初始解吸瓦斯流量测量系统的研究

煤样中瓦斯的初始解吸过程的特点是速度快、变化大 ,初始解吸的瓦斯流量难以检测 .根据空气动力学原理 ,设计了一种带渐缩喷口的流量测定装置 .它采用传感器及计算机检测技术 ,成功地检测了煤样的初始瓦斯解吸过程 。

常压不可解吸瓦斯含量快速测定方法试验研究

常压不可解吸瓦斯含量测定是瓦斯含量直接测定方法中重要的组成部分,采用DGC直接测定装置进行常压不可解吸瓦斯含量测定时周期长、成本高、操作复杂。选取山西省257个煤样在实验室进行了瓦斯吸附常数及常压吸附量的测定,通过对测试数据分析研究,得到煤的变质程度与实测常压吸附量之间呈对数函数关系,进而得出常压不可解吸瓦斯含量快速测定的关系模型。在利用此关系模型可以实现在8 h之内准确测定出煤层瓦斯含量。

逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程,瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量,是煤与瓦斯突出的主要能量来源。发生煤与瓦斯突出时,煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸,为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性,以晋城矿区无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附-解吸试验装置,进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验,分析了逐级降压解吸下解吸瓦斯膨胀能变化特性。研究结果表明:吸附平衡压力越大,煤中吸附瓦斯内能越大,体系稳定性越差,在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故;吸附平衡压力相同时,常压环境下解吸瓦斯膨胀能高于降压解吸下解吸瓦斯膨胀能,且随着吸附平衡压力升高,二者的差值逐渐增大,2.5 MPa吸附平衡压力时常压环境下解吸瓦斯膨胀能比降压环境下解吸瓦斯膨胀能高28.6%;降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用,且环境气体压力越高,抑制效果越明显;降低解吸瓦斯膨胀能可作为一种防治煤与瓦斯突出技术途径。

煤解吸瓦斯的影响因素研究

为考察煤解吸瓦斯的影响因素,结合扩散和吸附等理论推导了瓦斯解吸方程,根据方程可知,吸附平衡压力、煤样粒径、煤的破坏类型和解吸时间是影响煤解吸瓦斯的主要因素。为验证理论推导的可靠性,在实验室分别考察了这4个因素对粒煤解吸瓦斯的影响,结果表明:煤样粒径越小、吸附平衡压力越大、煤样破坏越严重,相同时间段内的瓦斯解吸量越大;任何煤样在任何条件下的瓦斯解吸量与时间的关系曲线均为单调增函数,时间越长,解吸总量越大。试验结果与理论推导结果一致。

添加表面活性剂注水对煤体解吸瓦斯的影响分析

利用自制的吸附—注水—解吸实验装置,开展了注纯水和注添加复配的表面活性剂溶液对吸附平衡煤样瓦斯解吸规律的影响实验。研究结果表明:在相同解吸时间内,注纯水煤样的瓦斯解吸量比注表面活性剂溶液煤样的瓦斯解吸量大;随着注水压力的升高及添加表面活性剂注水,压力水能够进入煤体的更细微孔隙,水分对瓦斯的封堵作用更明显,煤样瓦斯解吸量均减小;添加表面活性剂可大幅度降低水的表面张力,提高煤体的润湿效果,对煤体解吸瓦斯影响显著。

PC104嵌入式系统在初始解吸瓦斯测量系统中的应用

为了测量初始解吸的瓦斯量,设计了基于PC104嵌入式系统的测量系统。文章重点阐述了初始解吸瓦斯测量系统的软、硬件构成。实验证明:该系统具有稳定性好、可靠性高和维护方便等特点,可用于探索煤样中初始解吸瓦斯的规律、方法和技术。

