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。     

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。     

不同孔隙孔径碳材料对甲烷的吸附特征研究

为探究煤矿瓦斯气体吸附存在的孔隙孔径大小及煤矿瓦斯突出压力定为0.74 MPa的微观原因,采用计算化学材料软件Material Studio对碳材料孔隙孔径进行模型构建,通过Sorption模块计算不同碳材料孔隙孔径对甲烷的吸附情况,得到了单层和双层不同孔隙孔径碳材料对甲烷的吸附数据,然后用内插法得到0.74 MPa条件下单层和双层孔隙孔径碳材料对甲烷的吸附量。结果表明:单层和双层碳材料孔隙孔径对甲烷吸附的最佳孔径分别是10和8;0.74 MPa条件下不同孔隙孔径碳材料对甲烷的吸附量均在75%以上,对于最佳孔径甚至在90%以上。     

硫化氢对不同煤级煤甲烷吸附影响效应研究

为探究H₂S在不同煤级煤体中对CH₄吸附特性的影响效应,利用分子模拟构建肥煤、瘦煤及贫煤3种不同煤级的复杂煤大分子结构模型,并探究H₂S对煤体孔隙的影响作用以及H₂S在煤中的吸附特性,分析不同煤级煤体中H₂S对CH₄饱和吸附量的影响作用。结果显示：煤体表面积与孔隙体积与煤变质程度有关,由大到小依次为肥煤、瘦煤、贫煤;在煤体吸附H₂S过程中,煤体表面及孔隙为H₂S提供吸附场所,且H₂S对贫煤孔隙率影响较为明显;在同温同压条件下,H₂S在同一煤体中的吸附热约为CH₄的1.5倍,在对CH₄及H₂S的双组分气体吸附中,煤体对H₂S的吸附能力大于CH₄;煤体H₂S质量分数在0～1.5%变化区间内,贫煤的Langmuir吸附常数a降幅高达77.4%,肥...     

氢气对预混甲烷/空气燃爆过程的影响

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%、2.95%、4.40%。分别对加入不同体积分数的甲烷爆炸过程中爆炸压力、火焰图像和爆炸温度进行测量、分析。结果表明:只有在8%纯甲烷爆炸时能够形成完整的郁金香火焰。8%和9.5%甲烷体积分数试验中,氢气的加入使火焰面由上下对称变得不对称,火焰阵面上移,火焰速度加快;爆炸中的最大超压增大并且最大超压时刻点提前。在11.5%的甲烷加氢试验中,随加氢量增加,爆炸压力、温度、火焰速度分别略微降低。这表明氢气的加入在体积分数为8%的爆炸反应中较大地促进了反应,而体积分数为11.5%时加氢后爆炸反应减弱。通过理论分析计算了半封闭管道中体积分数为9.5%甲烷爆炸温度和实测温度之间的差异。爆炸压力和温度的变化能很好地反映加入氢气对甲烷爆炸的影响。     

煤层注水抑制瓦斯解吸效应试验研究

煤层注水宏观上具有疏松煤体、卸压排放瓦斯的效应,这是人们对煤层防突机理的初步认识。为进一步认清煤层防突机理,采用实验室试验和现场测试相结合的方法,在实验室中使干燥煤样在煤样罐中预先吸附瓦斯来模拟原始煤层,然后向试验煤样高压注入水分,注水后再测试瓦斯解吸等温特性曲线、瓦斯解吸速度及残存瓦斯含量。测验结果表明,注水后瓦斯解吸等温特性曲线上移,初始瓦斯解吸速度变小且衰减速度变慢,残存瓦斯含量增加,现场测试钻屑瓦斯解吸指标值降低。通过分析测试结果认为,注水后,水分进入并留存在煤体的微孔隙中,对煤层瓦斯具有抑制解吸效应,而抑制解吸效应可以降低瓦斯初始解吸速度,使瓦斯解吸过程变缓,避免瓦斯突然快速解吸。这是煤层注水防治煤与瓦斯突出的一项重要机理。     

温度压力耦合对甲烷爆炸极限影响的试验研究

在对甲烷爆炸极限理论分析的基础上,建立了一套温度压力耦合条件下的气体爆炸极限测试系统,并对甲烷在50~200℃和0.2~1.0 MPa环境条件下的爆炸极限进行了试验研究。结果表明:随环境温度升高和环境压力增大,甲烷爆炸上限升高,爆炸下限下降,爆炸范围变大;在200℃和1.0 MPa条件下,试验测得的甲烷爆炸下限为4.05%,爆炸上限为25.6%,相对于常温常压条件爆炸下限下降了0.95%,而爆炸上限上升了9.6%,这表明初始温度和压力对甲烷爆炸上限的影响较大,而对爆炸下限的影响较小。     

钻屑暴露时间误差对解吸指标△h2误差的影响

钻屑瓦斯解吸指标△h2是预测煤与瓦斯突出的重要方法之一.通过分析钻屑瓦斯扩散的过程,建立了钻屑瓦斯扩散的数学物理模型,推导出了钻屑解吸指标△h2的解析解.对钻屑瓦斯放散量随时间的变化规律,△h2的绝对误差和相对误差随钻屑暴露时间误差的变化规律进行了研究.结果表明:钻屑瓦斯放散量随放散时间的增长而增加,且增加幅度随时间逐渐减小;△h2的绝对误差和相对误差都随钻屑暴露时间误差的增大而增加.因此,暴露时间的准确性对获得真实的△h2至关霞要.     

