低频振动对煤解吸吸附瓦斯特性分析

研制了瓦斯吸附/解吸激振及测试系统,并进行低频振动对煤样解吸/吸附瓦斯特性试验。解吸试验发现低频振动能阻碍瓦斯气体解吸;吸附试验显示不同频率对煤样吸附瓦斯的影响不同。解吸试验结果表明,低频扰动增加了煤样内部吸附位,并使气体分子自由程变大,瓦斯扩散速率减慢,不利于气体分子解吸;吸附试验结果认为,低频扰动作用下,煤体温度升高,煤样内部煤分子吸附势垒加深,分子间作用势变大,煤基质外表面瓦斯气体膜破裂加剧同时吸附位增多,这4种因素共同作用下导致不同频率对煤样产生的影响不同。     

电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响

为了探讨地电场对包含在煤层中的瓦斯气体的储存、运移的作用以及如何利用电场采促进煤层气的渗流从而达到提高中国低压低渗煤层的煤层气抽放率等问题，研究了电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响．研究表明：静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度2种因素竞争的结果，当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量增加，当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量减少；外加静电场促使煤中瓦斯的渗流；交变电场作用使煤对瓦斯的吸附量减少；交变电场作用促使煤中瓦斯的渗流．     

煤吸附特性的研究

描述了煤吸附瓦斯气体的全过程，叙述了煤层气（瓦斯）主要吸附理论，得出了影响煤吸附能力的主要因素。     

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。     

煤吸附研究现状与展望

煤的吸附与煤的氧化风化、燃烧与自燃、矿井瓦斯含量等有直接关系。本文介绍了近年来关于煤吸附气体以及液体的相关研究,并对于煤的吸附性的研究与应用进行了展望。     

地球物理场对煤吸附瓦斯特性的影响

研究含瓦斯煤层所处的地球物理场对煤瓦斯吸附特性的影响,对煤矿安全开采、煤瓦斯的抽放利用以及煤瓦斯突出的预测预报具有重要意义。笔者总结了地球物理场对煤吸附瓦斯特性的影响,认为地电磁场对煤瓦斯吸附作用机理还有待进一步的研究。并重点探讨了在交变电场作用下煤的吸附特性。利用容量法对3种不同煤样在交变电场作用下的吸附特性进行了实验研究。结果表明：交变电场的作用,并没有改变煤表面的化学性质和物质成分,煤地吸附和解吸仍很好地遵从Langmuir方程和二常数经验公式,并且由于交变电场作用使煤的表面势能增大和焦耳热效应使煤体温度增高,从而减弱了煤的吸附能力,减缓了解吸过程。     

低温环境下煤表面吸附的均匀性试验

 等量吸附热是表征固体表面吸附非均匀性的重要参数.采用高低温吸附仿真实验装置,对九里山无烟煤、新元贫煤、潘北气肥煤进行瓦斯吸附测试,通过计算等量吸附热与吸附量的关系,探讨从常温(30、20℃)降至低温(-10、-20、-30℃)对煤表面不均匀性的影响.结果表明,不同变质程度煤的瓦斯吸附量都随温度降低而增大;在常温时(30、20℃)煤的等量吸附热随吸附量的增大而减小,表明煤表面能量是不均匀的.降温至-10、-20、-30℃时煤的等量吸附热几乎和吸附量无关,表明煤表面是均匀的.煤吸附瓦斯理论Langmuir 方程在低温环境(0℃以下)更加适用.     