可解吸瓦斯含量降低法在顺层钻孔瓦斯抽采半径考察中的应用

对于突出煤层,准确掌握其瓦斯抽采半径是制订防突措施的重要依据,也是在预抽期内实现消突的根本保证。采用可解吸瓦斯含量降低法,对狗场煤矿5102备采工作面5号煤层Φ75 mm顺层钻孔进行了抽采半径考察。实践证明,可解吸瓦斯含量降低法可以用于顺层钻孔抽采半径考察,其成功率及准确性较高。考察结果表明,狗场煤矿5号煤层Φ75 mm顺层钻孔抽采半径R与预抽时间t之间的相关关系式为R=0.666 ln t-1.422。

基于可解吸瓦斯指标的有效抽采半径合理判据研究

为了得到真实的有效抽采半径指导本煤层瓦斯预抽,从瓦斯抽采的本质目标出发,以满足抽采达标要求为依据,确立了工作面日产量对应的煤层可解吸瓦斯含量这一核心判据,并通过反演相应的残余瓦斯压力,结合“压降法”形成了有效抽采半径测试方法。通过现场试验,由判定依据和测试方法得出1204工作面有效抽采半径抽采79 d时为1.5 m,以此指导工作面本煤层预抽钻孔布置,可满足抽采达标要求,回采期间上隅角瓦斯浓度0.28%~0.66%,实现了工作面安全生产,表明该判据合理有效。

基于煤屑解吸瓦斯压力的煤层瓦斯压力测定

煤层瓦斯压力是判断煤层突出危险性的重要指标,同时也是采取抽放措施的重要参考依据,因此快速、准确地测定煤层瓦斯压力意义重大。通过煤屑解吸瓦斯压力测定实验,对相同损失时间不同平衡瓦斯压力条件下煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线进行分析,发现煤层瓦斯压力与平衡瓦斯压力具有一定关系。实验表明,对数公式能够很好地拟合压力恢复曲线,系数A表明煤屑在不同平衡瓦斯压力下解吸的差异性,和煤层瓦斯压力存在指数关系。根据此规律,可在测得现场煤屑解吸瓦斯压力恢复曲线的系数A后,结合已确定的煤层瓦斯压力指数公式推算出测压地点煤层瓦斯压力,并在赵家寨煤矿得到了验证,效果良好。

水分、灰分以及挥发分对不可解吸瓦斯含量的影响分析

为了测定煤样不可解吸瓦斯含量大小,需要对影响不可解吸瓦斯含量因素进行分析。通过分析鹤壁煤矿不可解吸瓦斯含量与水分、灰分、挥发分等因素之间的关系,找出影响鹤壁煤层不可解吸瓦斯含量的主要因素,为矿井瓦斯涌出量预测及煤层残余瓦斯含量的确定提供技术支持。

瓦斯缓释剂作用下多因素对解吸瓦斯峰值浓度分布影响研究

为防范煤矿瓦斯事故,实现瓦斯高效精准抽采,在井下局部高浓度瓦斯区域喷淋瓦斯缓释剂成为防控瓦斯超限的重要手段之一。依据煤矿掘进工作面搭建相似比模型,利用自主研制的多因素影响煤体瓦斯解吸喷淋试验台,研究了喷淋瓦斯缓释剂下不同因素影响解吸瓦斯峰值浓度分布的规律,分析了APG溶液质量分数、雾化压力、煤样粒径、平衡压力、环境温度、空气流量等因素对解吸瓦斯峰值浓度分布的影响,利用Pearson相关系数法得到了喷淋瓦斯缓释剂后各因素与不同区域瓦斯峰值浓度的相关性。结果表明:APG溶液质量分数小于0.10%时,瓦斯峰值浓度随APG质量分数增加迅速下降,超过0.10%时下降率减小。缓释剂作用下,瓦斯峰值浓度与雾化压力、煤样粒径分别呈负线性和负指数关系,瓦斯峰值浓度随雾化压力与煤样粒径的增大而降低,煤样粒径为5~10 mm时瓦斯下降率最大;瓦斯峰值浓度与平衡压力、环境温度分别呈线性和指数函数关系,瓦斯峰值浓度随平衡压力与环境温度的升高而增加,环境温度为35℃时瓦斯峰值浓度增长率最高。在工作面模型中心,瓦斯峰值浓度随空气流量升高而迅速降低,工作面拐角处瓦斯峰值浓度也随空气流量增大而降低,并在超过12.7×10^(-3)m^(3)/s时瓦斯峰值浓度降低速率减小。在多因素共同作用下,瓦斯峰值浓度相较于单一因素降低了4.3%~8.0%。利用相关系数法计算得到影响进风口上下拐角、出风口上下拐角和模型中心的瓦斯峰值浓度最大因素分别为雾化压力、雾化压力、平衡压力、环境温度、平衡压力。

