不同温度与压力下瓦斯的吸附-热力学特性研究

为研究不同温度和气体压力下煤岩吸附瓦斯行为及热力学特性,考虑真实气体行为和吸附相的影响,进一步修正L-F模型以量化煤岩吸附能力,通过不同温度和压力条件吸附数据验证新修正吸附模型的适用性.并以此计算煤岩等量吸附热,探讨温度和气体压力(吸附量)对等量吸附热的影响.结果表明,新修正的吸附模型能较好地表征低、中、高气体压力试验范围下的等温吸附行为,且较原L-F模型能够更精确地预测其他条件吸附量.煤岩吸附瓦斯过程中等量吸附热的绝对值随温度和吸附量升高均呈降低趋势,但气体压力处于亨利定律区域时,其对应等量吸附热并未展现出对温度和吸附量的依赖性,该值可作为评价煤岩在低压区域内吸附瓦斯亲和力的唯一指标.     

力热耦合条件下煤岩渗透率模型研究

为研究随采深增加煤岩的渗流变化趋势,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同温度下孔隙压力改变的渗流试验,建立力热耦合作用下考虑滑脱效应的煤岩渗透率模型,采用试验数据验证模型的有效性。研究结果表明:在孔隙压力增大过程中,瓦斯流量逐渐增加,随温度升高体积应变、径向应变均呈降低趋势,轴向应变呈先降低后升高趋势;随孔隙压力增大,煤岩渗透率先逐渐减小后趋于平缓,且随温度升高,煤岩渗透率呈增大趋势;考虑力热耦合作用下煤岩渗透率模型计算出的渗透率与试验所测结果吻合较好;在低孔隙压力下滑脱效应较明显,随着孔隙压力增大,滑脱效应逐渐减弱。     

考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理

为定量分析水分含量和孔隙压力变化对煤层气渗流特征的影响,采用ASAP2020型比表面微孔分析仪进行低温液氮吸附试验,并通过等温吸附装置和三轴伺服渗流装置进行不同含水率条件下的煤岩吸附和渗流试验.在此基础上,建立考虑煤岩水分含量影响的吸附模型和煤层气渗透率模型,采用试验数据验证其合理性.结果 表明:在液氮吸附试验中,当相对压力较小时,煤岩吸附作用主要依靠范德华力;当相对压力较大时,其吸附作用则主要为毛细凝聚.在相对压力变化过程中,氮吸附量随相对压力的增大呈增大趋势,同时在相对压力较小时液氮脱附曲线与吸附曲线重合,且存在显著的吸附滞后现象.当煤岩中水分含量相同时,煤层气吸附量随孔隙压力的增大先增大后趋向于平缓,而当孔隙压力恒定时,煤层气吸附量随水分含量的增大呈减小趋势.在吸附作用的影响下,煤岩表面吸附变形量与煤层气吸附量的变化趋势一致.在水分与吸附作用综合作用下,煤岩渗透率随孔隙压力的增大呈先减小后趋于平缓的趋势.当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率随水分含量的增大显著减小.基于吸附理论,建立考虑水分影响的煤岩吸附模型及吸附变形表达式.综合考虑水膜及其分离压的影响,进一步构建考虑煤层气吸附-水分耦合作用的煤岩渗透率模型.模型计算值与试验数据具有一致性,可较好地表征煤岩在不同含水量条件下的渗流规律.     

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。     

考虑气体传输和应力耦合作用的页岩表观渗透率演化机理

为模拟页岩气抽采过程中孔隙压力对其吸附特性和渗透特性的影响,通过吸附及多孔弹性理论,建立考虑过剩吸附量的吸附模型,并进一步建立考虑气体传输影响的页岩表观渗透率模型,通过试验数据验证其合理性。结果表明,1)随孔隙压力逐渐升高,页岩过剩吸附量呈先快速增加后趋于平缓的变化趋势;随温度升高,其吸附量呈降低趋势。考虑过剩吸附量和温度修正的吸附模型计算结果与试验所测结果吻合较好,且能较好地反映不同温度下页岩过剩吸附量与孔隙压力的关系。2)页岩气体吸附过程中产生的基质膨胀变形量随孔隙压力升高而升高,且温度较低时的气体吸附变形量大于温度较高时的变形量。3)在有效应力恒定的条件下,CH₄和He的表观渗透率随努森数增大而减小。相同孔隙压力条件下,随有效应力升高CH4和He的表观渗透率均呈降低的趋势,且页岩表观渗透率对有效应力的敏感程度随孔隙压力升高而降低。相同有效应力条件下,充入He的页岩表观渗透率均大于充入CH4的页岩表观渗透率。4)构建考虑气体传输和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型,模型计算的渗透率与实测值具有良好的一致性,能较好地表征不同外应力条件下的页岩表观渗透率演化规律。     

