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.     

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。     

煤的微观结构对瓦斯放散特性的影响研究

近几年来,我国煤矿的安全生产形势依然严峻,其中煤与瓦斯突出是煤矿井下生产中的一种强大的自然灾害,它严重威胁着煤矿的安全生产,而且随着煤矿开采深度和强度的增加,煤与瓦斯突出问题变得越来越严重。因此为了研究瓦斯突出的影响因素,进行了煤的工业分析、元素分析、煤岩分析[1-2]、显微结构及压汞和瓦斯的放散初速度等实验,对各个影响因素与煤的瓦斯放散初速度耦合影响因素进行分析得出结论。     

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.     

中低阶煤的孔隙结构演化特征

为研究煤化作用对煤中孔隙结构的影响,文中以3个中低阶煤为例,对其进行了镜质组反射率、工业分析、真密度、视密度、放散初速度和孔隙测定实验,从孔隙分布、孔形和分形特征3个角度展开讨论。结果表明:影响煤体孔隙发育的主要因素是成煤环境和赋存条件,而煤化作用在一定程度上也改变了煤中孔隙的分布,其降低了较大孔隙,促进了较小孔隙的发育;任楼矿煤样(RL)整体上以圆柱孔和V形孔为主,园子沟煤样(YZG)在6.5～15 nm孔径范围内具有大量墨水瓶孔,平煤五矿煤样(PMW)在6.5～12 nm孔径范围内具有大量墨水瓶孔,同时3个煤样均具有大量的层间不平行的层状孔;通过压汞数据获得的分形维数随变质程度的增加而减少,即较大孔隙的复杂性降低,而通过液氮吸附数据获得的分形维数随变质程度的增加先减小后增加,说明孔容和比表面积的数量决定了孔隙的复杂性,同时煤化作用也促进了微孔的发育,进而导致孔隙复杂性的提高,该结果与3个煤样的放散初速度表现一致。通过对中低阶煤孔隙演化特征的分析与探讨,能够为煤矿的安全生产、煤层气的有效利用以及二氧化碳地质封存提供理论指导。     

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。     

煤体瓦斯放散磁场响应特征

针对含煤体瓦斯放散磁效应特性,建立瓦斯放散磁效应实验系统,测试磁化与未磁化煤样瓦斯放散过程,研究恒定磁场对煤样放散瓦斯的影响。实验结果表明:放散初速度较小(f值越大),磁化后煤样瓦斯放散有明显减小趋势;放散初速度越大(f值越小),磁化后煤样瓦斯放散略有增大的趋势;且两者的变化程度都受磁化时间的影响,在撤掉磁场时Δp并未回落至初始值,并保持一定的时间记忆效应。其机理是f值大的煤样,磁化后b值减小,随着压力的升高,磁化后煤样的表面能降低值都小于未磁化的煤样,说明在加磁后煤体吸附容纳瓦斯的空间减少使得吸附量减少,产生的瞬时瓦斯压力梯度降低,从而使得瓦斯的放散初速度降低,而对于坚固性系数f值小的煤样有相反的实验结果。     

不同煤阶软硬煤粒瓦斯放散规律实验研究

以焦煤中马村无烟煤、义煤新安矿贫瘦煤和平煤八矿气肥煤的同一煤层的软分层与硬分层煤样为研究对象,自主研制了煤粒瓦斯吸附-放散实验系统,对不同煤阶软硬煤瓦斯动态放散规律的差异进行研究分析。研究结果表明：在相同解吸时间内,瓦斯累积解吸量及解吸速度均随着变质程度的加深而增大,而软煤的瓦斯解吸量和解吸速度明显大于硬煤;对6组煤样实验数据进行了经验公式回归分析,解吸时间120min内无烟煤硬煤所用经验公式拟合效果都较好,软煤只有乌斯基诺夫式、文特式和孙重旭式拟合结果理想;对于贫瘦煤和气肥煤,文特式和孙重旭式拟合效果最好     

新疆阜康矿区煤层孔隙结构特征的氮吸附实验研究

为研究新疆阜康矿区主采煤层吸附孔孔隙结构特征,选取该矿区四个典型煤样,基于低温氮吸附实验绘制了煤样的吸附解吸等温线,得到煤的孔隙直径,采用BET模型和BJH模型计算了孔隙比表面积和体积等参数,分析了煤样孔隙比表面积及体积分布规律。结果表明:新疆阜康矿区煤的吸附解吸等温线回滞环很小,吸附孔以一段开口的均匀圆筒形孔为主。煤样吸附孔发育程度差别明显,导致各煤层对瓦斯吸附储存能力有所不同。各煤样孔径分布较为均衡,比表面积以过渡孔占比最大,其次为微孔及中孔;过渡孔和中孔的孔隙体积占比较大,微孔较小。煤样孔隙体积分布规律基本一致,比表面积在过渡孔和中孔范围内分布规律相同,微孔范围内分布差异较大。     