应力约束下煤体吸附解吸瓦斯变形特性的试验研究

利用YKDPump70精密驱替泵,对原煤尺寸(ф50 mm×100 mm)试件,进行了恒温恒压(20℃,18 MPa)条件下,CH_4在无烟煤中的吸附解吸试验,对CH_4在吸附解吸过程中煤体的变形特征进行了测量分析。主要结果为:在整个吸附解吸过程中,煤体的径向变形与轴向变形随时间的变化规律是相似的,并在同一吸附压力下,煤体的吸附膨胀变形量大于解吸收缩变形量,煤体存在一定的残余变形。在不同的吸附压力下,解吸量与煤体轴向应变、径向应变随时间的增大而增大,最终趋于稳定状态,并且二者的变化规律基本一致,呈对数形式增长。在18 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CH_4解吸过程中,煤体轴向应变、径向应变ε与CH_4解吸量q成线性关系,即ε=aq+b,式中:a、b为拟合常数。

高温高压条件下含瓦斯煤解吸-自燃演化特性研究

随着矿井开拓水平的延深,煤岩赋存环境呈现出高瓦斯压力、高地温特征,而温度、压力是影响含瓦斯煤吸附-解吸-氧化特性的重要因素。为了探究高温高压下遗煤中瓦斯解吸特征及自燃特性的变化,选用高瓦斯易自燃矿井不同埋深的煤样作为试验对象,设计不同温度和压力下煤中甲烷解吸的正交试验,并对原煤样和解吸煤样进行孔隙及表面积测试、TG-FTIR联用、程序升温试验。结果表明:在整个解吸试验过程中,温度的抑制都显著大于压力的促进作用;高温高压环境主要改变了煤中的微孔结构,致使煤体的比表面积和总孔容都出现增加;解吸后,标高320 m和标高343 m煤样的温度突变点提前了8.7%和4.9%,同时虽然煤中的官能团种类相同,但含量出现了不同程度的降低;标高320 m和标高343 m解吸煤样和原煤样CO生成的交叉温度点分别为78℃和74℃,C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)的浓度始终低于原煤样;同时解吸煤样的耗氧量在相同煤温下出现了下降,在170℃时差距最大,标高320 m和标高343 m解吸前后煤样的氧气含量为9.3%、13.1%和10.3%、14.3%,两者的耗氧量最大相差42.3%、41.2%。综合分析表明,煤体经过高温、高压解吸后煤样在氧化初期更易自燃,产生更多的CO,可以选择CO作为指标气体,而在高温阶段反应剧烈程度有所降低。此外推导出了煤中甲烷解吸对采空区气体环境的实时变化公式,并以1304综采工作面为模型,对“高瓦斯压力、高地温”特征下采空区遗煤中瓦斯解吸影响下的“氧化带”区域进行了更细致的划分,将范围缩小了63.5%。研究成果可为高瓦斯易自燃煤层瓦斯与火耦合灾害防控提供基础支撑。

