煤层瓦斯含量的研究

通过研究煤层瓦斯含量实验室测定的各个环节,为防治瓦斯灾害,煤矿安全、高效生产提供了科学保障。以平煤十三矿为研究应用基地,对煤的吸附常数进行了理论推导并实现了线性求解关系,并进行了计算机回归拟合求解;详细介绍了煤层瓦斯含量实验室测定的整个过程,并进行了应用计算;研究分析了测定过程中的影响因素,减小了实验误差。通过研究分析,掌握了煤的吸附常数以及煤层瓦斯含量实验室测定的的详细过程,实现了实验室准确测定煤层瓦斯含量的目标。     

煤层瓦斯含量测定数据的计算机处理

瓦斯在煤中是以三种状态存在的,即游离瓦斯、吸附瓦斯和吸收瓦斯,由于深入煤体胶粘结构间的吸收瓦斯量很少,一般不予测定,因此煤的瓦斯含量通量只包括游离瓦斯和吸收瓦斯、游离瓦斯是根据煤的孔隙率与瓦斯压力进行计算,而吸附瓦斯则根据煤的吸附常数进行计算,当然煤的水份、温度及瓦斯成份等对其也有影响。     

煤层瓦斯吸附常数分布参数的极大似然估计

从潞安矿区常村矿采集煤块制作成粒径为0.17～0.25 mm的煤样,利用容量法测定了6组煤样在不同压力下的瓦斯吸附量.利用最小二乘法,得到了各组煤样吸附常数.将6组煤样吸附常数作为煤块吸附常数的一个观测样本,对煤块吸附常数的均值和均方差进行了极大似然估计,并将煤块吸附常数的均值和均方差作为煤层吸附常数均值和均方差的近似值.研究表明,在煤块Langmuir体积常数和Langmuir压力常数均服从对数正态分布的前提下,均值的极大似然估计值分别为3.17和0.373,标准差的极大似然估计值分别为0.062 9和0.111,相应的变异系数估计值分别为6.40%和11.1%;为了客观地评价煤块瓦斯吸附常数的离散性,不应过多地舍弃实验结果;为了正确估计煤层的瓦斯吸附常数,应从煤层多处采集煤块.     

煤层瓦斯吸附能力实验研究

根据Matlab人工神经网络极强的非线性逼近能力,对煤层瓦斯吸附能力进行了实验研究。以沙曲矿5号煤层为测试样板,用容量法测定瓦斯吸附能力,根据试验测得数据计算出其瓦斯吸附常数。实验检测结果表明,瓦斯吸附常数值26.7899和0.5434在误差允许范围内。该检测过程简捷,且具有较高的精确度。     

温度对煤吸附瓦斯的动力学特性影响实验研究

为进一步揭示煤层瓦斯吸附特性,选择典型矿井煤样进行不同温度(40,50,60,70,80℃)下煤样瓦斯等温吸附实验,采用准一级、准二级、颗粒内扩散以及Elovich等吸附动力学模型分析瓦斯等温吸附规律及机理,进而探讨温度对煤吸附瓦斯动力学特性的影响。研究表明:温度升高,瓦斯吸附量、吸附饱和平衡时间减小;相同温度条件下,吸附速率与时间呈负相关关系;4种吸附动力学模型中,准一级动力学模型拟合效果最好,准二级动力学模型次之,颗粒内扩散模型最差,准一级动力学模型得到的平衡时吸附量与实验结果最为吻合;温度与准一级吸附速率常数k1,准二级吸附速率常数k2,Elovich吸附速率常数β呈正线性相关,与颗粒内扩散速率常数kp,准一级及准二级动力学平衡吸附量Qe1,Qe2均呈负幂函数关系,与Elovich吸附常数α呈负线性关系。温度影响煤体吸附瓦斯分子体系的反应速率,相同条件下,温度升高,瓦斯分子脱附速率增大,煤体瓦斯吸附量减小。     

温度对煤的瓦斯吸附性能影响的试验研究

通过实验研究了不同温度、不同瓦斯压力情况下,煤的瓦斯吸附性能的变化规律,得出了当温度、瓦斯压力变化时,煤的瓦斯吸附曲线以及吸附常数随温度变化的数学关系式,为研究瓦斯在煤层中的赋存和流动规律提供了物理基础。     

