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.     

煤样瓦斯放散性能多因素敏感性试验研究

煤的瓦斯放散性能是影响煤与瓦斯突出的一个重要因素,瓦斯放散初速度是表征瓦斯放散性能的主要指标之一,其影响因素较多。采用"四因素、四水平"正交试验方法,通过自主研发的MFGE-1型瓦斯放散初速度试验台,测定了粒径、水分、吸附时间及温度等影响下的瓦斯放散初速度;应用方差分析等方法,研究各因素对煤样瓦斯放散性能影响的敏感性,以及两者相互间的变化规律。结果表明:自主研发的瓦斯放散初速度试验装置可满足试验测定要求;粒径对瓦斯放散初速度的影响最大,其次是水分、温度及吸附时间;绘制了各因素对瓦斯放散初速度影响的直观分析图,得到瓦斯放散初速度随粒径、水分及温度增大而减小,随吸附时间增加而增大;与粒径、水分呈指数关系,与温度呈线性关系,与吸附时间呈幂函数关系,并构建了多因素影响下的综合模型。     

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。     

煤吸附CO_2体积影响因素试验研究

为研究煤吸附CO_2在多因素耦合作用下体积的影响因素,采用HCA高压容量法测定不同条件煤样对CO_2吸附量影响,并计算Langmuir体积,分析温度、粒径、含水率3种因素耦合影响煤对CO_2吸附程度,通过Design Expert软件设计Box Behnken试验,构建煤吸附CO_2的Langmuir体积二次回归响应曲面模型。结果表明:吸附量随温度、粒径增加而减小,随含水率升高呈先减小后稳定的趋势;影响因素中温度、粒径、含水率各单因素均为显著影响;多因素作用时影响程度大小依次为:粒径和含水率温度和粒径温度和含水率,温度和粒径、粒径和含水率之间交互作用显著,温度和含水率之间交互作用不显著。     

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。     

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。     

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。     

煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响研究

为研究煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响及其变化规律,选取挥发分含量不同的四种典型烟煤煤样,分别制备成31.5、44、62.5、81.5、119、>150 μm六种粒径,利用煤尘爆炸性鉴定装置测试其爆炸火焰长度,并对其爆炸火焰长度变化规律进行分析。结果表明:随着挥发分含量的增加,不同粒径级别的煤尘爆炸火焰长度均呈增长趋势;在挥发分含量较低的区间,挥发分含量增加对爆炸火焰长度影响不大;在挥发分含量较高的区间,随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度也急剧增加,并且粒径越小增加的越快。对于同一实验煤样,随着粒径的增大,其爆炸火焰长度逐渐减小,粒径增大到150 μm以上时爆炸火焰几乎消失。爆炸火焰长度随粒径变化的变化率根据实验煤样的不同,呈现出两种变化规律,挥发分含量为18.99%和27.52%煤样的爆炸火焰变化率先增加再减小再增加,挥发分含量为32.20%和39.74%的煤样呈现先增加再减小的趋势,但四组实验煤样的爆炸火焰长度变化率都在44～62.5 μm的粒径变化量时达到最大值。     

混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响

在单一煤体吸附瓦斯的基础上,选用某煤矿硬煤和软煤,按照不同的厚度比进行分层混合,模拟煤层中软分层。运用Langmuir单分子层吸附理论,对混合煤样中软分层的吸附性质及其存在对煤与瓦斯突出的影响进行了研究。实验中利用自行研制的高压瓦斯吸附仪,对不同厚度比的混合煤样吸附瓦斯气体的等温吸附曲线、吸附常数a、b进行了实验分析,并得出了吸附量随压力的变化形态和吸附常数a、b随硬煤和软煤厚度比的变化形态。分析结果发现在软分层与其上覆硬煤层厚度近似相等时,发生突出的危险性最大,并通过理论分析说明了软分层的存在,煤层易发生煤与瓦斯突出的原因。可为煤与瓦斯突出机理的研究提供理论基础和思路。     

