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。     

热效应对焦煤甲烷解吸迟滞特征的影响研究*

为揭示煤中甲烷气体的储运机制，选取井下煤样研究不同温度条件下甲烷气体的等温吸附解吸实验。基于Langmuir模型、等量吸附热计算模型和解吸迟滞系数对实验数据进行分析，研究煤中甲烷气体解吸迟滞现象的热力学特征。结果表明:随温度升高，Langmuir模型得到的吸附常数均呈下降趋势；甲烷解吸迟滞现象明显，迟滞程度随温度升高缓慢下降；受解吸迟滞效应影响，相邻温度区间内吸附曲线的等量吸附热较为相近，不同温度区间内解吸曲线的等量吸附热高于吸附曲线，差异显著；解吸迟滞现象影响煤层甲烷含量预测的准确性，并且解吸曲线的热力学特征规律性较差。     

碱性溶液对煤体甲烷吸附特征影响机制

为探究碱性溶液对煤体的化学增透特性,开展孔隙测试和吸附试验,分析碱溶液对煤体化学侵蚀效果及甲烷吸附能力的影响;以安徽省青东煤矿为研究对象,采用低温液氮吸附法和等温吸附法,测试碱性溶液处理前后煤样的孔隙和甲烷吸附特性,并采用分形理论和吸附理论量化分析试验结果。研究表明:碱溶液可有效改变煤体孔隙结构,提高孔径小于5 nm的微孔含量,试验煤样最大吸附量由17.83 m L/g升高至21.97 m L/g,煤样的吸附能力得到提高。     

煤体吸附CH_4及CO_2热力学特性试验研究

为揭示煤吸附CH_4和CO_2热力学机制,选取新疆硫磺沟的煤样进行不同温度下的CH_4和CO_2等温吸附试验,利用Langmuir、Freundlich、D-R吸附理论模型对等温吸附曲线进行拟合,基于吸附势能理论研究煤样吸附CO_2和CH_4的热力学特性。研究表明:不同温度条件下煤样吸附CH_4和CO_2曲线均符合Langmuir、Freundlich、D-R模型;CH_4和CO_2吸附势能均随着吸附量增大而降低,其等量吸附热和吸附熵变均随着吸附量增加呈上升趋势,并且CO_2的吸附势能、吸附热、吸附熵变均大于CH_4;CH_4和CO_2吸附熵随温度升高总体呈降低趋势,其吸附势能不仅受表面力场影响,也受吸附焓和吸附熵的影响;CO_2等量吸附热受分子间竞争及微孔填充的影响。吸附热力学参数能用来表征煤体吸附特性,可从热力学角度揭示煤体表面竞争吸附的实质。     

温度效应下煤体吸附瓦斯热力学及动力学特征

为研究煤体与瓦斯相互作用的热力学与动力学特征,利用自主研发的煤系气流固耦合试验平台,开展298、308、318、328、338 K温度点煤体等温吸附试验,分析温度效应下煤体吸附瓦斯热力学参数、吸附动力学特征。试验结果表明：随温度升高,煤体瓦斯吸附量逐渐降低,等温吸附曲线符合Langmuir型变化规律;煤体等量吸附热随吸附量的增加而增大,变化范围为-10.191～-7.127 kJ/mol;煤体吸附瓦斯为放热物理过程,温度升高抑制煤体吸附瓦斯能力,煤体极限吸附热为-11.369 kJ/mol;不同温度吸附自由能和吸附熵均小于0,分别为-6.958～-2.452 kJ/mol和-14.085～-12.607 J/(mol·K);动力学模型拟合中,吸附平衡时的瓦斯吸附量随温度升高而降低,吸附速率常数与温度呈正线性关系。煤体吸附瓦斯为动态放热过程,随温度升高,瓦斯气体分子能量逐渐大于煤体孔隙吸附势能,吸附质态瓦斯逐渐转变为游离态瓦斯,煤体吸附瓦斯能力下降。     

