性,以Langumir单分子层吸附模型为依据,对其吸附阶段进行划分,选择长焰煤、气肥煤和无烟煤分别进行了单组分气体吸附试验,探讨不同试验条件对煤吸附量的影响。结果表明:在常压阶段,煤对单组分气体的吸附规律服从Langumir单分子层吸附模型的第一阶段,吸附量与压力正相关;煤的变质程度、吸附温度及压力和吸附气体的种类是影响吸附量的主要因素,并在不同情况下对煤吸附量的影响程度不同;高低变质煤样对吸附量的影响大,而中等变质程度的影响小;温度是低压阶段影响吸附量的主要因素;吸附气体种类对吸附量的影响是由于其自身物化性质差异,相同试验条件下煤对3种单组分气体的吸附量从大到小为CO2、CH4、N2。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学特性及能量特征的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,进行了含瓦斯煤固定轴向压力、卸围压的渗流试验,研究了卸围压过程中瓦斯压力对煤样力学特性和能量特征的影响。结果表明:在轴压加载阶段,煤样的变形模量基本不变,泊松比逐渐减小;在定轴压卸围压阶段,煤样的变形模量先小幅度增加,然后逐渐减小,泊松比则逐渐增大。瓦斯压力越高,煤样的承载能力越低,煤样发生破坏时相应的轴向应变和围压卸荷量百分比越小,而煤样破坏时的径向变形和扩容量越大。各应变围压柔量Δεi与瓦斯压力呈线性关系且线性相关性良好。随瓦斯压力升高,轴向应变的围压敏感性降低,径向应变和体积应变的围压敏感性显著升高。随瓦斯压力升高,煤样发生破坏时存储的弹性应变能Ue减小,而总能量U、耗散能Ud和耗散能比例Ud/U都增大。     

温度对煤体吸附瓦斯性能影响的研究

为了明确温度对煤体吸附瓦斯性能的影响程度,根据Langmuir等温吸附方程及单分子层定位吸附模型等相关理论,推导并分析了瓦斯吸附量、吸附常数与温度的关系,得出瓦斯吸附量随温度的升高而降低,吸附常数α与温度没有直接关系,而吸附常数b与温度存在直接联系.利用WY-98B型瓦斯吸附常数测定仪对赵楼3上煤层煤样进行了不同温度下的瓦斯吸附常数测定试验,试验温度分别选取293 K、298 K、303 K、308 K、313 K、318 K、323 K,得到不同温度下煤样的吸附等温线,进而得到不同温度下的吸附常数值.对结果进行对比和验证,得到温度对煤体吸附常数的影响规律.结果表明:在压力条件一定时,煤对瓦斯吸附几率及吸附时间等影响瓦斯吸附量的主要因素均随温度的升高而减小,导致瓦斯吸附量随着温度升高而下降;吸附常数α只与煤体表面性质有关,但温度引起的比表面积变化对吸附常数α影响显著;吸附常数6取决于吸附温度T、吸附压力p以及煤体自身物理性能所决定的振动时间(r)0.     

高温高压下煤孔隙结构的变化对瓦斯吸附特性的影响

为了研究高温高压条件下煤孔隙结构变化对瓦斯吸附特性的影响，选取九里山矿无烟煤，在压力为7 MPa、温度为40～130℃的条件下进行等温吸附实验和压汞实验。研究结果表明:煤样对甲烷的等温吸附曲线在该压力、温度条件下符合Ⅰ型吸附曲线特性，吸附规律符合Langmuir吸附模型；在压力7 MPa和温度130℃条件下，煤样的孔隙结构发生一定的变化，煤的比表面积增大、累计孔体积降低，可见孔及裂隙的数量比例增高，加强了煤样孔隙之间的连通度，导致原本吸附在煤样表面的甲烷分子大量解吸；在压力不变的情况下，随着温度的不断增高，煤的极限吸附量逐渐减小，其主要原因是样品孔隙结构的破坏和分子间作用力的变化。     

含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究

为了研究分析不同含水率对煤粒瓦斯扩散的影响，以平煤八矿构造煤为研究对象，利用瓦斯扩散试验装置，测定不同含水率条件下煤粒瓦斯解吸量，对比分析不同扩散模型，优选适合描述含水煤粒瓦斯解吸全过程的扩散模型，进而研究不同含水率对煤粒瓦斯扩散系数的影响。研究结果表明:相同时段下，干燥煤样的累计瓦斯解吸量最大，随着含水率增加煤样的累计瓦斯解吸量越来越小，水分的增加封堵了瓦斯扩散通道，在煤微孔隙内产生一定的蒸气压增大了瓦斯扩散的阻力使得单位时间内的瓦斯解吸量不断减小；通过3种扩散模型的对比发现幂函数模型在误差大小和稳定性方面都优于其他2种模型；利用该幂函数模型对扩散系数进行计算得出4种含水率对煤粒扩散系数的影响发现，扩散系数均经历前期快速下降和后期缓慢下降2个阶段，扩散系数随含水率的增大而减小且扩散速率趋于稳定。     

