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.     

煤层气等温吸附曲线形态对产气量的影响

为了了解煤储层Langmuir压力和Langmuir体积参数以及临界解吸压力对煤储层气产量的影响,通过对Langmuir方程的分析,利用储层数值模拟的方法,研究了Langmuir参数与气产量的关系。结果表明:气产量与煤储层本身的性质参数Langmuir压力和Langmuir体积有关。在开采初期,Langmuir压力和Langmuir体积越大,对产气越有利;而在开采后期,Langmuir压力越小,对产气越有利。该成果对本身性质不同的煤储层的煤层气产量的预测具有一定的参考价值和指导意义。     

煤层瓦斯渗流过程中压力分布的滑脱效应

 气体在多孔介质中渗流时,不仅需克服启动压力梯度,而且受气体滑脱效应的影响。基于煤层瓦斯的渗流特性,建立考虑滑脱效应的煤层瓦斯渗流模型,并对煤层瓦斯渗流过程的压力分布进行数值模拟。计算结果表明,在一定煤层深度内,与不考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应对其影响显著,且随着暴露时间增长和距煤壁距离增大,其差别更为明显。滑脱因子的变化将直接影响煤层内部气体压力的分布,随着滑脱因子的增大,气体压力减小,滑脱越明显。与不考虑滑脱效应(Darcy 解)瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布曲线更接近实测数据,表明在研究煤层渗流过程中须考虑滑脱效应。     

Influence of liquid water on coalbed methane adsorption:An experimental research on coal reservoirs in the south of Qinshui Basin

Using Isothermal Adsorption/Desorption System Model IS-100 and Electrohydraulic Servo Rock System Model MTS815 as the main apparatuses and collecting samples from the major coal reservoirs in the south of Qinshui Basin, a hot point region of coalbed methane exploration, the paper carries out systematical comparisons of the isothermal adsorption experimental data for injection water coal samples, equilibrium moisture samples and dry coal samples, probes and establishes an experimental method of injection water coal sample preparation and isothermal experiment to simulate real reservoir conditions, and then summaries the experimental regulations and discusses the mechanism of liquid water influencing coal methane adsorption. Results of the experiment indicate that: The Langmuir volume of injection water coal samples is notably larger than that of equilibrium moisture samples, as well as larger than or equivalent to that of dry coal samples; the Langmuir pressure of injection water coal samples is the highest, the next is equilibrium moisture samples, while the dry samples is the lowest, of which the experimental results of injection water samples to simulate real reservoir conditions are more close to the fact. Under the conditions of in-position reservoirs, liquid water in coals has evident influence on methane adsorption ability of coal matrix, which can increase the adsorbability of coal and make the adsorption regulation fit to Langmuir model better. Its major reason is the increase of wetting coal matrix adsorbability. The above experimental results overthrow the conventional cognition that liquid water has no influence on coalbed methane adsorption, which may lead to an improvement of the coalbed methane isothermal adsorption experimental method and of the reliability of coalbed methane resource evaluation and prediction.     

煤与瓦斯突出的时间效应与管理体系研究

随着煤矿开采深度和机械化程度的加大,煤与瓦斯突出的威胁日益突出,为了更加清楚的研究煤与瓦斯突出的机理和过程,对煤与瓦斯突出过程中的主要影响因素进行了分析,认为瓦斯内能是突出的主要能量来源,而瓦斯内能是由瓦斯含量决定的。通过对煤与瓦斯突出过程的孕育、突出发展、突出发生及再发展和突出衰退等阶段的分析,建立了煤与瓦斯突出发展时间矢、预测预警时间矢和应急响应时间矢,并进行了煤与瓦斯突出的时间效应的分析,建立了基于时间效应分析的煤与瓦斯突出管理体系,以提高矿井的抗灾减灾能力。     

Evaluation of diameter distribution of inside cavities of open CNTs by analyses of nitrogen cryo-adsorption isotherm

Precise evaluation of innerdiameter distribution of open carbon nanotubes (CNTs) is the basis of systematic investigation of physico-chemical processes occurring in nano-sized quasi-1-dimensional carbons. Due to the porosity characteristics and adsorption properties, this study evaluated the innerdiameter and its distribution of carbon nanotubes by analyses of nitrogen cryo-adsorption isotherms, and proved that the gas adsorption method is an effective method to characterize the inner cavity structure in comparison with that of electron microscopy observations and Raman measurements. The advantages of this method are as follows: Firstly, statistical information for innerdiameter distribution of open nanotubes can be obtained; Secondly, the method based on the adsorption process in inner cavities is of importance for investigation of other physico-chemical pro- cesses inside the cavities of carbon nanotubes. And finally, if combining with other characterization methods, complete structural information for cavity can be acquired and these basic parameters are important for theoretical investigations and practical applications of carbon nanotubes.     