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。     

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。     

考虑支撑剂嵌入作用的煤岩渗透率模型

为研究煤层气抽采过程中支撑剂和应力耦合作用下的渗透率演化机制,利用吸附理论建立煤岩吸附变形方程,进一步构建考虑支撑剂和应力影响的渗透率模型,并通过试验数据验证其合理性。结果表明:煤岩吸附量与孔隙压力呈正相关的关系,其吸附变形也具有相同变化趋势;嵌入支撑剂的煤岩渗透率远大于常规储层,其中单层砂的增透效果最佳;随有效应力增大,煤岩渗透率呈指数函数形式减小;随孔隙压力的增大,煤岩渗透率呈先减小后趋于平缓的趋势;利用改进的理论模型拟合曲线,其中实测值与模型计算值基本吻合。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型

为有效预防煤矿瓦斯动力灾害,研究瓦斯气体对煤岩力学性质的劣化机制及煤岩损伤演化特征,以原煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同瓦斯压力下煤岩三轴压缩试验;建立瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型,通过试验结果验证该模型的合理性。结果表明:煤岩在塑性变形阶段前累计损伤几乎为0,峰后损伤程度迅速增大;随着瓦斯压力升高,煤岩峰值强度与弹性模量均降低,瓦斯气体作用后煤岩初始损伤量显著增加;煤岩黏聚力随瓦斯压力升高而呈线性降低,通过黏聚力与瓦斯压力的关系修正Mohr-Coulomb准则,可量化考虑瓦斯气体劣化后的煤岩应力应变关系;所建模型与试验结果吻合度较高,可反映不同瓦斯压力作用下煤岩损伤演化过程。     

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。     

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。     

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。     

煤吸附硫化氢混合气体的试验研究*

为研究煤层硫化氢（H2S）吸附特性,厘清煤层H2S赋存规律及改善H2S防治效果,采用分压测试法研究煤对H2S的吸附规律。以山西保利铁新煤业有限公司9#煤为研究对象,分别使用N2,He/H2S,N2/H2S为吸附介质开展等温吸附试验,分析煤对H2S及含H2S混合气体的吸附特性及影响因素。结果表明:煤对H2S的吸附量随压力升高而增加,随温度升高而降低,且温度对煤吸附H2S吸附量影响较大;H2S及N2/H2S混合气体的吸附曲线均符合Langmuir吸附模型,煤吸附N2/H2S混合气体时,H2S和N2存在竞争吸附,且N2吸附能力优于H2S;等温条件下,N2竞争吸附量随吸附压力的增加而增大,等压条件下,N2的竞争吸附量受温度影响较小。     

多因素对煤样吸附瓦斯影响试验研究

为研究粒径、含水量、温度、挥发分等因素对煤样吸附瓦斯特性的影响,选取4个典型矿井煤样,进行不同影响因素下的等温吸附试验,探讨各因素对煤样吸附瓦斯的敏感程度及影响规律。结果表明:在粒径、含水量、温度、挥发分等因素影响下,煤样吸附瓦斯过程仍可用Langmuir方程表征;挥发分、温度、粒径分别对吸附常数a,b及吸附饱和度X的影响程度最大;吸附常数a随粒径、含水量、温度、挥发分的增大而减小,吸附常数b及吸附饱和度X随粒径、含水量的增大而减小,随温度、挥发分的增大而增大;吸附常数a,b及吸附饱和度X受以上4个因素的影响程度不同,与其均呈一定的函数关系,据此可构建综合计算模型。