羧甲基纤维素对表面活性剂泡沫性能及瓦斯解吸影响研究

为研究稳泡剂作用下表面活性剂泡沫性能对瓦斯解吸效应的影响,选取十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)和辛癸基葡糖苷(APG0810)3种不同表面活性剂与稳泡剂羧甲基纤维素(CMC)配置溶液;通过测定溶液表面张力、黏度、发泡能力和泡沫稳定性等参数,确定具有最佳泡沫性能溶液组成,并探讨温度和煤样含水率等对该溶液泡沫稳定性的影响;利用高压瓦斯吸附解吸装置开展含稳泡剂的不同表面活性剂对瓦斯解吸效应影响试验。结果表明:SDBS质量分数为0.15%的溶液泡沫半衰期与发泡体积最佳,分别为239.34 min和17.33 mL;添加CMC后,溶液泡沫半衰期与发泡体积有明显上升,0.15%SDBS+0.50%CMC时达到最大值,分别为343.92 min和19.33 mL,此配比溶液为具有最佳泡沫性能溶液;当温度降低或煤样含水率增加时,煤体表面泡沫体积随着时间的变化增幅较小,该条件下泡沫的稳定性增加;0.15%SDBS+0.50%CMC配比溶液浸润煤样后,较不添加CMC溶液浸润煤样瓦斯解吸时间延长5 min;添加CMC会加快水分子的形成,增加水层的厚度,延长泡沫在煤样中存在时间和覆盖面积,有效延缓瓦斯释放时间,为高效表面活性剂抑制瓦斯解吸规律及机理研究提供参考。

基于改进瓦斯解吸实验方法的初始粉煤快速解吸机理研究

粉煤瓦斯解吸实验是研究粉煤瓦斯解吸动力学特征的常用手段之一,其结果是揭示粉煤放散瓦斯能力的重要参数。传统实验方法在煤样罐泄压后开始测量瓦斯解吸数据,存在较大误差。利用甲烷与氦气的粉煤吸附特性差异性提出了改进的粉煤瓦斯解吸实验方法,并建立了初始瓦斯粉煤快速解吸模型,从而揭示了煤体粉化后瓦斯快速解吸的内在机制。研究结果表明:解吸开始的前5 s,0.075~0.150 mm JG71煤样解吸的瓦斯量是1.00~2.36 mm煤样的2.05倍,而0.075~0.150 mm JG82煤样解析的瓦斯量是1.00~2.30煤样的10.29倍;煤样粉化程度越高,吸附平衡压力越大,初始瓦斯解吸速度越大,传统实验方法得到的数据误差越大。研究结果为突出粉化煤体快速解吸瓦斯、提供瓦斯膨胀能、促进煤与瓦斯突出传播的研究提供了数据支撑,同时为完善煤与瓦斯致灾机理奠定基础。

多级脉冲超声波激励含水煤体瓦斯解吸特征的试验研究

为进一步明确多级脉冲超声波对含水煤体瓦斯解吸特征的影响,利用含瓦斯煤体超声波激励试验系统,分析了超声波持续激励不同饱水度煤体以及多级脉冲激励饱水煤体条件下,煤的孔隙结构及瓦斯解吸的变化规律,揭示出多级脉冲超声波激励含水煤体促解增流机制。结果表明:随超声波功率和煤体饱水度的增加,煤的平均孔径、比表面积和总孔容均增大;超声波功率为1 000 W时,与干燥煤体相比,煤的比表面积和总孔容增幅由煤体25%饱水度的4.369%、3.504%分别增加到100%饱水度的7.699%、8.992%;煤的瓦斯解吸量与时间呈Langmuir型关系,煤的瓦斯解吸量、解吸率均与超声波功率、煤体饱水度呈正相关性;与干燥煤体相比,煤的瓦斯解吸量增幅、解吸率增幅均随煤体饱水度增加呈线性增大趋势,超声波激励对饱水煤体的孔隙改造及瓦斯解吸影响效果最好。随超声波多级脉冲次数增加,饱水煤体的比表面积、总孔容以及瓦斯解吸量、解吸率均增大;与1 000 W超声波激励相比,煤的比表面积及总孔容增幅与多级脉冲次数呈正幂函数关系,煤的瓦斯解吸量及解吸率增幅由多级脉冲1次的2.745%、4.598%分别增加到3次的27.222%、11.106%,与多级脉冲次数呈正线性关系。多级脉冲超声波激励含水煤体产生的振动和空化复合效应,使煤基质发生疲劳损伤,强化了煤的孔隙改造效果,并加剧瓦斯分子动能,进而促进煤体瓦斯解吸,现场可通过研发多级脉冲超声波发射器结合水力化技术增透煤层抽采瓦斯。

