不同温度下煤样氧化热解气体产物在煤中吸附特性的实验研究

煤的孔隙结构为煤自身热解气体混合物提供了贮存及运动的场所。煤的氧化热解气体混合物在煤的孔隙中运动及吸附特性的研究对准确评估煤矿内源火灾的风险具有重要意义。自行设计了一套集煤颗粒自热反应与吸附热解气体混合物于一体的实验装置,对不同温度下煤自热过程中释放气体混合物的成分,以及该气体混合物在煤孔隙中运动及被吸附进行了一系列的实验研究。研究结果表明:(1)检测吸附柱入口处各种气体的浓度可确定煤自热氧化反应时的释放特性。在不同温度条件下,一氧化碳和二氧化碳的体积分数最高,接近9%,乙炔的体积分数最低,在10×10^(-6)mg/m^(2)以下。(2)随着实验温度的改变,煤释放各种气体的体积分数随之改变;煤氧化热解气体混合物中多数成分的体积分数随着温度的升高而升高,只有乙烷、丙烷和氢气的浓度随温度的升高呈不规则变化。(3)在气体混合物穿透过煤颗粒的吸附特性实验中,计算每种气体成分在吸附柱出入口处体积分数的比值可确定该气体在煤孔隙中运动时被吸附的特性;临界温度较低的气体(如CO,H_(2))不容易在煤中被吸附;二氧化碳和乙烷的临界温度(分别为31.3和32.8℃)比较接近,然而,二氧化碳和乙烯较乙烷的出入口体积分数比值要低5%~10%,这是因为小分子气体(低于0.4 nm)更容易渗透到煤的微孔隙中,从而更容易发生吸附,而像乙烷、丙烷这些大分子气体根本无法渗透到煤的微孔隙中。因为如乙烯、丙烯及乙炔等气体,在2个碳原子之间有1个不稳定多重化学键(由1个基本σ型键和1个π键组成),有利于这种气体与煤的表面发生反应,形成新的化学键。这说明含不饱和烃比例高的气体(如C_(3)H_(6),C_(2)H_(2))更容易被吸附,还与气体分子化学键的性质有关。此外,吸附实验可以确定气体在煤中的吸附特性不但与气体自身的物理化学特性密切相关,还与煤的性质有关。

无烟煤对超临界态CH_(4)-CO_(2)气体吸附特性研究

为探究无烟煤对超临界态CH_(4)-CO_(2)混合气体的吸附特性,采用重量法开展无烟煤对纯CH_(4)与纯CO_(2)气体、3种体积浓度CH_(4)-CO_(2)混合气样的超临界等温吸附实验,应用过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,通过校正绝对吸附量、计算吸附相密度、煤的比表面积以及测定吸附平衡后游离态气体组分,探究由亚临界状态到超临界状态下无烟煤吸附纯CH_(4)、纯CO_(2)以及混合气体的吸附相密度变化特征、混合气吸附特征以及吸附分子层数。研究结果表明:煤对纯CH_(4)与纯CO_(2)、混合气体过剩吸附量随着压力增大呈现出先增大后减小的峰值型曲线;CH_(4)绝对吸附量随吸附压力增大不断增大,接近CH_(4)临界压力时,绝对吸附量缓慢增加并趋于稳定。低压下CH_(4)在煤颗粒中以单层吸附为主;超过临界压力后出现表面局部2层吸附的现象;1~3 MPa时,CO_(2)在煤颗粒中即表现出2层吸附为主的现象,随压力增大甚至出现局部4层吸附的现象,煤颗粒对CO_(2)有更大的吸附能力。

多组分气体混合物在煤的孔隙中运动特性研究

煤的孔隙结构为气体的贮存和运动提供了良好的场所,煤自热过程中释放的气体混合物能在其孔隙中运动,也能受到煤的吸附作用。为了准确评估煤矿内源火灾风险,对瓦斯在煤颗粒孔隙中的运动特性进行了研究。研究了煤自热过程中释放的多组分气体,及其在煤颗粒的孔隙中运行特性。研究结果表明:煤的自热试验中反应器的出口处各种气体浓度可确定煤的自热释放特性,主要释放出气态氧化物(CO和CO_2)和热分解气体(烃类及H_2);这些气体的混合物可被用于煤矿内源火灾的风险评估;混合气体在煤中的吸附特性可由吸附柱的出口及入口气体浓度的比值确定。各组分气体在吸附柱的出入口浓度与各种气体分子的物理化学性质有关,临界温度较低的气体不容易在煤的孔隙中被吸附,分子尺寸小的气体比大分子气体更容易被吸附。