含瓦斯突出煤声发射特性及其围压效应分析

以突出煤制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制开发的装置配合岛津伺服试验机及PC-I型声发射监测系统,对含瓦斯突出煤三轴压缩过程中的声发射特性及其围压效应进行试验,并对AE事件各参数规律进行了分析。结果表明：三轴压缩过程中,含瓦斯突出煤AE事件没有特别稠密或稀疏的事件区域出现,仅在压密阶段、线弹性阶段中间点附近、临近峰值阶段3处出现相对稠密区而呈“三峰”分布特点,但多数AE事件振幅较小,且AE事件能量变化与振幅变化趋势具有较好的一致性;外加应力场变化导致微结构变化、煤样内颗粒断裂、煤样内颗粒碎裂、煤样内颗粒相对错动和瓦斯气体逸散导致的微结构变化为AE事件的主要“源”;随着围压的增加,AE事件数呈减小趋势,而围压对AE事件总数的影响呈非线性,可用二次曲线表示;随着围压的增加,AE大振幅事件数呈减小趋势,大于某一设定值的AE事件数与围压的关系可用二次曲线表示。     

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明：随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。     

改性玉米芯及其对废水中Cr6+的吸附研究

选取玉米芯作为吸附剂,对废水中Cr⁶⁺进行吸附研究,因玉米芯本身吸附效果不佳,故对其进行改性。经H₃PO₄、NaOH、NaNO₂溶液改性后的玉米芯可以使其孔隙扩展、比表面积变大,能够较高效地去除废水中Cr⁶⁺。实验结果表明：当模拟废水中Cr⁶⁺初始浓度为20 mg/L、体积为50.00 mL时,玉米芯经NaOH溶液改性后,投加量为0.040 g,pH为5.00,吸附时间为20 min时,吸附效果最佳,废水中Cr⁶⁺的去除率为96.83%。此时,改性后玉米芯吸附Cr⁶⁺的过程与Freundlich吸附等温模型和准二级动力学模型拟合度较高。     

提高煤矿瓦斯抽放效果的控制爆破技术

瓦斯抽放是我国治理瓦斯灾害的主要措施,目前抽放率较低.采用控制爆破技术进行提高瓦斯抽放效果的研究,解决了在高瓦斯煤层爆破的安全起爆、长水平炮孔中的装药技术和炸药品种的选择等问题.爆破后瓦斯自排量较非爆区提高5倍以上,抽放率提高明显,抽放时间缩短1/3以上.     

改性玉米芯及其对废水中Cr6+的吸附研究

选取玉米芯作为吸附剂,对废水中Cr⁶⁺进行吸附研究,因玉米芯本身吸附效果不佳,故对其进行改性。经H₃PO₄、NaOH、NaNO₂溶液改性后的玉米芯可以使其孔隙扩展、比表面积变大,能够较高效地去除废水中Cr⁶⁺。实验结果表明：当模拟废水中Cr⁶⁺初始浓度为20 mg/L、体积为50.00 mL时,玉米芯经NaOH溶液改性后,投加量为0.040 g,pH为5.00,吸附时间为20 min时,吸附效果最佳,废水中Cr⁶⁺的去除率为96.83%。此时,改性后玉米芯吸附Cr⁶⁺的过程与Freundlich吸附等温模型和准二级动力学模型拟合度较高。     

基于过程模拟的气体分馏装置HAZOP分析

气体分馏装置属于火灾、爆炸高危场所,目前常采用危险与可操作性(HAZOP)分析这种系统化、结构化危险辨识和评价方法,来识别现有和潜在的危险。而HAZOP分析本质上是一种定性方法,缺乏偏差定量化分析的依据。为了克服这个固有缺点,在传统HAZOP方法基础上,建立了基于工艺过程模拟的HAZOP方法。采用Unisim软件分别模拟了一个和多个工艺参数波动对装置特性的影响,获取实际装置操作极限状态,得到安全分析数据,实现HAZOP分析的定量化。以气体分馏装置脱丙烷塔为例,进行塔顶压力、进料量与进料温度变化的工艺过程模拟,完成了偏差和偏差后果量化分析。研究结果表明,应用该方法可提高HAZOP分析的准确性、有效性和可靠性,从而为装置安全生产管理提供依据。     

协同增效原理在煤尘抑爆剂中的应用实验

煤尘抑爆技术是防治煤尘爆炸的重要手段,抑爆技术核心是研究开发具有较好抑爆性能的抑爆剂。分析了煤尘抑爆剂的物理、化学、混合3种作用机理形式,并对现有抑爆剂进行了分类,提出了新型抑爆剂的基本特性,运用复配协同增效技术进行了抑爆剂的开发,选取Al(OH)3、聚磷酸铵和具有天然纳米孔结构的硅藻土为单体,通过合成得到3种复配型抑爆剂A、B、C;利用20 L球形爆炸测试系统以爆炸特性参数为指标,对新型抑爆剂的抑爆效果进行了爆炸实验;结果表明,复配型抑爆剂较传统抑爆剂有更优越的抑爆性能,实现了协同增效。     

