水分对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律

水分是含瓦斯煤粒扩散规律的重要影响因素之一,运用自制设备,试验研究当水分小于等于平衡水时,3种变质程度煤样的瓦斯扩散量、扩散速度和扩散系数随水分、扩散时间的变化规律;基于气体在多孔介质内的吸附解吸理论和Fick扩散定律,分析水分对瓦斯在煤粒内扩散动力参数和动态过程的影响机理。结果表明,在不大于煤样平衡水分条件下,高、中、低变质程度煤样的瓦斯极限扩散量、解吸速度和瓦斯扩散系数随水分增加而显著降低,同一种变质程度干燥煤样的瓦斯扩散系数基本是平衡水分煤样的3~5倍;水分的增加降低了煤粒内的瓦斯初始质量浓度和扩散系数,进而大幅度降低了瓦斯扩散速度;水分子更容易占据煤基质表面吸附位,致使煤对瓦斯的吸附量减少,水分子在煤粒内表面发生多层吸附,而堵塞部分的瓦斯分子在煤粒内表面扩散,缩小了扩散通道,增大了瓦斯扩散阻力,导致含瓦斯煤粒的瓦斯扩散系数减小。     

不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了证实和完善极限粒度理论,制备了煤粒度毫米级至厘米级(>10 mm)的5种粒度煤样,利用H-Sorb 2600T高温高压气体吸附分析仪对不同粒度的煤样进行等温吸附-解吸实验,并采用动扩散系数模型计算了煤粒瓦斯解吸扩散系数,分析不同粒度煤的扩散系数变化特征。研究结果表明:粒度毫米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大呈现逐渐减小的趋势;粒度厘米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大降幅较小;煤粒度在毫米级范围内,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大快速下降;煤粒度为厘米级时,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大基本保持不变;极限粒度理论正确可靠,煤的极限粒度小于10 mm。     

煤粒瓦斯瞬时扩散模型研究

为使扩散方程能够准确描述煤粒瓦斯涌出规律,首先依据相似理论和扩散第二定律建立瓦斯扩散系数计算方法,并结合试验数据得到扩散系数与时间的关系。然后基于此构建煤粒瓦斯瞬时扩散球状模型,运用分离变量法对模型进行求解,得到该模型的无穷级数解析解和模型系数的确定方法。最后通过计算值与试验值对比验证瞬时扩散模型的准确性,同时分析瞬时扩散模型与煤体复杂孔隙结构的关系。结果表明:扩散系数随时间的变化符合幂函数递减规律;构建的瞬时扩散模型能够准确描述煤粒瓦斯扩散规律,理论计算高度反映了试验结果;瞬时扩散模型可以从时空角度体现煤粒复杂的孔隙结构。因此该模型可用于计算瓦斯预测参数和研究瓦斯动力灾害形成过程。     

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。     

常用经验模型预测煤屑瓦斯解吸量对比分析

为研究常用瓦斯解吸经验模型对解吸量预测准确性,基于容量法试验测定长时间的煤屑瓦斯累计解吸量,通过截取不同时段的瓦斯解吸量数据回归拟合得到常用解吸经验模型参数,并将其代入模型中计算出瓦斯解吸量与试验测定量进行对比。研究结果表明:各常用经验模型公式对不同时间段数据拟合都表现出较好的效果;巴雷尔式不适合用于煤屑的瓦斯解吸预测;指数型经验模型公式计算得到曲线受制于拟合数据时间段长短,在拟合时间段后很快趋于平直而低估累计瓦斯解吸量;乌斯季诺夫式适合用于短时间煤屑瓦斯解吸数据推算长期瓦斯解吸量;重庆-文特式适合用于预测短期瓦斯解吸量,而利用较长时间段瓦斯解吸量数据推算煤屑瓦斯解吸量宜采用艾黎式。该研究成果对于煤的瓦斯涌出及煤层气产能预测有着重要实际意义。     

煤粒瓦斯解吸温度变化影响因素及与突出的关系研究

基于扩散理论和热力学基本原理建立了瓦斯解吸过程温度变化公式,以及温度变化与瓦斯膨胀能、瓦斯解吸量的关系式,在此基础上研究了煤粒粒度、瓦斯压力、吸附常数a、扩散系数对解吸过程温度变化的影响及温度变化与煤与瓦斯突出的关系.结果表明:随煤粒粒度减小,瓦斯压力、瓦斯含量增大,扩散能力增强,瓦斯解吸引起的温度下降幅度增大.随解吸过程中温度降低,瓦斯解吸量、瓦斯膨胀能呈明显增大趋势,由此可见,解吸过程中温度下降幅度越大,煤层煤与瓦斯突出危险性越大.     