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。     

水蒸气对层流甲烷/空气扩散火焰中烟黑生成的影响

空气中水的存在会严重影响烷烃类扩散火焰中烟黑的生成,研究氧化剂流中水对烷烃类火焰的影响,对污染物控制及火灾扑救具有重要意义。模拟采用24步简化机理的有限速率化学反应模型、Moss-Brookes烟黑模型及Discrete Ordinates(DO)辐射模型,研究在空气中加入水对甲烷/空气层流伴流扩散火焰的影响,其中烟黑模型包括烟黑的成核、表面增长和氧化。结果表明,伴流空气中的水蒸气会降低火焰的温度、抑制烟黑的生成。这是因为:一方面,水蒸气降低了甲烷燃烧的温度,火焰温度的降低导致化学反应速率减慢,烟黑成核和表面生长速率随之降低,火焰中烟黑质量分数便减少;另一方面,由于水蒸气的加入使化学反应OH+H_2 H+H_2O(R(15))逆向反应加速,继而导致OH生成量增加。但由于氧气浓度降低使火焰体积增大,OH的浓度降低。从而导致烟黑的氧化速率降低,烟黑生成量增加。由于水蒸气的化学效应小于其温度效应,总体上烟黑质量分数降低。最后对比了模拟结果和试验结果。     

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。     

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.     

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。     

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。     

高压注入和等压扩散条件下N2置换煤中CH4的研究

为探究注气置换抽采煤层瓦斯的效果,揭示注弱吸附性气体N2在等压扩散和高压注入2种条件下置换煤中CH4的机理,采用自行搭建的含瓦斯煤多元气体置换试验装置,开展等压扩散和高压注入2种条件下注N2置换煤中CH4的试验研究.研究结果表明:在注N2量相同的条件下,等压扩散置换量始终高于高压注气置换量,在等压扩散下N2置换CH4效...     

水分自然侵入促进含瓦斯煤解吸效应实验研究

为定量研究水分自然侵入对含瓦斯煤解吸促进影响效果,利用自制的“高压吸附-水分自然侵入-数据自动采集”实验系统,对不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯压力变化进行了连续监测。结果表明:水分侵入后依靠竞争吸附能置换出吸附瓦斯,从而促进含瓦斯煤瓦斯解吸,其促进效果与煤样含水率相关;当煤样含水率由2%增至12%时,瓦斯置换量由2.18ml/g增至4.48ml/g,瓦斯置换率由11.48%增至23.83%,煤样吸水饱和前,含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率η之间满足Q=1.695Mad/(1+0.3Mad)和η=8.85Mad/(1+0.29Mad)关系模型,煤样吸水饱和时,水分对瓦斯解吸的促进效果达到极限值;工程应用中可利用水分对瓦斯解吸的促进影响效应进一步提高瓦斯抽采率。     

表面活性剂在甲烷氧化菌降解煤体甲烷中的适用性研究

甲烷氧化菌液在进入煤储层后会产生较高的毛管压力,且随着甲烷氧化菌降解煤层瓦斯的进行,毛管压力逐渐增大,容易引起水锁伤害。采取向甲烷氧化菌菌液加入复配表面活性剂以期减缓菌液造成的水锁伤害,通过测试所选表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）与椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（CDEA）对菌液表面张力的降低程度来了解表面活性剂与菌液的配伍比例,并对含复配表面活性剂的甲烷氧化菌对煤层甲烷的降解进行研究。研究结果表明:表面活性剂与菌液最佳配伍比例为SDBS∶CDEA为1∶4,最佳配伍浓度为0.5％,且表面活性剂在菌液中稳定性较好;菌液中添加复配表活剂20 mL,在混合气体压力为2 MPa、氧浓度为 1％、温度为 30 ℃时,添加复配表面活剂菌液的甲烷最终降解率为51.65％,比未添加复配表面活剂菌液高出11％左右。因此,向甲烷氧化菌菌液中添加复配表面活性剂具有很好的适用性。     

微波辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性影响实验研究

为了研究微波场连续-间断辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性的影响,通过自制的实验装置,分析研究了微波连续-间断作用10 ,20 ,40 s及无微波作用下的构造煤颗粒瓦斯解吸量及解吸速率变化规律,并采用水浴加热装置模拟微波产生的热效应,研究了微波热效应在促进煤粒瓦斯解吸中的影响。实验结果表明:在微波连续作用时间内,瓦斯解吸量和解吸速率均迅速增大,然而随着时间的延长衰减较快,最终瓦斯解吸量趋向于一定值,微波连续-间断辐照作用下的瓦斯解吸量是无微波加载作用下的1.83～3.93倍;微波产生的热效应对瓦斯解吸影响较为显著,权重达82%以上,然而其非热效应的影响也不可忽视。实验方法与结果可望为促进构造瓦斯解吸、降低煤层突出危险性提供参考。