超临界状态下中高阶变质煤吸附甲烷特性研究

为揭示中高阶变质煤对超临界甲烷的吸附特性,更准确预测深部煤层气资源量和评判煤层气(瓦斯)抽采效果,选取4个矿区不同变质程度中高阶煤样,采用重量法进行等温吸附试验,并基于过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,分析甲烷超临界状态下煤吸附甲烷的吸附相密度、吸附甲烷层数和吸附量等吸附特性。结果表明:试验得到的过剩吸附量随压力增大出现峰值;低压状态下,绝对吸附量随压力增加而增大,甲烷在煤表面表现为单分子层排列,接近临界压力4.59 MPa时,增量变缓并趋于稳定,超临界状态下甲烷在煤颗粒表面以单分子层吸附为主,局部逐渐出现2层吸附;同温同压下绝对吸附量与变质程度正相关,无烟煤极限吸附量为中阶烟煤的2倍左右。     

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。     

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。     

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。     

贵州北部突出煤的孔隙结构及分形特征研究

为揭示突出煤孔隙结构对瓦斯吸附能力与放散性能影响,通过贵州北部3个典型煤矿煤样的低温液氮吸附试验,研究突出煤比表面积、孔容、孔隙平均孔径、最可几孔径、分形维数等5种孔隙结构参数,以及突出煤孔隙的瓦斯扩散模式,分析突出煤孔隙特征参数对吸附能力和放散初性能的影响特征。结果表明:突出煤的孔隙结构较为发育,孔隙通透性较差;孔隙中气体以过渡型和菲克型扩散为主;相比温度,压力和孔径对努森数影响更明显;突出煤孔隙特征参数与瓦斯放散初速度呈较好的线性关系,且分形特征明显,吸附能力随分形维数呈二次函数递增,瓦斯放散初速度随分形维数线性增大。     

厌氧型甲烷氧化菌降解煤吸附甲烷实验研究

以贵州六枝特区龙岭煤矿大巷中泥样作为厌氧型甲烷氧化菌富集源,以甲烷作为培养过程中唯一碳源,从中筛选出可以在低氧(1.99%)或无氧条件下对甲烷具有较高降解效能的菌种,并自主开发出甲烷氧化菌降解煤吸附甲烷实验分析系统。实验结果表明,在压力为1~5 MPa范围内无论是低氧或无氧状况下,甲烷压力越大越有利于其降解;稀氧条件下煤样对甲烷的吸附量相对于纯甲烷气体吸附量有所降低,然而在同等压力条件下稀氧环境中二氧化碳的增加量及甲烷的降解率都要明显大于无氧条件下,低氧状况下甲烷的最高降解率为47%,最大二氧化碳生成量可达40 cm^3。     

不同粒度型煤煤样瓦斯吸附-解吸变形特征实验研究

为了掌握煤岩材料在不同吸附-解吸瓦斯条件下的变形规律,基于实验系统开展了相关研究,研究结果表明:煤岩材料在吸附瓦斯后可产生膨胀变形,发生瓦斯解吸时会产生收缩变形,这一变形量与煤岩材料的孔裂隙结构和瓦斯压力有直接关系,实验采用的0.85 mm粒度的煤样在同等瓦斯压力条件下其吸附变形量最大,变形量受瓦斯压力变化比较明显,由吸附产生的最大变形为1 118με,实验采用的0.42 mm粒度煤样在相同瓦斯压力条件下变形量最小;煤岩瓦斯吸附产生膨胀变形,且煤岩瓦斯解吸后并不能完全恢复至初始状态,存在一定的残余变形量,数据分析得出残余变形量与瓦斯压力呈指数函数关系,并受煤岩孔隙结构和吸附特性影响。可为矿井瓦斯防治、瓦斯抽放及含瓦斯煤岩的力学性质的研究提供支撑。     