水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响

为了研究水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响,利用自制设备,对不同煤阶的干燥煤、原煤、湿煤和平衡水煤样进行瓦斯吸附-解吸-扩散实验,分析扩散过程中不同时间段内水分与变质程度两个因素对扩散系数的影响。结果表明:水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。寺河矿干燥煤粒和平衡水煤粒在前120min内扩散系数较前5min分别减小了58.75%和53.2%;随着水分的增大,各变质程度煤样的瓦斯扩散系数比值增大。120min内干燥无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.04和2.37倍,平衡水无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.15和2.44倍;随着水分的增加,各煤阶瓦斯扩散系数减小幅度不同,且随着变质程度的减小,扩散系数的减小程度有变大趋势,前5min内随着水分从干燥煤增加到平衡水煤样,扩散系数减小幅度从无烟煤的72.77%增大到了气肥煤的83.49%。     

钻屑瓦斯解吸指标K_1影响因素理论分析

工作面突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的一个重要环节,提高预测指标测定的准确性对于减少"低指标突出"现象,保证安全生产有重要意义。钻屑解吸指标K1是工作面煤与瓦斯突出预测的重要指标之一。基于扩散理论和钻屑瓦斯解吸指标K1物理意义建立了K1的数学表达式,根据该式研究了瓦斯压力、损失时间、煤粒粒度、扩散系数对K1的影响。结果表明:钻屑解吸指标K1与瓦斯压力呈幂指数关系;相同条件下,损失时间越长测得的K1越小,并且钻屑的粒度越小表现越明显;扩散系数表征瓦斯绕过微孔和煤基质的能力,相同条件下扩散系数越大测得的K1越大;煤粒粒度对K1的影响较大,现场测定过程中煤粒粒度组成对获得真实的K1和准确的临界值至关重要。     

软硬煤瓦斯解吸规律及影响因素的实验研究

为了研究软硬煤瓦斯解吸规律,搭建了大质量瓦斯解吸实验系统,进行了不同变质程度软硬煤的瓦斯解吸实验,对比分析了软硬煤的孔隙结构特征,查明了软硬煤的瓦斯解吸规律及影响因素。研究结果表明:软煤相对于硬煤,具有更多的瓦斯解吸总量和更快的解吸速度,采用幂函数可以较好的描述软硬煤的解吸规律,煤的破坏类型和变质程度是影响瓦斯解吸量的主要因素;软硬煤瓦斯解吸规律的差异性主要受煤的孔隙结构影响,软煤总孔容是硬煤的1.18～2.14倍,且软煤中孔及大孔更为发育,这为瓦斯解吸提供了更优质的通道;软煤相对硬煤在同等条件下变质程度更高,煤吸附甲烷的能力更强,这有利于软煤瓦斯解吸量的增加及解吸速度的加快。研究成果为准确测试煤层瓦斯含量和钻屑解吸指标提供了理论依据。     

瓦斯含量快速测定技术应用研究

煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出矿井区域措施效果检验的重要参数之一,目前我国测定煤层瓦斯含量的周期较长、测定步骤复杂,基于煤的瓦斯解吸扩散数学物理模型得到瓦斯含量快速测定模型并将模型内置于CWY50煤中瓦斯含量测定仪中。研究表明,煤层瓦斯含量与瓦斯解吸动力学特征参数有较好的线性相关关系,采用瓦斯含量直接测定与快速测定相结合的方法确定出线性回归系数,并在贵州大湾煤矿X11101工作面进行应用。实践表明:与DGC型井下直接测定结果相比,煤层瓦斯含量快速测定仪最大误差为5.84%,能够满足高瓦斯突出煤层瓦斯含量测定需求。     

煤粒瓦斯扩散行为的气压依赖性研究

为了研究煤粒瓦斯扩散系数对气压的依赖性,应用自主搭建的煤岩吸附瓦斯实验系统进行不同气压条件下的煤粒瓦斯扩散实验,并通过模型拟合得到不同气压条件下的扩散系数,分析扩散系数对气压的依赖性。研究结果表明:实验煤样具有双重孔隙结构;由于煤粒对瓦斯具有吸附性,导致模型拟合得到的扩散系数是表观扩散系数而不是真实扩散系数;表观扩散系数与真实扩散系数呈正比例关系,与等温吸附线斜率呈反比例关系;在低压阶段,煤粒瓦斯扩散由努森扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈正比例关系;在高压阶段,煤粒瓦斯扩散由分子扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈反比例关系。     