水分对无烟煤瓦斯吸附影响的低场核磁试验研究

为研究水分对无烟煤瓦斯吸附的影响,以山西晋城集团王台铺煤矿无烟煤为研究对象,利用低场核磁共振技术,研究了煤样在不同水分含量下的核磁共振T2谱图,分析了T2谱图核磁信号与瓦斯吸附量的关系。结果表明:煤中水分质量分数较大时,水分在微孔、小孔、中大孔内均有分布;水分含量较小时,水分主要存在于微孔内。瓦斯吸附量随水分增加而减少,但水分对煤瓦斯吸附的抑制程度不同,水分质量分数从0增加到1.92%,水分主要存在于微孔隙中,瓦斯吸附量显著降低;而水分质量分数从1.92%增加到3.09%时,水分主要在小孔隙及中大孔隙内增加,瓦斯吸附量降低幅度较小。微孔隙中水分对瓦斯吸附的抑制作用较明显,随含水量增加,瓦斯吸附速度逐渐降低,吸附平衡所需时间增大。     

冷冻取芯过程煤样温度变化特性研究

为探究冷冻取芯过程煤样温度变化特性,基于模拟试验的相似性,自主设计冷冻取芯模拟测试试验装置,选取榆家梁矿、首山一矿、六龙煤矿、九里山矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定瓦斯吸附平衡压力为0、1.0、2.0、3.0 MPa下冷冻取芯过程煤样的温度实时变化数据,并统计分析各条件下的数据。研究结果表明:冷冻取芯技术的冷冻效果与煤变质程度及瓦斯吸附平衡压力呈正相关关系;冷冻取芯对含瓦斯煤冷冻效果优于不含瓦斯煤;冷冻取芯对高变质煤冷冻效果优于低变质煤;冷冻取芯过程中,煤样温度随时间变化曲线符合指数函数关系。     

电厂烟气对采空区防火效果实验研究

为考察电厂烟气对采空区防灭火效果的影响,采用吸附实验装置和热重分析仪开展了不同气体氛围下煤吸附O2的实验研究,研究了不同气氛下煤的着火活化能。结果表明:将惰性气体N2和烟气注入井下,均可有效地减小常温常压下煤对氧气的吸附量,即具有抑制煤自燃氧化反应的作用。其中,烟气对减小煤吸附氧气量的效果优于N2,使同忻矿和高海矿煤样吸附氧气量分别减少了27%和35%。TG实验数据表明,煤样在烟气氛围下燃烧时低温氧化阶段的增重率略小于在空气氛围下燃烧时的增重率,而其着火点大于在空气氛围下燃烧时的着火点。同时,发现煤样在烟气中燃烧时的着火活化能大于在空气中燃烧时的着火活化能,说明煤在烟气氛围下燃烧时对O2的吸附量变小,活化能增大,增加了煤自燃的困难程度。     

基于经典扩散模型不同粒径粒煤瓦斯扩散特征实验研究

为了获取多尺度粒煤在不同初始吸附平衡压力条件下的甲烷扩散特征，完成了0.25～1.00 mm，＞1.00～3.00 mm，＞3.00～6.00 mm和＞6.00～10.00 mm这4种粒径粒煤在1.0 和3.0 MPa初始吸附平衡压力下的甲烷扩散实验，并考察了经典扩散模型对各实验在0～10 min，0～60 min，0～180 min时间段的扩散拟合效果。研究结果表明:同实验时间，扩散率表现为随着粒径的减小呈增大趋势，0.25～1.00 mm相较＞6.00～10.00 mm粒径粒煤最大增大了73%；经典扩散模型不适用于描述甲烷在粒煤中的全阶段扩散，粒径越小拟合精度越低，仅对于初始扩散阶段（0～10 min）拟合效果较好；同初始吸附平衡压力，初始扩散系数D值随着粒径的增大呈递增趋势，＞6.00～10.00 mm相较0.25～1.00 mm粒煤扩散系数增大至7倍。不同尺度粒煤的瓦斯扩散特征，为煤层气达产、稳产、增产提供了储层改造方向。     

无烟煤对超临界态CH4-CO2气体吸附特性研究*

为探究无烟煤对超临界态CH4-CO2混合气体的吸附特性,采用重量法开展无烟煤对纯CH4与纯CO2气体、3种体积浓度CH4-CO2混合气样的超临界等温吸附实验,应用过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,通过校正绝对吸附量、计算吸附相密度、煤的比表面积以及测定吸附平衡后游离态气体组分,探究由亚临界状态到超临界状态下无烟煤吸附纯CH4、纯CO2以及混合气体的吸附相密度变化特征、混合气吸附特征以及吸附分子层数。研究结果表明:煤对纯CH4与纯CO2、混合气体过剩吸附量随着压力增大呈现出先增大后减小的峰值型曲线;CH4绝对吸附量随吸附压力增大不断增大,接近CH4临界压力时,绝对吸附量缓慢增加并趋于稳定。低压下CH4在煤颗粒中以单层吸附为主;超过临界压力后出现表面局部2层吸附的现象;1~3 MPa 时,CO2在煤颗粒中即表现出2层吸附为主的现象,随压力增大甚至出现局部4层吸附的现象,煤颗粒对CO2有更大的吸附能力。     

冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究*

为探究冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性,基于模拟试验的相似性,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻取芯响应特性测试平台,开展不同变质程度煤样（长焰煤、贫瘦煤、无烟煤）及不同吸附平衡压力（1.0,2.0,3.0,4.0 MPa）下冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究。研究结果表明:冷冻取芯过程中,煤芯瓦斯解吸量与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系;在煤芯瓦斯解吸过程中存在倒吸现象,煤与瓦斯初始吸附平衡压力越大,煤的变质程度越高,倒吸开始时间越迟;冷冻取芯过程中,瓦斯解吸速度与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系,且瓦斯解吸速度随吸附平衡压力及煤变质程度变化曲线符合幂函数关系。     

等压泄压装置测试含瓦斯煤渗吸效应可行性研究

为解决含瓦斯煤渗吸效应测试方法存在弊端、缺陷等问题,利用自制的等压泄压装置对煤样罐内的瓦斯压力进行连续监测,同时对含瓦斯煤在不同吸附平衡压力和不同含水率等压环境下的最大置换量与非等压环境下的最大置换量进行测试。结果表明:等压泄压装置的可行性（R）在98%~99.3%之间,可用于研究外加水分对煤中瓦斯的渗吸效应;等压环境下的最大置换量大于非等压环境下的最大置换量;相同吸附平衡压力下,随着含水率的增加,最大置换量的差值有减小的趋势;相同含水率下,随着吸附平衡压力的增加,最大置换量的差值亦有减小的趋势。因此,等压泄压装置为研究含瓦斯煤渗吸效应提供可靠的工具,使得到的研究结果更具有工程意义,从而为明晰水力化措施防突机理提供理论指导。     

不同温度下煤粒瓦斯扩散特性试验研究与数值模拟

为探索温度对煤粒瓦斯扩散特性的影响,利用瓦斯吸附/扩散仪分别对不同温度下的等温吸附,同温同压初始条件下的煤粒升温瓦斯扩散,同压不同温初始条件下的恒温煤粒瓦斯扩散进行试验研究。试验结果表明:同温同压初始条件下的等效扩散系数随温度升高呈指数关系增大。同压不同温初始条件下的恒温综合扩散系数随温度升高呈先增大后降低的变化趋势。温度升高时,温度与初始吸附量对综合扩散系数具有相反的影响作用趋势。不同温度下,相同时间内的扩散量取决于二者的配比关系。建立温度影响下的理论扩散方程,数值模拟不同温度下的全过程扩散特征。计算结果表明:随着时间延长,各温度下的恒温扩散曲线呈多点交叉状态,符合试验关系。     

煤吸附硫化氢混合气体的试验研究*

为研究煤层硫化氢（H2S）吸附特性,厘清煤层H2S赋存规律及改善H2S防治效果,采用分压测试法研究煤对H2S的吸附规律。以山西保利铁新煤业有限公司9#煤为研究对象,分别使用N2,He/H2S,N2/H2S为吸附介质开展等温吸附试验,分析煤对H2S及含H2S混合气体的吸附特性及影响因素。结果表明:煤对H2S的吸附量随压力升高而增加,随温度升高而降低,且温度对煤吸附H2S吸附量影响较大;H2S及N2/H2S混合气体的吸附曲线均符合Langmuir吸附模型,煤吸附N2/H2S混合气体时,H2S和N2存在竞争吸附,且N2吸附能力优于H2S;等温条件下,N2竞争吸附量随吸附压力的增加而增大,等压条件下,N2的竞争吸附量受温度影响较小。     

软、硬煤层残余瓦斯含量区域效果检验临界值研究

针对软、硬煤层瓦斯含量区域突出危险性效检指标临界值存在较大差异这一工程实际。建立软、硬煤样相关参数关系模型,对基于残余瓦斯含量的区域防突措施效果检验指标临界值进行研究。结果表明:同一煤质软煤和硬煤瓦斯吸附量差别不大,但随着煤的变质程度降低,软、硬煤瓦斯吸附量差值先减小后增大。对存在软、硬分层的煤层,建议采用0.74MPa时软、硬煤瓦斯含量测值的小值（取整）作为煤层残余瓦斯量指标的临界值。此研究因地制宜地确定符合矿井实际的突出预测指标临界值和区域措施效果检验指标临界值,对降低防突成本具有重要意义。