煤与瓦斯突出危险性的灰色综合评价

为了降低煤与瓦斯突出事故的危险性问题,采用灰色综合评价的方法,对煤矿井下不同地点的突出危险性进行了综合评价.结果表明:瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤的破坏类型可以作为反映煤与瓦斯突出危险的主要指标.依据灰色综合评价的方法,对煤矿井下不同地点的煤与瓦斯突出的危险性进行了排序.该成果对煤矿井下突出事故的防治提供了方向,对于提高煤矿的安全管理水平,预测和防治煤与瓦斯突出事故的发生具有一定的参考价值和指导意义.     

构造煤微观孔隙结构形态学特征及定量分析

研究构造煤结构有助于深入理解煤与瓦斯突出易发区储层瓦斯赋存及运移规律,而从微观形态学结构角度精细定量化表征的研究相对较少。本文通过原子力显微镜、压汞法和物理吸附法开展构造煤和原生煤的三维表观形貌、孔隙发育程度、孔径分布、形态特征参数及连通特性等,旨在从本质上揭示两者微观多尺度结构差异性及对瓦斯运移的影响。结果表明:构造作用促使极限吸附量增大,煤结构整体强度降低,且气体瞬间解吸能力增强;构造煤结构表面形态特性由规则纳米孔向凹凸不平条带状微裂隙转变,脆性构造变形也导致孔隙整体呈现高粗糙度且不圆润形状;不论是原生煤还是构造煤,微孔对整体孔容和比表面积均具有重要贡献,但其对构造应力敏感程度低于介孔和大孔,其中构造煤的介孔孔容和比表面积相比原生煤增幅分别约4倍和10倍,大孔也分别提升了0.008 8 cc/g和1.459 m~2/g;通过压汞法进退汞曲线及滞后环可知,构造煤中有效孔比例从76.95%降低至74.21%,导致气体自由运移空间降低,主要归因于由交联孔和半开放孔构成的限制型孔喉配置结构的大量存在;构造作用促使孔喉比和曲折度分别降低了约10%和0.5%,运移路径缩短且孔隙形态结构更加简单化;通过液氮吸附脱附曲线及滞后环可知,构造作用可能从本质上改变了孔隙形态结构特征,促使产生更多限制型孔隙配置关系,抑制了气体有效运移属性。     

煤变质程度对CH_4吸附行为影响研究

为分析变质程度对CH_4吸附行为的影响,构建了肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤等5种不同变质程度煤的大分子结构模型,采用巨正则系综蒙特卡洛方法(GCMC)研究了CH_4在5种不同变质程度煤中的吸附行为。研究结果表明,CH_4吸附能力强弱顺序为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤,均为范德华能与静电能的相互作用,且吸附相稳定性差别不大;CH_4分子吸附量均随温度增加线性减少,减少幅度相近;CH_4分子吸附量均随含水率增加而线性减少,且煤变质程度越低,含水率对其CH_4分子吸附量影响越大;CH_4与H_2O同时吸附时,均呈现CH_4分子吸附量极小,且不再符合Langmuir等温吸附特征现象。煤层瓦斯含量与煤变质程度有关,受水分影响较大,且煤变质程度越低影响越显著,温度改变对不同变质程度煤层瓦斯含量影响几乎相同。     

煤粒瓦斯放散模型及规律研究

为了更准确地描述煤粒瓦斯的放散过程,设计了有限空间内煤粒瓦斯放散实验.实验结果表明瓦斯累积放散量倒数与时间n次方倒数成线性关系,且拟合度达到0.99以上,由此得出了煤粒瓦斯的放散模型.以达西定律为基础,构建了有限空间内瓦斯放散数学模型,采用有限差分编程解算,得到了与实验对应压力下,瓦斯流动过程中累积放散量及放散速度随时间的变化规律.通过对比分析,理论上验证了煤粒瓦斯放散模型的准确性,模拟结果与实验结果较好的吻合也进一步证实了瓦斯在煤粒中的流动符合达西定律.      