基于核磁共振技术不同煤样吸附CH4实验研究*

为研究CH4在高、中、低阶3种煤样（无烟煤、焦煤、长焰煤）中的吸附特性及分布规律,采用低场核磁共振技术在不同吸附时间、不同压力条件下分别进行不同煤样的吸附甲烷实验。从微观上分析时间效应、变质效应、压力效应对煤吸附CH4的影响规律及甲烷在煤上各个孔径阶段分布变化。结果表明:随着吸附时间的增大,3种煤样的吸附态T2谱振幅积分均增加,大小依次为无烟煤＞焦煤＞长焰煤,吸附速率呈先快后慢的趋势,而游离态的T2谱振幅积分和区间范围逐步减少;随着注气压力的增加,3种煤样的吸附态和游离态的T2谱振幅积分和区间范围逐渐增大,吸附态T2谱积分曲线符合等温吸附方程,游离态T2谱积分曲线与压力呈正相关;吸附态甲烷主要集中在微小孔中,游离态甲烷主要集中在大孔和裂隙中。     

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.     

临涣井田岩浆侵入活动对煤体的影响规律

为研究岩浆侵入活动对临涣井田煤体的影响,本文以临涣煤矿4种不同岩浆岩侵蚀程度煤体为研究对象,从煤质、孔隙结构及甲烷吸附和解吸特性3个方面探究岩浆岩侵入对煤体的影响。结果表明：岩浆岩的接触变质作用和热演化作用导致靠近岩浆岩床的煤体挥发分减小,灰分增大,水分先减小后增大,变质程度增加;岩浆侵蚀会对煤体的瓦斯吸附、解吸能力产生显著的影响,岩浆侵入后的热演化作用与构造应力会增强煤体吸附瓦斯的能力,而岩浆岩接触变质作用会导致煤体吸附瓦斯能力减弱。研究结果为岩浆岩床侵蚀条件下的煤层安全高效开采提供技术指导与保障。     

聚/表型复合压裂液性能及其对煤样甲烷吸附解吸特性影响实验研究

为弥补常规压裂液破胶困难、残留多或黏度低、用量大等缺点,将疏水改性羟丙基瓜尔胶与双子表面活性剂进行交联复配,制得1种疏水聚合物/表面活性剂复合压裂液,从黏度、破胶性能以及对煤样甲烷吸附解吸能力影响等方面与常规压裂液进行对比分析。研究结果表明：在同等表面活性剂质量分数下,加入疏水改性羟丙基瓜尔胶的复合压裂液黏度是单组份表面活性剂压裂液的3倍,其破胶时间与表面活性剂压裂液几乎无差别,且仅为HPG压裂液的1/2;复合压裂液对煤样甲烷吸附解吸能力影响明显低于HPG压裂液,其吸附损伤因子虽高于表面活性剂压裂液,但比HPG压裂液低24%。研究结果可为矿用复合压裂液研制提供参考。     

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。     

二氧化碳致裂对煤岩孔隙表面分形特征影响实验研究

为了探究二氧化碳致裂对贵州高瓦斯低渗透煤层的孔隙致裂增透作用,提出了应用低温氮吸附与FHH模型相结合的方法,分析致裂前后煤样的微观孔隙特征变化,并将分形维数与孔隙特征参数结合。研究结果表明:二氧化碳致裂对煤的孔隙具有明显的作用效果,致裂后煤岩体中微孔含量、比表面积减少,而孔容、平均孔直径增加;致裂作用会使煤的分形维数减小,孔隙表面受致裂效果会趋于光滑;受二氧化碳致裂作用,分形维数的大小与平均孔直径、孔容和吸附量等存在负相关关系,与比表面积、微孔含量等呈正相关关系。     

常压法测定煤层瓦斯含量的误差分析

为了校正脱气法和常压法测量瓦斯含量的误差。通过理论分析、模型计算和实验对比的方法，研究煤样气体自然成分含二元和三元混合气体时的误差来源。查明气体成分为N2和CH4时，该误差可通过系数法进行修正；气体成分含CO2,CH4和N2 3种气体时，误差可通过扩展的langmuir模型修正。水分对测定误差的影响为:烟煤中含氧官能团与水优先结合后，影响煤孔网吸附点的可达性，导致水分与测定误差线性相关；无烟煤表面积大且表面官能团减少，水分的优先吸附使煤表面性质更均匀，水分与气体分子竞争煤表面的相同吸附点，水分与测定误差负相关。该结论对煤层瓦斯含量测定方法的选择和修正有重要意义。     