煤的表面自由能及应用探讨

分析了煤表面自由能的形成过程和特点,并根据表面化学原理计算了煤的表面自由能。煤的变质程度、瓦斯气体种类和温度对表面自由能都有影响,对难抽放瓦斯煤层,如果采取降低表面自由能的措施,会使抽放效果更好。     

煤层气注开采中煤对不同气体的吸附作用

煤对不同气体的吸附作用是注气开发煤层气的关键。利用煤吸附甲烷的现有研究成果,借助于固体表面吸附理论,分析了适用于注气工艺中的煤吸附气体的基本理论,为进一步分析、设计、评价注气工艺奠定了可靠的理论基础。     

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     

煤吸附水特性的研究

主要分析了煤吸附水的机理及其对吸附瓦斯的影响。分析表明,煤对水分子的吸附从本质上是由于水分子与煤表面分子相互吸引的结果,它们之间的作用力主要包括van der Waals力和氢键。van der Waals力来源于原子和分子间的色散力、取向力(静电力)、诱导力和交换力4种作用。由于水分子与煤表面分子的作用力比较强,煤中水分的存在降低了煤的甲烷吸附量。     

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。     

注入增产法提高煤层气采收率的理论探讨

美国Amoco公司开发的注入增产法是一项很有前途的提高煤层气采收率的方法,为此笔者在研究煤对二元气体吸附特征的基础上,探讨了注入增产法的基本原理。结果表明,煤对常见气体的吸附能力由强到弱为：二氧化碳、甲烷、氮气、氢气;煤对二元混合气体总的吸附及对甲烷的吸附均符合Langmiur方程,但在ＣＨ４＋Ｈ２或ＣＨ４＋Ｎ２的吸附系统中,对Ｈ２或Ｎ２吸附时吸附量与压力之间不遵从此关系式,而在ＣＨ４＋ＣＯ２吸附系统中,煤对ＣＯ２的吸附量和压力之间的关系仍可用Langmuir方程定量描述;注入增产法提高煤层瓦斯抽放率是通过注入其它气体使煤对甲烷的吸附量减小来实现的,且注入Ｎ２优于ＣＯ２。     

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。     

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.     

振动诱发煤与瓦斯突出的机理

振动是诱发煤与瓦斯突出的重要因素,为此实验研究了振动对瓦斯吸附的作用并从理论上分析了振动对煤体结构的影响,探讨了振动诱发煤与瓦斯突出的机理.结果表明:在振动作用下,煤对瓦斯的吸附量有一定程度的减少,吸附能力降低;振动延长了煤样达到吸附平衡的时间,使吸附平衡压力与未加振动时有所升高,煤样中游离瓦斯增多;振动使煤体内的裂隙增加并扩展,当振动强度达到一定值时煤体内形成较大范围的连通裂隙网;在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下,煤与瓦斯突出的危险性大大增加.     

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。     

煤中瓦斯解吸渗透理论及实验研究

为了研究煤层中瓦斯瓦斯吸附解吸过程和瓦斯流动规律,基于国内外现有研究理论成果,设计了瓦斯吸附解吸的实验系统,该系统主要包括温度控制系统、瓦斯吸附解吸系统和数据采集与处理系统.通过自制的煤样,实验研究了在一个标准大气压和温度30℃条件下瓦斯的解吸规律.采用动态定压解吸法进行瓦斯解吸实验,研究并指出了解吸速率与煤样粒度之间关系的规律.通过对三种不同煤样的解吸的对比分析,提出了瓦斯解吸量与时间之间的关系式,建立了煤的瓦斯解吸量的数学模型.对于改进现有的抽采方法并提高抽采水平、对于煤与瓦斯的突出预测和煤矿瓦斯灾害的防治均具有理论意义和实际应用价值.     

煤岩体吸附膨胀变形与吸附热力学的参数关系

采用吸附容量法测试了不同煤样对CO2,CH4,N2的吸附性能参数,基于所提出的孔隙介质截面吸附润湿长度概念和孔隙结构模型、表面物理化学及弹性力学原理,导出了吸附膨胀应力和应变理论计算公式,并讨论了吸附常数、温度、气体压力、煤岩体比表面积、气体分子吸附截面积等参数对它们的影响·这些公式比现有的公式应用范围广,能方便计算不同约束条件下的吸附膨胀应变和应力·研究还表明煤岩体比表面积和气体吸附分子截面积越大,气体吸附量、煤岩体的吸附膨胀应力及应变越大·     

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.