不同变质程度煤自燃特征参数实验研究

为确定煤自燃及由火灾引发的瓦斯爆炸数值模拟所需的基础参数,利用热重实验研究了4种不同变质程度煤样放热量、质量变化规律,确定了4种煤样低温氧化阶段温度范围.根据热重实验确定的低温氧化阶段,利用管式炉程序升温和色谱仪进行生成气体成分分析实验,得到不同温度下管式炉出口O2、CO、CO2气体体积分数,计算得出了耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度变化规律.研究结果表明:变质程度越高的煤,着火温度越高,低温氧化阶段温度范围越大;相同温度下,变质程度越低的煤,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度越大,越易自燃;CO生成速率大于CO2生成速率;耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度随温度增加呈指数关系增加;随着耗氧速率增加放热强度呈线性关系增加.该研究可为煤自燃过程模拟计算与火区瓦斯爆炸危险性预测提供关键性基础参数.     

山西永聚煤矿煤层特征对瓦斯的控制作用

矿井瓦斯是影响煤矿安全生产的主要灾害之一,研究其分布特征及控制因素是解决矿井瓦斯灾害问题的关键。本文测试了山西永聚煤矿的10号微风化煤的瓦斯含量、煤岩成分、埋深、煤孔隙特征和等温吸附参数。通过SPSS软件分析了煤层瓦斯含量与煤层组分、埋藏深度等进行了Person线性相关性分析,从而确定煤层瓦斯含量的主要控制因素和瓦斯分布规律。结果表明,10号微风化煤的孔隙主要为微孔和过渡孔,孔径介于10~800 nm,具有原生孔隙特征,表明其未收到风化作用的影响。其对瓦斯吸附具有随着压力增大而吸附量显著增加的特征,但压力大于6 MPa时,瓦斯的吸附不在随着压力增加。瓦斯含量与煤层的埋藏深度且具有良好的正相关线性关系,从而根据二者线性关系和煤层埋深,预测了瓦斯分布规律。     

不同煤阶软硬煤粒瓦斯放散规律的实验研究

以焦煤中马村无烟煤、义煤新安矿贫瘦煤和平煤八矿气肥煤的同一煤层的软分层与硬分层煤样为研究对象,自主研制了煤粒瓦斯吸附-放散实验系统,对不同煤阶软硬煤瓦斯动态放散规律的差异进行研究分析。实验结果表明:在相同解吸时间内,瓦斯累积解吸量及解吸速度均随煤变质程度的加深而增大,而软煤的瓦斯解吸量和解吸速度明显大于硬煤;对6组煤样实验数据进行了经验公式回归分析,发现解吸时间120 min内无烟煤硬煤所用经验公式拟合效果均较好,但软煤只有乌斯基诺夫式、文特式和孙重旭式拟合结果理想;对于贫瘦煤和气肥煤,文特式和孙重旭式拟合效果最好。     

活性炭表面特性与典型抗生素吸附性能分析

采用灰色关联度分析和主成分分析相结合的方法,对活性炭表面特性与典型抗生素吸附特性的关系进行了综合评价,研究了活性炭表面特性与氯霉素和环丙沙星吸附量的关系.结果表明,孔容、微孔孔容和比表面积是影响氯霉素吸附量的主要因素;从7个活性炭表面特性指标中提取了3个主成分指标,对原指标系统的信息解释达到了93.5%;不同活性炭环丙沙星的吸附量存在明显差异,其中孔隙结构、酚羟基官能团和羧基官团起决定性作用;利用3个主成分指标构建了活性炭环丙沙星吸附模型,预测值与实测值相差不大.研究结果可为抗生素吸附用活性炭的制备提供理论基础和实践指导.     

煤层孔隙结构对CO吸附量的影响

针对开滦集团下属3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的吸附量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO吸附量的影响,讨论了煤的孔隙率、分形维数、比表面积与煤层中CO吸附量的关系.研究结果表明,低压条件下,煤层中CO气体的吸附量与微孔体积分数呈二次曲线关系,随着压力的升高CO的吸附量与微孔体积分数成正比关系;过渡孔体积分数的增加不利于煤层中CO的吸附;孔隙率、分形维数与CO的吸附量呈二次曲线关系;CO吸附量与煤样内比表面积呈正比.图5,表5,参11.     

基于PCA-RBF网络的煤与瓦斯突出强度预测

为提高煤与瓦斯突出强度预测的准确性,采用主成分分析(PCA)法降低变量间的相关性,并将其与径向基网络相结合,对煤与瓦斯突出强度进行预测.以某矿为研究对象,对煤与瓦斯突出强度影响因素进行主成分提取,选取累计方差贡献率超过85%的三个主成分,代替原来的六个影响因素,将其作为RBF网络的输入参数,构建PCA-RBF煤与瓦斯突出强度预测模型.研究结果表明:PCA-RBF网络预测模型的平均相对误差为5.55%,满足煤与瓦斯突出强度预测的要求.