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。     

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。     

低氧条件下好氧型微生物降解煤吸附甲烷实验

为了研究好氧型微生物对低氧气浓度环境条件下煤吸附甲烷的降解效能,培养、分离、初步鉴定了高效降解甲烷的好氧型甲烷氧化菌。并在高压容量法瓦斯吸附-解吸装置的基础上,自主开发了低氧环境下甲烷降解实验分析系统,研究了氧气浓度为0%、5%和15%三种条件下甲烷氧化菌的降解效能,通过对实验前后甲烷减少量,二氧化碳增加量,氧气减少量进行分析。结果表明:在氧气浓度（0%~15%）范围内,随着氧气浓度升高及降解时间的持续,甲烷的减少量可达130.5 cm3,二氧化碳的增加量最高可达25.7 cm3,同时最多消耗69.0 cm3氧气;在无氧条件下,好氧型甲烷氧化菌的生理活性受到了一定的限制,但最高仍然可以降解11.9 cm3的甲烷,生成二氧化碳3.5 cm3。     

季铵盐离子液体改性活性炭及其热安全性研究*

为进一步提高活性炭对VOCs的吸附性能和热安全性,采用铵盐类离子液体改性原始活性炭,优化其理化性质。结果表明:改性活性炭表面生成新的无机盐化合物,C=O、-OH、C-O、-COOH和C-S基团增加;孔隙结构增多且分布均匀,比表面积及微孔体积增大;改性后活性炭对甲苯的吸附量提高3.14倍,吸附效率明显提升;在固定碳的燃烧阶段,改性活性炭活化能为54.44 kJ·mol-1,是改性前活性炭的1.38倍,活化能增大,物质稳定性增强;当粒径为120~150目及200目以上时,改性前后活性炭的自燃温度分别从328.4 ℃、319.3 ℃增长至355.1 ℃、345.7 ℃。因此,负载季铵盐离子液体可有效提高活性炭吸附性能和热安全性,研究结果可为优化VOCs处理工艺提供参考。     

预氧化浸水煤体表面结构变化及复燃特性*

为研究预氧化长期浸水煤体孔隙结构变化及贫氧复燃特性,以长焰煤原煤（RC）、浸水煤(S200)、预氧化200浸水煤(O200I200)、预氧化300浸水(O300I200)煤为研究对象,采用N2吸附、电镜扫描、热重实验手段,在21%,15%,10%,5%氧浓度下进行实验分析。结果表明:浸水后煤样比表面积增大,低温氧化最大质量变化率（DTG）较高,促进低温氧化过程煤氧复合反应;预氧化浸水煤样平均孔径增加,初始放热温度较小,总放热量增加,其中O200I200煤样热参数相对较大。随氧浓度增加,各煤样着火点温度减小,活化能增加,O200I200煤样的这2个参数较小;随氧浓度降低,煤样初始放热温度增加,最大放热量与总放热量减小。O200I200煤体孔隙较发达,锁水能力较强,持续升温后氧化能力较强,更易复燃。     

CO在烟煤中吸附与扩散的分子模拟研究*

为揭示CO在烟煤中的微观吸附和扩散机理,利用Wiser烟煤分子模型,通过巨正则蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学方法,研究5种不同温度（293.15,303.15,313.15,323.15,333.15 K）下,压力为0.1～3.0 MPa时CO吸附量、吸附热的变化,采用能量分布分析CO在烟煤中的吸附行为,利用扩散系数和扩散活化能研究CO在烟煤中的扩散特性。研究结果表明:CO在烟煤分子中的模拟结果符合朗格缪尔（Langmuir）吸附规律,随着温度的升高,Langmuir参数a和b减小,CO在烟煤分子中饱和吸附量和吸附能力降低。温度越高,烟煤分子的等量吸附热越低,烟煤分子吸附CO分子的平均等量吸附热为21.20～23.11 kJ/mol,小于42 kJ/mol,属于物理吸附;随着压力的升高,CO分子由能量较高的优势吸附位点逐渐向相对较弱的吸附位点移动;在模拟的温度和压力条件下,CO在烟煤分子模型中的扩散系数随温度和压力的升高而增加,扩散活化能随压力的升高而减小。研究结果为揭示CO在烟煤分子中微观吸附与扩散规律,准确预测采空区封闭火区煤自燃情况具有重要意义。