构造煤微观结构对其吸附特性的影响实验

为研究构造煤孔隙微观结构及其对瓦斯吸附的影响,采用压汞实验及PCT高压吸附实验,针对澄合矿区典型构造煤煤样进行孔隙结构分析及吸附特性测定,通过实验数据计算煤样孔隙体积及表面分形维数,分析构造煤微观孔隙结构对瓦斯吸附特性及吸附常数a、b值的影响。研究结果表明:煤样总孔容以大孔贡献为主,总比表面积微孔占比最高,各煤样间大、中、小及微孔占比基本相近,煤样坚固性系数与其总孔容成反比;吸附常数a与煤样微孔孔容、比表面积呈正相关关系,吸附常数b随着煤样大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;随着总比表面积增加,单位质量煤瓦斯吸附量逐渐增加,即微孔比表面积越大,瓦斯吸附能力越强;煤样孔隙体积及表面分形维数均可分为两部分,大、中孔隙分形维数在2～3之间,该段分形特征较为明显且孔隙结构复杂,孔隙体积分形维数与吸附常数a呈正相关关系。     

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进行实验分析,并得出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。为煤与瓦斯突出机理的研究提供了理论基础,开辟了新思路。     

不同变质程度煤体瓦斯解吸迟滞特征实验研究

煤体瓦斯解吸过程与吸附过程相比不具有完全可逆性,解吸相对吸附存在迟滞特征,需要对瓦斯解吸迟滞特征及其相关影响因素进行系统研究。在合理选择拟合模型的基础上,利用煤体瓦斯吸附与解吸动力学实验装置分别开展了煤样在不同变质程度、不同含水率、不同温度和不同粒径下的瓦斯吸附和解吸实验,得到了瓦斯吸附和解吸曲线,计算了不同条件下煤体瓦斯的解吸迟滞系数。结果表明:随着变质程度增加,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积先减小后增大,解吸迟滞程度呈现"U"型变化;随着煤样水分含量增大,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着实验温度升高,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱;随着煤样粒径减小,瓦斯解吸迟滞系数和迟滞面积减小,瓦斯解吸迟滞程度减弱。解吸迟滞特征会对瓦斯含量直接法测定和吸附常数测定产生负面影响。     

软煤层瓦斯恒温吸附特性实验研究

煤层瓦斯吸附特性的研究是掌握煤层瓦斯涌出规律的前提,也是防治煤矿瓦斯事故灾害的基础。为了能够准确掌握软煤层对瓦斯的吸附特性,文中采用HCA型高压容量吸附法,对软煤体瓦斯恒温吸附过程进行实验研究,并与硬煤体进行对比,从而得出软煤层瓦斯吸附特性规律。结果表明:软煤的吸附常数a和b均稍大于硬煤,软煤对温度的变化较硬煤更为敏感,软、硬煤的吸附常数a,b值均与温度T成二次函数关系,且软、硬煤的等量吸附热均随吸附量的增大而增大,软煤的增加幅度要远大于硬煤的增加幅度。该研究结果为研究软煤层瓦斯赋存规律、优化煤矿瓦斯治理技术、保障煤矿安全生产提供理论依据。     

不同含水量对煤吸附甲烷的影响

运用Langmuir单分子层吸附理论,分析了煤对甲烷吸附能力受其含水量的影响利用WY - 98B型瓦斯常数测定仪,分别对2种煤样在不同含水量时吸附甲烷气体的等温吸附曲线、Langmuir压力、吸附常数a,b进行了定性与定量分析,得出了煤对甲烷吸附量随压力的变化关系式及Langmuir吸附常数a,b随煤样内水含量变化的关系式研究结果表明:含水煤样依然满足Langmuir单分子层吸附理论,吸附常数a,b与煤样中含水量的变化之间存在着一定相关性     

高温条件下瓦斯解吸机理试验研究

为了进一步加深高温条件下瓦斯吸附解吸的动力学认识,本文以贵州省松河煤矿突出煤样为研究对象,开展了系列温度(40℃、50℃、60℃)和系列压力(1 MPa、1.5 MPa、2 MPa)下的吸附解吸试验,分析了瓦斯解吸量、解吸速度和加速度随时间变化的规律,得出结论:随着温度升高,吸附常数a值逐渐升高,b值略微减小,说明升温极易促进瓦斯解吸,且随着时间的推移解吸速率和加速度逐渐减小。从分子动力学角度,阐述了升温促进瓦斯解吸的机理。验证了煤对瓦斯的吸附是放热过程,解吸是吸热过程,升温促进了瓦斯的解吸作用,抑制了煤对瓦斯的吸附作用。     

混煤孔隙分布规律及其瓦斯吸附特性

针对混煤孔隙分布规律及其瓦斯吸附问题,运用WY-98B瓦斯吸附常数测定仪及ASAP 2020型比表面积及孔隙分析仪,对所选择的典型高瓦斯煤矿的原生结构煤及构造煤制作的混合煤样开展吸附特性测试及孔隙分布测试实验.结果表明:构造煤中的孔隙比表面积较原生结构煤体中的孔隙比表面积增大了82.29%,其中孔隙比表面积随构造煤质量变化呈先增高后降低的变化趋势,并且在构造煤与原生结构煤质量相等的条件下达到最大,同时受混合煤样中构造煤存在的影响导致混合煤样等温吸附量及Langmuir吸附常数的变化随构造煤质量的变化呈现开口向下的二次曲线的变化规律,Langmuir吸附常数随构造煤质量的变化呈现出开口向上的二次曲线的变化规律.实验结果为进一步研究不同条件下煤体的吸附特性提供了理论基础.     

