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。     

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.     

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。     

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.     

温度作用下考虑过剩吸附的煤岩吸附模型

为研究深部开采下煤岩吸附特性,利用等温吸附试验仪器开展不同温度下等温吸附试验,基于吸附热理论建立温度作用下考虑过剩吸附的煤岩吸附模型(改进的L-F模型),通过试验结果与模型预测结果对比验证其有效性。试验结果显示:煤岩吸附瓦斯属于物理吸附,且为放热反应,随瓦斯吸附量增加,煤岩等量吸附热逐渐下降;随瓦斯压力升高,在较低压力段中煤岩瓦斯过剩吸附量呈先快速增加后逐渐平缓的趋势,在较高压力段中过剩吸附量呈先增加后逐渐减小的趋势,随温度升高煤岩瓦斯吸附量逐渐减小。结果表明:相比常规模型(L、双L模型),改进的L-F模型对试验数据拟合效果较好,且能更好地预测不同温度下煤岩瓦斯吸附量。     

温度对瓦斯流动及全过程煤体变形的影响研究

为揭示不同温度下瓦斯吸附-解吸-渗流全过程煤体变形的差异性,应用自主研发的煤体瓦斯流固耦合试验系统,研究三轴应力加载下瓦斯吸附-解吸-渗流及全过程煤体变形随温度变化的响应特征。试验结果表明：瓦斯吸附阶段,煤体变形量与吸附时间呈Langmuir型上升变化;瓦斯解吸阶段,煤体变形量与解吸时间呈指数型衰减趋势;瓦斯渗流阶段,煤体变形量与时间呈幂函数上升趋势。瓦斯吸附量、渗透率及过程中煤体变形量均随温度升高而降低,瓦斯解吸率随温度升高而增大;煤体变形量与瓦斯吸附量、解吸量、渗透率呈正相关关系。温度效应对全过程煤体变形具有显著影响。     

连续升温条件下煤样瓦斯渗透特性试验研究

为研究温度对煤样瓦斯渗透率的影响,采用含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展相应试验。结果表明:煤样渗透率随温度的升高呈S型下降趋势,具体可分为缓慢下降、加速下降、减速下降、二次加速下降、平缓等5个阶段;载荷作用下煤样的体积应变随温度升高而增大,变化过程可以分为上升-减缓-再上升-再减缓4个阶段,与渗透率随温度变化过程相对应。     

块状型煤中甲烷的非等温吸附-解吸试验研究

为揭示煤中甲烷非等温吸附解吸规律,利用实验室试验方法,以块状型煤为研究对象,研究不同温度和压力下的甲烷吸附解吸过程。试验结果表明:相同温度条件下,随着压力的增高,吸附量增加并逐渐趋于平缓;同一压力下,解吸量小于吸附量,解吸出现滞后现象;相同条件下,型煤吸附量小于煤粉试样。不同温度区间,吸附解吸规律不同。在10～30℃,同一压力下,随着温度的升高,吸附量和解吸量下降幅度较大;在30～50℃,吸附量和解吸量出现先升高后降低的趋势,但变化幅度较小,温度变化对于吸附量和解吸量的影响较小。在10～30℃,温度是影响吸附解吸的主要因素。     

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。     

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。     

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。     

压力水影响煤层瓦斯解吸的试验研究及机理分析

为进一步认清压力水影响煤层瓦斯解吸的作用机理,采用实验室试验和理论分析相结合的方法,研究压力水对山西阳泉新景煤矿3号煤层瓦斯解吸特性的影响。在实验室,按照压力水与瓦斯进入煤体的先后顺序,设计出煤样吸附瓦斯前注水和吸附瓦斯后注水2种试验。吸附前注水试验结果表明,注水煤样的瓦斯解吸等温线与吸附等温线之间分叉明显,吸附量最大相差约4 m3/t;而吸附后注水试验结果表明,注水煤样的解吸等温线明显处于干燥煤样解吸等温线上方,吸附量相差最大约5 m3/t,该结果直观表明压力水对瓦斯解吸有抑制效应。经理论分析提出抑制解吸效应的机理,认为煤体孔隙发育是先天条件,压力水的浸入是后天条件,而毛管力和贾敏效应是抑制解吸效应的根本原因。     