模糊集合在煤变质程度与煤层气预测中的应用

煤的变质(煤化)程度在很大程度上决定了煤层最终的生烃能力和煤层气吸附能力的强弱。煤的变质(煤化)程度可以用最大反射率Rmax来判定。用计算所得强度指数(SI)和组分平衡指数(CBI)作为自变量,最大反射率Rmax为因变量,得到的回归方程就是煤的变质程度与最大反射率Rmax的非线性函数关系。因此,最大反射率Rmax与煤的生气量或煤的吸附煤层气能力是非线性的函数关系。

突出煤相似材料综述及展望

突出煤相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟实验的基础,相似材料的研究有助于更准确地还原煤与瓦斯突出现象。对国内外相似材料的研究成果进行了综述,对相似材料制作过程中各个因素对相似材料力学、吸附解吸和渗透率3方面性能的影响进行了梳理,同时指出了相似材料的发展方向:全面衡量材料在力学、吸附解吸和渗透率方面的性能;对原料和制作工艺标准化;细化相似材料的定量评价方法。

割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征

为了研究割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征,以杨柳煤矿10煤层7个煤样为研究对象,采用甲烷等温吸附实验测定煤样的Langmuir方程吸附常数a和b,通过压汞实验和低温液氮吸附实验的有机结合,表征煤样孔径分布和比表面积的变化。结果表明：（1）随着煤样与割缝孔距离的增大,吸附常数a呈逐渐增大的趋势,而吸附常数b的变化趋势则相反,但与甲烷等温吸附曲线的曲率变化趋势一致。（2）随着煤样与割缝孔距离的增大,煤样孔径分布发生显著的变化,吸附孔孔容比从33.27%增大到55.38%,比表面积从7.254 m2/g增大到9.856 m2/g。（3）割缝预抽后,煤样参数曲线（Langmuir方程吸附常数、吸附孔孔容比和比表面积）的变化幅度均呈现出平缓→急剧→平缓的趋势,具有有界性和非线性的特征,符合Boltzmann方程。割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化存在明显的分区特征：变化显著区（小于1.8m）、变化过渡区（1.8~4.5m）和变化不显著区（大于4.5m）。（4）割缝预抽后煤体瓦斯压力下降,有效应力增大,进而控制煤体的吸附特性。研究结果可以为煤层水力割缝增透实践提供可靠的基础理论支撑。

岩浆侵入对煤吸附瓦斯特性的影响分析

为了研究岩浆侵入对煤吸附瓦斯特性影响,以卧龙湖井田10煤11个煤样为研究对象,采用工业分析、等温吸附实验、液氮吸附法测BET比表面积和CO2吸附法测微孔等方法,对比分析了多元物性参数和煤样与火成岩距离的关系。结果表明:岩浆热演化范围为60 m左右。靠近岩浆岩,镜质组反射率Rm由2.74%增至5.03%,挥发分Vdaf由16.04%减至6.85%,煤的变质程度提高。吸附常数a有先增加后减小的趋势,8#煤样(热演化区)a=59.02 m3/t,为最大值。岩浆覆盖区1#煤样a=13.53 m3/t,为最小值。吸附常数a、BET比表面积和微孔孔容分布曲线相关性较好,从数值大小来看,热演化区高于正常区,正常区高于岩浆覆盖区。岩浆接触变质作用,降低了煤吸附瓦斯能力。岩浆侵入煤层使热演化区煤的微孔较发育,比表面积变大,瓦斯吸附位增多,煤的吸附瓦斯能力增强。

国内影响瓦斯渗流因素的研究现状及发展趋势

针对目前国内对影响瓦斯渗流因素研究较为不成熟、无体系、研究少的问题,对影响煤体中瓦斯渗流的因素进行综述及分析。重点评述了煤体结构、温度、电场、水分、煤的吸附作用、瓦斯压力、煤体应力等7个因素对瓦斯渗流过程的影响。结合煤炭行业发展趋势及相关理论分析,提出未来影响瓦斯渗流因素的研究热点。