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验。结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样。在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长。     

硬质体构造对煤层瓦斯流动的力学控制效应

为研究煤层内硬质体构造对瓦斯流动的力学控制效应,运用数值模拟分析和现场验证相结合的研究方法,对正常煤层和含硬质体煤层掘进工作面的应力异常分布特性、煤层渗透性变化和瓦斯流动规律进行了对比分析。研究结果表明：掘进工作面前方硬质体构造附近的集中应力就像一道“闭合闸门”,明显降低了附近煤体的渗透性,阻碍了较远处煤体内的瓦斯向掘进工作面的正常渗流流动,这是高瓦斯矿井采掘过程中瓦斯异常涌出的诱因之一。为避免高瓦斯煤层掘进工作面瓦斯异常涌出威胁,所采取的各种卸压增透措施必须打开或卸除这个“闭合闸门”,为前方煤层瓦斯的安全释放提供畅通通道。     

页岩气超临界吸附研究进展

 超临界吸附是指在临界温度以上时气体在固体表面上发生的吸附,在地层温度条件下,甲烷在页岩中的吸附为超临界吸附。吸附气是页岩气的重要组成部分,研究页岩气的超临界吸附对于页岩气储量评价和开发方案编制等具有重要意义。本文综述了国内外在页岩气超临界吸附研究方面的进展,从页岩等温吸附实验方法、超临界吸附特征及模型建立3方面进行分析。结果表明：1）页岩的甲烷吸附量与煤相比小很多,为满足页岩吸附量测试的要求,对于容量法吸附仪,应配置更高精度的压力传感器;对于重量法吸附仪,应配置更高精度的磁悬浮天平;2）等温吸附实验测试的吸附量为过剩吸附量,过剩吸附量在达到一定压力后会下降,在评价页岩的吸附能力时,不能将过剩吸附量和绝对吸附量混淆,这样将严重低估地层条件下页岩的吸附能力;3）页岩气的吸附面临着理论与实践相矛盾和脱节的问题,页岩气超临界吸附的研究应从理论和实验两方面入手,深化对页岩气超临界吸附特征的认识,建立具有普遍适用性的页岩气超临界吸附理论。     

构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

为了研究华北聚煤区南缘逆冲推覆构造带东北缘的区域构造应力场对平顶山矿区八矿己15煤层煤与瓦斯突出的控制作用,基于地质动力区划方法,对己15煤层顶板的岩体应力状态进行数值模拟,以应力等值线图的形式展示岩体应力的变化情况,将己15煤层顶板构造应力进行构造应力区的三级划分.分析得出构造应力场对煤与瓦斯突出起控制作用,构造应力区的分布决定了煤与瓦斯突出的区域性分布,为研究构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用提供了例证,为矿井开采过程中煤与瓦斯突出的预测和防治提供了依据.     

Critical adsorbing properties in slits predicted by traditional polymer adsorption theories on Ising lattice

The critical adsorbing properties in slits and three-dimension （3D） phase transitions can be predicted by either Freed theory or Flory-Huggins theory. The mean field approximation in Flory-Huggins theory may cause apparent system errors, from which one can observe two-dimension （2D） phase transitions although it is not true. Monte Carlo simulation has demonstrated that Freed theory is more suitable for predicting adsorbing properties of fluids in slits than Flory-Huggins theory. It was found that from Freed theory prediction multilevel adsorption occurs in slits and the spreading pressure curves exhibit binodal points.     

提高南方煤矿极薄煤层瓦斯抽采效果关键技术研究

针对开采极薄煤层(煤厚0.35～0.55 m)煤矿,矿井绝对瓦斯涌出量10～14 m3/min,能否抽采瓦斯的难题,选择了四川有代表性的5对煤矿,开展了煤层瓦斯基础参数的测定工作,系统地测定了四川须家河组煤层瓦斯压力和相关参数.根据各矿特点,进行了多种抽采瓦斯技术试验,得到了抽采极薄煤层瓦斯的最佳范围,形成了高位顶板钻孔和底板钻孔的抽采技术,解决了以卸压瓦斯涌出为主的极薄煤层抽采瓦斯技术难题,具有显著的安全效益.     

煤力学特征的对比试验分析及其在煤与瓦斯突出研究中的应用

运用一种新的构造煤采样与加工方法,通过大量的试验测定,对比分析了原生结构煤和构造煤的力学特征;定量讨论了主要力学参数间的相关关系,给出了描述煤体破坏状态的分布函数式,并且模拟构成煤与瓦斯突出4个主要能量体之间的相互作用,建立了简化力学模型;从理论上证明了构造煤厚度是煤与瓦斯突出的一个启动因素,讨论了计算其临界值的可能性.