不同变质程度煤的瓦斯放散特性实验研究

为了研究煤的变质程度对瓦斯放散特性的影响,采用现场取样、实验室测试的方法,对9种不同煤样的瓦斯放散初速度和孔径分布进行了测试,测试结果表明:煤的变质程度越高,瓦斯放散初速度越大,瓦斯放散初速度随着变质程度的降低呈现出负指数减小的趋势;煤的微孔比表面积越大,瓦斯放散初速度越大,瓦斯放散初速度随着微孔比表面积的增加呈现出线性增加的趋势,根本原因是微孔比表面积的增加为瓦斯吸附提供了更多的吸附位,增大了瓦斯吸附量。     

煤变质程度对瓦斯放散初速度的影响

为了分析不同变质程度煤种煤样的瓦斯放散初速度数值与煤样坚固性系数、孔隙率等的相互关系,采用现场取样,实验室测试的方法,得到63个煤样的挥发分、瓦斯放散初速度、孔隙率等相关关系.结果表明:挥发分与孔隙率之间、瓦斯放散初速度与孔隙率之间均服从二阶多项式的关系.对于同一变质程度的煤样,瓦斯放散初速度均随着坚固性的减小而增大.对于不同变质程度的煤样,瓦斯放散初速度均随着变质程度的降低而降低.对于挥发分高于20%的烟煤和褐煤,瓦斯放散初速度低于1 333.22Pa,此时,不应该将1 333.22Pa作为判定煤层突出危险性的瓦斯放散初速度指标临界值.对于准确预测不同变质程度煤层的突出危险性具有一定的指导意义.     

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.     

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。     

放散面积对煤样瓦斯放散特性产生的影响

采用自主研发的型煤煤样瓦斯放散试验装置,以自制型煤煤样为研究对象,通过依次密封型煤表面,研究放散面积对型煤瓦斯放散特性的影响。结果表明：随着放散面积的减小型煤瓦斯放散速度减小,这种速度减小值的差距随着放散时间延长而逐渐缩短,放散速度曲线整体近似呈"L"型,但在曲线拐点处出现了速度"超越"现象,并发现在密封型煤两对立面对放散速度的影响比密封型煤两相邻面对放散速度的影响大;不同放散面积的瓦斯累积放散量与时间的关系仍然呈有限单调增函数,即不同放散面积瓦斯放散量随时间变化规律基本一致,但在相同时间段内不同的瓦斯压力下,随着型煤放散面积的减小,瓦斯累积放散量减小。     

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.     

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。     

脉冲水射流割缝后石门揭煤突出预测指标优选

为得到脉冲水射流割缝后石门揭煤最佳突出预测指标,根据脉冲水射流割缝作用下煤体裂隙场的动态演化过程,分析了煤样坚固性系数测值和煤体瓦斯放散初速度对综合指标D、K的影响,由此排除综合指标D、K。利用灰关联分析法,对现场采集的重庆、四川、河南地区7个煤矿应用脉冲水射流割缝后石门揭煤突出预测指标K1、S、P建立灰关联分析模型,计算各突出预测指标与突出危险程度的关联度。结果表明:钻屑瓦斯解吸指标K1能够更准确地反映脉冲水射流割缝后石门揭煤煤与瓦斯突出危险程度,应作为最佳预测指标。     

水锁抑制工作面瓦斯超限机理实验研究

在煤矿开采中,回采工作面落煤时的瓦斯大量涌出常常导致工作面瓦斯超限频繁,针对回采工作面的瓦斯超限问题,采取降压解吸的方法分别进行了无外液侵入、质量分数为0.0%渗透剂溶液(即纯水)和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入条件下瓦斯解吸对比实验,获得了瓦斯解吸实验数据和曲线。结果表明:无论有无外液侵入,含瓦斯煤体的瓦斯压力越大,瓦斯解吸量越大;与无外液侵入煤样相比,有外液侵入煤样在不同压力点下的瓦斯解吸量都有不同程度的降低,特别是喷洒0.025%的JFC渗透剂的瓦斯解吸量降低效果更好;实验验证了渗透剂能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果。可结合实际通过抽采+水锁或采前向煤体注液形成水锁的方法来抑制瓦斯释放量和瓦斯释放速度,进而解决回采工作面存在的瓦斯超限问题。     

WT-1型瓦斯放散初速度测定仪的应用

实验中将常压吸附改为高压吸附，并适当改变其它实验参数，利用抚顺分院在国家“十五”攻关中研制的仪器对煤样0--60S内的放散速度规律进行研究，计算其放散量、曲线变化率、放散初速度和衰减规律，进而提出更合理、更全面、物理意义更明确的突出预测指标。     

CO_2对煤低温氧化反应过程的影响实验研究

为了深入研究CO2对煤低温氧化反应的影响,利用程序升温油浴实验装置,研究在不同CO2浓度下煤样的自燃特性。采集南屯矿煤样,破碎并筛分出混合平均粒径为4.18 mm的煤样,向试验管煤样中通入不同配比的混合气体,实验控制升温速度为0.3℃/min,供气量为190 mL/min.测定在6种不同浓度CO2气氛下的煤样低温氧化特性,实验结果表明:CO2浓度越高,煤样耗氧速率越小,CO产生率降低。在起始阶耗氧速率相差不大,煤氧复合作用以物理吸附和化学吸附为主,后期阶段以化学反应为主,变化明显。相比于空气气氛下,CO2气氛下煤样活化能有所提高,在40~100℃的温度范围内煤氧作用的活化能值由17.85 kJ/mol升高至22.71 kJ/mol,氧化反应速率降低,表明CO2的加入降低了煤的氧化反应速率,抑制了煤的氧化反应。     