基于地层条件下煤层瓦斯流动模拟研究

为了研究地层条件下瓦斯流动特点,通过建立瓦斯吸附-解吸、扩散和渗流综合流动数学模型,分析不同埋深条件下瓦斯流动机制,并模拟吸附层和滑脱效应对瓦斯流动的影响。结果表明:随煤层埋深增加,部分纳米孔隙内瓦斯流动机制由扩散过渡到渗流,这有利于瓦斯运移;在煤层深部,瓦斯吸附层和滑脱效应对瓦斯渗流作用影响不大;随埋深增加,瓦斯吸附层对瓦斯运移影响逐步增大,而滑脱效应则逐步弱化;在埋深相同时,两者对瓦斯运移的影响都随孔隙直径增大而减小。研究有助于深入了解瓦斯在深部煤层流动的机制,提高深部煤层瓦斯抽采效果。     

考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

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。     

软、硬煤层残余瓦斯含量区域效果检验临界值研究

针对软、硬煤层瓦斯含量区域突出危险性效检指标临界值存在较大差异这一工程实际。建立软、硬煤样相关参数关系模型,对基于残余瓦斯含量的区域防突措施效果检验指标临界值进行研究。结果表明:同一煤质软煤和硬煤瓦斯吸附量差别不大,但随着煤的变质程度降低,软、硬煤瓦斯吸附量差值先减小后增大。对存在软、硬分层的煤层,建议采用0.74MPa时软、硬煤瓦斯含量测值的小值（取整）作为煤层残余瓦斯量指标的临界值。此研究因地制宜地确定符合矿井实际的突出预测指标临界值和区域措施效果检验指标临界值,对降低防突成本具有重要意义。     

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。     

瓦斯压力对煤与瓦斯射流突出能量的影响

瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,其与突出能量的关系尚不明确。将煤与瓦斯突出视为煤-瓦斯气固两相射流突出,在分析煤与瓦斯射流突出过程的基础上,建立了煤与瓦斯射流突出数值模型,给出了突出能量表达式。通过理论分析、数值模拟相结合,得到了瓦斯压力对煤与瓦斯突出能量、突出强度、瓦斯涌出量等参数的影响规律。结果表明,突出发生时,突出能量具有波动性,即以突出口为界存在能量集聚骤升区和能量释放衰减区。能量集聚骤升发生在突出孔洞至突出口段,瓦斯-煤两相流突出速度成倍增大;能量释放主要发生在突出口附近和巷道中,瓦斯-煤两相流突出速度逐渐减小。煤与瓦斯射流突出产生强烈涡旋,在顶板、底板处尤为显著,与现场观察到的突出后顶板有摩擦和划痕、底板突出煤粉有分选现象一致。瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。计算得到的煤与瓦斯射流突出能量量级与前人结论基本吻合,结果可为煤与瓦斯突出能量预测提供参考。     

Co-utilization of two coal mine residues: Non-catalytic deoxygenation of coal mine methane over coal gangue

The deoxygenation of coal mine methane (CMM) is a necessary process for concentrating methane by pressure-swing adsorption technology. Removal of oxygen in CMM by the reaction between oxygen and carbon in coal gangue is a novel solution for simultaneously utilizing two kinds of byproducts of coal mine, CMM and coal gangue. Process conditions for the deoxygenation of CMM were investigated systematically by using a fixed-bed reactor. The results show that higher temperature and lower gas flow rate not only decreased the residual oxygen concentration in the outlet gas but also increased the methane loss, and that the particle size of gangue did not influence deoxygenation within the experimental conditions used. Under optimal conditions (650 °C and 250 mL/min), there was no residual oxygen in the outlet gas and the methane concentration decreased by less than 0.5 mol%. XRD results show that coal gangue was activated during deoxygenation, and that activated gangue was suitable for utilization as a main component in cementitious materials.     