低温取芯过程热传递方式的数值模拟和实验研究

为了研究热量在低温取芯过程中传递的方式,以型煤为研究对象,使用自制低温取芯模拟装置,通过实验并结合数值模拟,对低温取芯过程热量传递方式进行研究,进而分析煤芯温度的变化规律。研究结果表明:甲烷的存在降低了煤样的热交换速率,使煤芯温度变化滞后于煤样罐壁温度变化;煤体内部温度分布存在差异,煤样中心轴线不同半径处的圆柱面构成变温过程的等温面,在降温过程,热量沿径向由煤样内部向外部传递,升温过程,热量沿径向由外部向内部传递;低温取芯过程热量传递同时存在3种方式:热传导、热对流,煤体表面与罐体内壁表面之间的热辐射,以热传导方式为主。     

含瓦斯煤渗吸效应试验研究

为改善低透气性煤层瓦斯抽采末期抽采效果不佳的现状,受油气藏开采领域有关渗吸效应研究的启发,利用自制装置试验研究不同水量自然侵入含瓦斯煤层后的渗吸效应发生过程。试验结果表明:水分自然侵入含瓦斯煤层后,煤样罐内瓦斯压力不断升高,说明水分依靠渗吸效应能够置换出处于吸附态的瓦斯,从而有效促进瓦斯解吸;随煤样含水率的增高,最大渗吸量和最大渗吸率也逐渐增高,但增幅逐渐减小,二者与含水率之间均符合Langmuir型函数关系;整个渗吸过程经历快速、持续、终止3个阶段,快速渗吸发生在水分侵入的前1 h,此阶段的渗吸量占渗吸总量的50.84%~85.49%,渗吸过程最长可持续22 h,渗吸率最高可达23.83%,工程应用中可利用渗吸效应缩短瓦斯抽采合理预抽期。     

新疆某石化企业污水库周边土壤对钴的吸附行为研究

采用静态吸附法研究了新疆菜石化企业污水库周边土壤对重金属钴的吸附特征,考察了溶液pH值、钴离子平衡质量浓度、背景电解质浓度、吸附时间和环境温度等因素对钴吸附量的影响,并对吸附机理进行了初步探讨.结果表明:溶液pH值为1～4时,改变pH值对土壤吸附钴的影响显著;吸附时间在3h左右时钴吸附量趋于稳定;随溶液背景电解质浓度增大,土壤对钴的吸附量呈现先急剧后缓慢的下降趋势;土壤对钴的吸附量随温度升高而增加.拟合结果表明,Langmuir和Freundlich模型能较好地描述土壤对钴吸附的热力学过程;在3h内,土壤对钴吸附的动力学过程可以用一级反应动力学方程表示.方差分析结果表明,对土壤吸附钴量有显著性影响的因素有溶液pH值、钴离子平衡浓度、吸附时间和温度等.     

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。     

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。     

低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯吸附的影响

为分析低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯(甲烷)吸附特性的影响,采用高压容量吸附装置对3个低阶煤煤样和一个高阶煤煤样进行等温吸附试验和低温液氮吸附试验,并对比分析不同变质程度煤的吸附性能和孔隙结构。结果表明:低阶煤的吸附特性符合朗缪尔(Langmuir)方程;不同变质程度煤孔的结构存在明显差异,不同低阶煤的孔隙结构基本相近,在高压段均出现微小的滞后环,其孔形以两端开口的楔形孔为主,其对瓦斯的吸附主要集中于中孔和微孔中,中孔占比更大;煤体孔隙比表面积决定瓦斯吸附能力,中孔的比表面积与煤样的Langmuir体积线性相关,对吸附起决定性作用,而微孔的比表面积与Langmuir体积没有明显的正相关关系。     

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。