瓦斯吸附和解吸过程中温度变化实验研究

介绍了采用实验方法测定煤体在吸附瓦斯和瓦斯解吸到达平衡状态的时间及过程中温度变化，得出了煤体吸附瓦斯过程是放热过程，瓦斯解吸过程是吸热过程：在吸附和解吸过程中，温度变化幅度随压力变化幅度的增加而增加：吸附能力越强的瓦斯气体，在被吸附时放出的热量越多，解吸时吸收的热量也越多等结论，对煤与瓦斯突出过程的热力学研究提供了基本依据。     

采区瓦斯赋存规律及抽放效果技术研究

本文通过对瓦斯基本参数的测定,确定了煤层的瓦斯压力、瓦斯含量、煤的相关物理性质以及煤吸附瓦斯的一些特性。从而为煤层瓦斯涌出量大小、瓦斯综合治理方案的确定提供依据和基础。     

开滦矿区主采煤层瓦斯解吸规律实验研究及应用

为了研究开滦矿区煤层瓦斯解吸规律,对开滦矿区吕家坨和钱家营矿煤层瓦斯含量进行井下直接测定与煤样吸附解吸实验。通过设定煤层瓦斯压力下的吸附解吸实验,分析数据得出解吸规律与损失量推算公式后,与国家标准推荐的损失量推算公式作比较,得出适合开滦矿区的煤层瓦斯解吸规律,并对煤层瓦斯含量进行修正。研究表明,新得出的瓦斯解吸规率符合Q=at~b,利用新得出的瓦斯解吸规律测定出的瓦斯含量要比国家推荐方法测定的瓦斯含量最大提高4.3%,反算后的瓦斯压力最大提高5.0%。     

混煤质量比对吸附常数及放散初速度的影响

为了揭示煤吸附常数及其放散初速度与混合煤样质量比变化的关系,采用流体力学的理论知识,分析了动力粘性系数与气体压力之间的关系,并按照不同的质量比制作出混合煤样.运用Langmuir单分子层吸附理论,对硬煤和软煤处于不同质量比条件下混合煤样吸附甲烷特性的影响进行了实验研究.研究结果表明:孔隙气体压力随孔隙气体粘性系数而变大,而且在软煤质量和其上部硬煤质量近似相等时,吸附常数a及放散初速度ΔP达到最大值,吸附常数b达到最小值.这一发现充分说明了在这种情况下,煤体对甲烷的吸附量及其压力均达到最大值,一旦扰动此类煤体,便会形成很大的压力梯度,发生大量的瓦斯涌出.     

改性纤维吸附金研究

研究了聚丙烯腈改性纤维自溶液中吸附金的性质。实验研究了酸度,时间,温度等因素对吸附的影响并测定了吸附速率常数及吸附等温线。     

粒径大小对煤吸附甲烷的影响

为了研究煤的粒径大小对吸附性能的影响,采集几种高瓦斯矿井的煤样,分别制成了粒径大小范围为0.15～0.20 mm、0.12～0.15mm、0.109～0.12mm、0.096～0.109mm、0.045～0.096 mm的5种试样;在等温度条件下,采用WY-98B吸附常数测定仪对试样进行了吸附甲烷的实验,总结出了不同粒径煤吸附甲烷的规律.在Langmuir吸附理论和分子运动理论的基础上,推导出煤的吸附能、吸附位、比表面积及吸附量之间的关系式;根据这些关系式以及分子结构特征等理论,对规律进行理论验证.验证后的吸附规律可以用来研究煤层中瓦斯运移和聚集规律以及煤与瓦斯突出的机理.图3,表1,参8.     

温度变化对煤体瓦斯吸附量影响规律的实验研究

通过对含瓦斯煤层瓦斯气体温度场分布规律研究,提出了煤层中总的瓦斯含量方程中α值的假设与猜想。经过实验,分别研究了定压条件与升压条件下温度改变对煤与瓦斯吸附的影响规律,得到煤体在不同温度下瓦斯的吸附以及渗流规律。实验应用WY98-A型瓦斯吸附解吸仪器,通过研究煤与瓦斯吸附在温度改变的环境下的规律,以及所选煤样在吸附饱和后随温度变化的函数关系,并对瓦斯吸附的饱和吸附量进行了数学拟合,得到其函数关系式。为煤层瓦斯储量计算,及不同阶段瓦斯抽采量计算提供了科学依据。