二氧化碳与水预处理煤样对甲烷吸附热效应特性的实验研究

研究煤体吸附甲烷的热效应对于深入揭示煤层气在煤表面的吸附机理有重要意义。通过C80微量量热仪测试了无烟煤、焦煤、褐煤在二氧化碳与水预处理前后的甲烷吸附热力学参数,得到甲烷的等温吸附曲线和吸附热曲线,并建立了甲烷吸附量—吸附热定量模型,从能量角度解释了煤样预处理前后对甲烷的吸附特性。研究结果表明:经二氧化碳与水预处理后,煤样对甲烷的吸附量以及吸附过程产生的微量吸附热均有所增加,且预处理对煤体造成的影响主要体现在能增大其表面孔隙结构。     

基于变压吸附原理的上隅角低浓度瓦斯处理技术研究

针对煤矿瓦斯气体容易在上隅角位置积聚,造成煤矿安全隐患这一难题,提出并设计了用变压吸附方法（PSA）分离瓦斯,降低上隅角瓦斯浓度的试验方案。依据相似原理及东庞煤矿实际工作面相关参数制作了U型通风系统采煤工作面及采空区模型。采用抽出式通风,向巷道混入甲烷气体,进行了相关的模拟实验。吸附设备正常工作时,上隅角位置的甲烷浓度能由1．1％～1．2％降低到0．7％-0．8％左右,该方法在解决上隅角甲烷积聚问题上能够起到积极作用。     

中国煤矿安全技术进展

本文综述了我国在防治矿井瓦斯,矿井火灾和煤矿粉尘三个方面的技术概况。反映了为适应煤炭生产技术的发展,我国在这三方面的技术进展及所取得的效果。矿井瓦斯防治技术方面,主要介绍了矿井瓦斯涌出量的确定,瓦斯抽放工艺及装备,煤与瓦斯突出预测预报和综合防止煤与瓦斯突出技术的情况及成果。矿井火灾防治技术方面,着重介绍了矿井火灾预测预报技术,尤其是煤炭自燃发火早期预测预报技术以及煤矿自然发火防治技术中在灌浆代用材料,惰气防灭火等方面的发展及现状。煤矿粉尘防治技术方面,扼要介绍控制粉尘危险的基本途径,以防尘为中心包括降尘、除尘和防止煤尘爆炸及爆炸传播技术的一整套治理煤矿粉尘的工艺及装备,简要介绍了瓦斯煤尘爆炸的实验能力。通过本文的介绍,可以对我国在防治煤矿安全生产中主要自然灾害的技术对策和取得的成果有一个较全面的了解。     

阿司匹林生产用废弃活性炭的微波一步再生

阿司匹林生产过程中会产生大量的粉末状废弃活性炭,对环境造成了较大的影响。提出了不外加活化气体的微波加热一步再生法再生废弃活性炭,使之循环利用。通过试验考察了再生温度、再生时间和物料厚度等因素对再生活性炭吸附性能和得率的影响。在再生温度700℃、再生时间10 min和物料厚度20 mm的优化条件下,亚甲基蓝吸附量为180 mg/g,再生活性炭的得率为40.875%,与常规方法再生药用活性炭相比,降低了再生温度,再生时间缩短了50%左右。此时再生活性炭的比表面积为1 296 m~2/g,平均孔径为3.016nm,适合于吸附亚甲基蓝,总孔体积为0.977 4 m L/g,其中微孔占47.81%,表明微孔和中孔都较为发达。扫描电镜和傅里叶变换红外光谱图分析表明,活性炭孔隙和表面性质得到了有效的再生恢复。微波一步再生法避免了通入活化气体而导致大量粉末活性炭被带走的问题,并且该方法具有速度快、效率高等优势。     

基于非分散红外技术的煤矿井下有害气体定量探测方法研究

煤矿井下有害气体的浓度监测对煤矿生产安全预警至关重要。介绍了一种基于非分散红外光谱技术能够同时定量探测煤矿井下一氧化碳、甲烷等有害气体的方法。入射红外光经过高速旋转的滤光轮,得到各种待测气体相应滤波通道的调制光信号,经怀特池中待测气体吸收后得到各种气体的吸光度。通过非线性最小二乘拟合吸收光与被测气体浓度,得到测量系统的浓度定标曲线,一氧化碳、甲烷和二氧化碳三者定标拟合相关系数分别为0.9992、0.9996和0.9998。分析了系统的测量精度,通过比较样气标准浓度与实测浓度大小,发现所有被测气体的这两组数据的相关性均大于0.998,测量误差均小于5%。实验结果表明,采用非分散红外光谱技术可以实现煤矿井下多组分有害气体的同步精确探测,为扩展煤矿安全预警技术手段提供了参考。