烟煤煤样吸附特性及控制因素试验研究

为了补充我国煤炭主产区华北区域主要发育煤种烟煤的吸附特性等相关参数,通过等温吸附试验得到了不同变质程度烟煤的等温吸附曲线及吸附常数,并结合煤样变质程度、微孔隙结构和煤岩成分组成,分析了影响烟煤吸附特性的因素,确定了煤岩成分是影响此区域煤样吸附特性的主控因素。结果表明:随变质程度(Ro,max)增加,VL和pL呈现指数式的增加趋势,VL相近的煤样pL的差异表征着煤样吸附瓦斯难易程度的不同;随微孔所发育比表面积减小,VL和pL均呈现微增趋势,存在的这种弱相关性表征为Ro,max-微孔比表面积曲线与Ro,max-VL和Ro,max-pL曲线的反对称关系;煤岩成分是影响此区域烟煤吸附及储集瓦斯气体能力的主要原因,一方面随固定碳质量分数增加,VL线性增加,呈现极强的正相关性,另一方面煤样水分质量分数与VL呈弱相关性,水分的存在会抑制瓦斯气体的吸附。     

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.     

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.     

低温变温条件下煤吸附瓦斯过程研究

为保证煤层瓦斯含量测定结果的可靠性和准确性,引入低温冷冻取芯技术,利用高低温吸附试验装置,开展低温变温条件下煤样吸附瓦斯全过程试验研究,并分析降温过程中煤样中瓦斯吸附量变化特征。研究结果表明:在程序降温过程中,煤样罐内煤样温度先缓慢下降后趋于稳定,煤样温度变化集中在前3 h,持续一段时间,3 h后基本趋于稳定,与外界环境温度保持一致;试验温度降低过程中,瓦斯吸附量呈现升高-降低交替变化(总体趋势为升高)的特性,随温度的稳定趋于稳定;瓦斯吸附量降低阶段基本呈线性变化趋势,吸附量下降速率先增大后减小。     

2种原煤样渗透性对比试验研究

为了研究构造煤原煤样与硬煤原煤样渗透率变化规律的异同,用三轴渗流装置对2种原煤样进行了瓦斯渗透性试验。在改变单一因素条件下,分别研究围压和瓦斯压力对2种煤样渗透性的影响,同时研究轴压加载及卸载过程中2种原煤样的渗透率变化规律。结果表明;瓦斯压力恒定时,2种煤样的渗透率都随围压的增大而减小;围压恒定时,瓦斯压力在0.2~0.6 MPa范围内,2种煤样的渗透率都随瓦斯压力增大而减小;瓦斯压力及围压同时保持恒定时,2种煤样的渗透率都随轴压增大不断减小,2种煤样在卸载阶段渗透率均不断增大,但均没有恢复到加载前的渗透率,构造煤煤样渗透率恢复率比硬煤小,说明构造煤加载过程中发生塑性破坏比例大于硬煤。     

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%。     

煤燃烧特性热重试验研究及动力学分析

为了研究煤样挥发分、氧化程度及燃烧时氧气浓度对煤样燃烧难易程度的影响,设计并完成有关相应影响因素的3组热重分析(TGA)试验。采用等转化率法和特征温度分析法进行数据分析。结果表明:特征温度法显示煤燃烧时高挥发分煤样的特征温度较其他煤样低;等转化率法显示高挥发分煤样的各转化率下活化能也均低于其他煤样。2种方法的分析结果一致,都显示挥发分含量高的煤样较其他煤样易于燃烧。分析不同氧化程度下的煤样燃烧热重曲线和不同燃烧时氧浓度情况下的热重曲线得出,氧化程度越高,燃烧时氧浓度越高,煤越早开始燃烧,燃烧速度也越快。     

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。     

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。     

孔隙压力对煤岩渗透率影响的试验研究

为探索孔隙压力对煤岩渗透特性的影响和瓦斯运移规律,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,利用自带能量扩散X射线(EDX)扫描电镜(SEM)、比表面微孔分析仪,分析煤岩的孔隙特征,同时利用自主加工的三轴渗流装置,进行不同压差下孔隙压力变化的渗流试验研究。结果表明,煤岩孔隙特征、氮气吸附量与孔裂隙发育程度成正相关关系,且与孔径的孔连通率有关。压差一定时,随着孔隙压力增加,煤岩渗透率下降,呈指数函数规律;压差小时,煤岩渗透率的减小率随孔隙压力的增大而减小。煤岩渗透率随试件两端压差的增大呈指数函数减小。     

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。