铁磁流体对煤粒瓦斯解吸性能影响实验研究*

为探究铁磁流体对煤体瓦斯解吸性能的影响，采用水浴恒温吸附解吸系统，开展0.44，0.65，1.14 MPa 3组不同平衡压力下加铁磁流体前后的瓦斯解吸对比实验，根据Langmuir方程经验公式计算瓦斯极限解吸量和初始扩散系数，分析铁磁流体对煤体瓦斯解吸影响的机理。结果表明:在3组不同平衡压力下加入铁磁流体后瓦斯极限解吸量由2.5，10，20 mL/g降低为2.22，3.33，10 mL/g，降低11.2%，66.7%，50%；初始扩散系数由0.997 1，1.629 9，3.888 3 μm2·s降低为0.685 5，0.997 1，2.933 5 μm2·s，降低31.25%，38.82%，24.56%。在铁磁流体的作用下，煤体瓦斯解吸性能得到大幅降低。     

煤粒筛分现象与粒度分布特性的试验研究

在求解煤的物性参数时,为探究煤粒平均粒径对参数求解的影响,以5种不同粒级的煤粒为研究对象,系统研究筛分现象和粒度分布;以煤粒瓦斯扩散系数求解为例,分析算术平均值、体积加权平均体积粒径对计算结果的影响.研究结果表明:煤颗粒在筛分过程中会出现特殊分选现象,目标粒级粒度分布仅占真实粒度分布的33.37％～49.32％;算术平...     

动扩散系数新模型下不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征

为揭示不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征,采用瓦斯解吸仪分别在井下现场和实验室内开展了原煤样和不同粒径的构造煤瓦斯扩散实验,并采用低温氮吸附法测定其孔径分布,采用动扩散系数新扩散模型计算各类扩散实验的初始扩散系数D0及其衰减系数β、有效初始扩散系数De0和有效动扩散系数De(t)。结果表明:各类粒径构造煤的瓦斯扩散率初期增长较快,但衰减迅速。同时刻下,粒径越大,D0越大,β越小,构造煤中孔隙由表及里孔径逐渐缩小,正是这种孔径特征控制了D0和β的大小。同时,粒径越大De0和De(t)越小。与之相反,井下构造煤原煤样具有更小的粒径,致使原煤样的瓦斯扩散速度更快,因此构造煤具有更严重的突出危险性。     

密闭液封堵条件下的瓦斯解吸规律实验研究

瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产,煤层瓦斯解吸规律与矿井瓦斯灾害关系非常密切。本文首先提出了密闭液封堵条件下的瓦斯解吸实验原理,制定了相应的实验方案;然后,开展了密闭液封堵条件下的煤芯瓦斯解吸规律实验;最后,进行了密闭液封堵煤芯瓦斯的现场取芯试验。研究结果显示,与自由状态下解吸相比,密闭条件下的瓦斯解吸量呈现不同程度的降低,效果显著;在取芯过程中,密闭液能够包裹煤芯,该测定技术所获得的煤芯瓦斯解吸量与残存量之和,比普通煤芯取样法平均提高了9%。因此,利用该技术所测得的煤层瓦斯含量,其可靠性与准确率更高。     

煤系页岩瓦斯吸附-解吸特性核磁共振实验研究

吸附态和游离态瓦斯变化规律能为煤系页岩瓦斯安全高效抽采提供技术参考,常规实验方法难以实现对吸附态和游离态瓦斯变化规律的独立表征。以阜新盆地清河门矿煤系页岩为例,采用低场核磁共振技术对煤系页岩粉试样进行瓦斯吸附-解吸实验,并提出以核磁共振T2（横向弛豫时间）谱幅值积分作为瓦斯含量定量表征指标。实验表明:吸附-解吸过程T2谱曲线有3个特性峰,对应3个横向弛豫时间截止阈值;吸附态瓦斯量与瓦斯压力符合朗格缪尔方程,而游离态瓦斯量与瓦斯压力呈线性关系;吸附态瓦斯解吸过程具有明显滞后性,且存在7.26 MPa临界滞后瓦斯压力,而游离态瓦斯吸附和解吸过程近似可逆,无明显滞后性。