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。     

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。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研

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。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

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%。     

不同变质煤的瓦斯解吸粒级效应及规律

为揭示粒级对煤层瓦斯(甲烷)解吸特性的影响,开展物理模拟试验,研究无烟煤(高变质)和长焰煤(低变质)柱状煤样和颗粒煤样在不同吸附压力下瓦斯解吸量和解吸速率方面的差异。结果表明:甲烷自煤样整个解吸过程中,煤样变质程度与累计瓦斯解吸量、解吸速率整体正相关,粒煤的累计瓦斯解吸量始终大于柱煤,两者之差先增大后减小;相同变质程度等压力下,累计瓦斯解吸量、解吸速率表现出明显的粒级效应;0.5~1 mm与1~3 mm煤样粒级,在解吸量上即将到达极限粒度。     

基于压力与温度对损失瓦斯量影响试验研究*

为研究取芯管取芯过程中压力与温度对损失瓦斯量的影响,以及t法的偏差,利用自主研发的取芯管取芯过程模拟测试装置,基于模拟试验的相似性,开展不同加热功率下取芯过程模拟试验与室温（30 ℃）对比,以及变温条件下不同吸附压力取芯过程模拟试验。结果表明:前30 min煤芯瓦斯解吸曲线符合Qt=a+b/［1+(t/t0)c］。吸附压力一定时,取芯过程模拟测试的煤芯瓦斯解吸率均大于室温下的对比测试,3~16 min（退钻过程）温度对损失量的影响大于0~3 min（取芯过程）;随着加热功率的增加,煤芯瓦斯解吸量增大,煤芯损失瓦斯量的模拟值亦增大;t法推算值与模拟值的绝对误差随加热功率的增大而增大,相对误差在65.08%~70.79%;加热功率一定时,随着吸附压力的增加,煤芯瓦斯解吸量愈大,煤芯损失瓦斯量t法推算值增大,模拟值亦增大;t法推算值与模拟值的绝对误差随吸附压力的增大而增大,相对误差在68.21%~72.13%。     

预抽煤层瓦斯区域防突效果检验指标临界值研究

瓦斯突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的关键环节,瓦斯突出预测指标的临界值是决定区域防突是否达标的重要参数。为了确定寺河矿西井区3号煤层的区域预抽后煤层瓦斯防突效果评价指标体系,以瓦斯突出综合作用假说为基础,通过现场采取原始煤样,并在密封煤样罐内达到吸附平衡,测定残余瓦斯含量和残余瓦斯压力的关系,研究了原煤瓦斯含量与瓦斯压力的关系及原煤中水分的对其影响规律,提出始突瓦斯压力对应的瓦斯含量作为评价指标的临界值为10 m3/t,并通过现场跟踪考察对得出的瓦斯含量临界值的可靠性进行了现场验证,结果表明,10 m3/t作为区域防突效果评价的临界指标是可靠的。     

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。     

水分自然侵入促进含瓦斯煤解吸效应实验研究

为定量研究水分自然侵入对含瓦斯煤解吸促进影响效果,利用自制的“高压吸附-水分自然侵入-数据自动采集”实验系统,对不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯压力变化进行了连续监测。结果表明:水分侵入后依靠竞争吸附能置换出吸附瓦斯,从而促进含瓦斯煤瓦斯解吸,其促进效果与煤样含水率相关;当煤样含水率由2%增至12%时,瓦斯置换量由2.18ml/g增至4.48ml/g,瓦斯置换率由11.48%增至23.83%,煤样吸水饱和前,含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率η之间满足Q=1.695Mad/(1+0.3Mad)和η=8.85Mad/(1+0.29Mad)关系模型,煤样吸水饱和时,水分对瓦斯解吸的促进效果达到极限值;工程应用中可利用水分对瓦斯解吸的促进影响效应进一步提高瓦斯抽采率。     

注气条件对CO2置换驱替CH4影响的实验研究*

为研究不同注气压力与注气温度对CO2置换驱替煤层CH4的影响规律,利用Materials Studio分子动力学模拟软件,通过煤体在2元组分混合气体间的竞争吸附量、竞争吸附热及能量分布等变化规律,从微观研究煤吸附CH4与CO2之间的机理,并利用物理实验平台,选用3种高变质程度煤进行注CO2置换驱替CH4实验。结果表明:同一种变质程度煤,随着注气压力或注气温度的增大,置换率呈增长趋势、驱替比呈下降趋势、CO2突破时间变短;相同注气压力与注气温度时煤的变质程度越高,置换效率越大、驱替比越小、CO2突破时间越长。并且注气压力对于CO2置换驱替CH4的效果要优于注气温度。     

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。     

煤对CO2，N2和CH4的吸附速率经验公式与异同性研究*

为了解决吸附速率拟合公式缺乏而解吸经验公式众多的问题，通过替换解吸参数、定性和对比分析各经验公式对煤吸附CO₂，N₂，CH₄吸附速率的适用性，选取4种不同煤质的煤样在0.5，1.0和2.0 MPa下进行定温吸附实验，分析压力和煤质对吸附速率的影响规律。研究结果表明:时间函数式对3种气体在不同压力和煤质下的吸附速率拟合效果最佳；压力和煤质对3种气体吸附速率的影响既存在共性又具有差异性，气体吸附速率与压力符合指数函数关系，与挥发分呈现出二次函数关系，并且压力升高会导致最低吸附速率趋向于较高变质程度煤样；CH₄和N₂的吸附速率随压力升高而升高，而CO₂的吸附速率因煤样而不同，且在同压下，不同气体的最高和最低吸附速率煤样的变质程度也不同。     

取芯管取芯过程管壁温度变化特性试验*

为给冷冻取芯过程中瓦斯解吸模拟试验提供依据，依托自主研制的取芯管管壁温度自动采集装置，研究不同取芯深度及煤体破坏类型下取芯过程管壁温度变化特性。结果表明:在原生结构煤中取芯时，取芯过程管壁温度变化主要分为3个阶段，即稳定不变阶段、快速上升阶段与缓慢下降阶段，分别对应进钻、取芯与退钻过程；在构造煤中取芯时，管壁温度变化可分为缓慢上升阶段、快速上升阶段与缓慢下降阶段，分别对应进钻、取芯与退钻过程。在构造煤中，取芯深度越大，取芯管管壁升温幅度越大，取样过程中管壁温度峰值越大，且在取芯过程中，取芯管管壁温度传感器B1，B2，B3存在温升滞后现象；同一取芯深度，煤体破碎程度越大，取芯管管壁升温幅度越小，取芯结束时取芯管管壁温度越低。     

煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究

为分析煤自燃早期气体指标变化特征规律,更好地解决煤矿现场灭火救灾决策问题,通过煤自燃程序升温试验,首先得到煤样气氛中O2,CO,CO2,CH4,C2H4和C2H6气体的体积分数随温度的变化规律。根据煤体温度,将煤自燃前期划分为5个阶段(潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧)。分析3种不同变质程度的煤样的气体指标在各阶段的变化特征。建立煤自燃气体指标与特征温度阶段区间的对应关系。结果表明:在自燃潜伏阶段,煤的变质程度越低,早期越易产生CO,越难产生CH4;在储热阶段,煤的变质程度越低,早期越易且越快产生C2H6;在蒸发阶段,煤内外在水分脱附,低变质煤的C2H4也随之产生;在活跃阶段,各种气体体积分数均有剧烈增高的趋势,较高变质煤的C2H4也随之产生;在乏氧阶段,O2体积分数低于15%,与O2体积分数相关指标(CO/ΔO2,CO/CO2等)趋势有所改变。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。