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。     

注CO_2置换煤层CH_4试验研究

利用屯留矿和寺河矿圆柱体原煤试样,进行不同注入压力条件下注CO2置换CH4试验,研究分析了置换过程中气体的吸附特性及注入压力对CO2置换效果的影响,提出了低孔隙压力条件时具有更好的置换效果。研究结果表明,同等条件下,置换平衡后煤体吸附CO2气体能力远强于CH4;煤体中CH4体积比随注入压力的降低而减小,而CO2体积比则呈现相反趋势;在8MPa围压条件下,随着注入压力的升高,CH4产出率呈线性关系降低,CO2置换比呈指数关系减小,显示出在试验压力范围内,低压条件下的CO2置换效果更佳;同等条件时,相对于试验中的无烟煤,贫瘦煤置换效果更好。     

基于瓦斯地质图的工作面突出区域预测技术

为了准确预测工作面的突出危险性,在整理分析工作面瓦斯地质资料的基础上,实测了大量的瓦斯基础参数,研究了15#煤层的吸附特征,提出并确定了工作面区域预测指标及临界值,研究了工作面的瓦斯赋存规律,编制了工作面瓦斯地质图,对工作面进行了区域预测,并对预测结果进行了验证.研究结果表明:15#煤层煤的吸附能力较强,以瓦斯含量10.0 m3/t和绝对涌出量4.0 m3/min作为预测指标和临界值是可靠的,采用瓦斯地质图方法进行工作面突出区域预测和分级管理,瓦斯赋存规律一目了然,预测结果可靠,预测方法简洁有效,便于现场操作.该成果对于防治工作面的煤与瓦斯突出具有一定的参考价值和指导意义.     

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.     

煤样初始内部结构对瓦斯流动特性的影响

以组成不同的3种煤样为研究对象,采用密度计算法、扫描电镜等对其内部结构进行了研究,并采用自行研制的三轴瓦斯渗流仪对其内部的瓦斯流动特性进行了试验研究。结果表明:相同条件下由不同煤粉制备的型煤试件内部结构不同,但煤粉颗粒直径对煤样内部结构影响并非线性;煤样全应力应变过程中瓦斯流动特性复杂,总体呈先减小后增加趋势,且煤样初始瓦斯流动速度小于煤样破坏后的流动速度,瓦斯流动特性表现出明显的滞后性;煤样内部结构对其内的瓦斯流动特性影响呈非线性;煤样组成对其内瓦斯流动影响的应力状态的敏感性很强,煤样初始结构越复杂,对轴向载荷敏感性越差,而对围压的敏感性越强。     

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。     

低变质原生结构煤电阻率变化规律实验研究

为了研究各个因素对煤电学性质的影响,利用电学方法通过电学参数来反映煤电阻率的变化规律。通过采用自主研制的煤体电阻率测试系统,用实验的方法对大佛寺井田低变质原生结构煤研究了应力作用时间、应力大小、甲烷气体吸附量以及含水率对煤体电阻率的影响。研究结果表明:煤体电阻率随应力作用时间先快速下降,后逐渐趋于稳定;应力越大,电阻率越小,吸附甲烷气体的量越多电阻率下降程度越大;含水率的提高也会造成煤体电阻率下降。最后基于灰色关联法分析了应力大小、应力作用时间、甲烷吸附量、含水率与煤体电阻率变化量的关联情况,从关联度可以看出应力大小是影响煤体电阻率变化的最主要因素。研究结果对于煤的导电特性研究具有一定的参考价值。     

The component fractionation effect in binary-component gas adsorption isotherm experiments on coal

Different gas adsorption isotherm experiments were carried out on the coal samples from Jincheng district, including N2, CH4, CO2, as well as the binary-component gas of CH4-N2 and CH4-CO2 of three different concentrations. In the binary-component gas adsorption isotherm experiments, the gas component with higher adsorption ability is adsorbed firstly. Thus the result in its relative concentration in the free phase shows a trend of decrease first and then increase, whereas the relative concentration of the gas component with lower adsorption ability shows a trend of increase first and then decrease. In the adsorption phrase, the relative concentration of the gas component with higher adsorption ability increases gradually, and the relative concentration of the gas component with lower adsorption ability decreases gradually. In the adsorption competition of the binary-component gas, the adsorption rate of the gas component with higher adsorption ability shows a trend of rapidity at first then slowness, but the adsorption rate of the gas component with lower adsorption ability shows a trend of slowness at first then rapidity. The component fractionation effect in the binary-component gas adsorption isotherm experiments is caused by the difference of the adsorption ability of coal of different gas components.     

含氮气煤体超声各向异性特征实验研究

探讨含气煤体超声响应特征可为利用超声技术在煤岩物性特征测试中的应用提供依据。利用自主研发的煤储层物性特征实验系统,选取平煤八矿己_16-17煤层煤样,制备平行层理与面割理（x）、平行层理垂直面割理（y）和垂直层理（z）等3类煤样,对含氮气煤体在不同气体压力及不同吸附时间下的超声特征进行测试。实验结果表明：（1）轴压恒定时,随着围压增加,煤的弹性波速度不断增加,煤体抽真空状态下的纵、横波速度略大于常压下的波速;（2）煤柱从负压状态到注气吸附状态,随着注气时间的延长,波速先下降,然后缓慢升高;（3）轴压和围压不变时,随着气体压力的变化,纵波和横波速度均有所增加;（4）平行层理与面割理、平行层理垂直面割理和垂直层理方向各向异性明显,但超声响应规律基本一致;（5）煤样纵波和横波垂直、平行层理方向各向异性程度与吸附时间的关系差异明显,纵波各向异性程度对吸附时间更加敏感。