煤孔隙结构对瓦斯解吸−扩散−渗流过程的影响

充分认识煤层瓦斯运移机制是提升抽采效率的根本前提。而目前针对煤体瓦斯微观运移特性的研究探讨的多是煤微观孔隙瓦斯运移特性,忽略了瓦斯解吸−扩散过程。以焦煤为例,采用压汞测试、纳米级工业CT扫描和数值仿真,精准重构并定量表征了煤孔隙空间结构,从微观角度分析了瓦斯解吸−扩散−渗流的演化过程,初步探讨了煤孔隙空间结构对瓦斯运移的影响。结果表明:①在孔隙中心位置的瓦斯压力相对较高,解吸−扩散由孔隙中心向边缘进行,不同时间及位置上瓦斯压力分布规律差异明显,造成瓦斯压力分布差异性的原因在于各代表性体积(REV)单元中孔隙与喉道的半径、长度、形状、连通性能不同。②孔隙结构和拓扑优势拓展了瓦斯解吸−扩散−渗流范围,大尺寸孔隙结构能为气体分子提供多元化运动空间,削弱尺寸效应对扩散广度的影响,促进瓦斯解吸−扩散速率。③强非均质连通孔隙结构中,瓦斯渗流分散而高效,能通过广泛沟通煤基质完成气体由扩散到渗流的转变,提升瓦斯传质效率;弱非均质连通孔隙结构中,气体渗流路径单一、流线集中,渗流传质阻力较大,气体分子由扩散到渗流的转变效率低,不利于瓦斯高效运移。研究结果从微观角度丰富了煤体瓦斯运移理论,为瓦斯抽采工程实践提供了理论基础。

含瓦斯型煤多级降压解吸规律研究

外部环境压力变化是影响煤样瓦斯解吸规律的主要因素之一。为研究煤体在常压与多级降压环境下瓦斯解吸规律的差异,以型煤为研究对象,通过自主研发的含瓦斯煤体带压解吸系统,对不同吸附平衡压力下的型煤试样分别进行常压解吸和多级降压解吸实验,对比分析其解吸特性,并总结不同经验公式对解吸数据的适用性。结果表明:2种解吸环境下的瓦斯解吸量随时间的变化均呈现“快速上升-逐渐变缓-趋于稳定”;在多级降压解吸过程中,相同解吸时间内的瓦斯解吸量随解吸压力的降低而增大,解吸达到平衡状态所需时间变长,不同吸附平衡压力下的累计瓦斯解吸量与解吸压力呈负相关;乌斯基诺夫式和文特式对常压及各解吸压力下的多级降压过程都具有较高的拟合度,而巴雷尔式只能描述降为常压后的瓦斯解吸过程。

相变储热材料相变过程对含瓦斯煤解吸特性的影响研究

煤体瓦斯解吸速率慢易引起煤与瓦斯突出事故,且温度对瓦斯的解吸过程有重要的影响,提高温度能够明显提高瓦斯解吸率。基于此规律,选取相变温度为58℃的无机相变蓄能材料,采用对比实验,研究不同含量相变材料的相变过程对煤体的温度影响范围,同时,将相变材料应用到吸附解吸实验中,获得相变过程中温度变化对煤体瓦斯解吸量与解吸速率的影响。结果表明:加入相变材料后,已完成解吸过程的含瓦斯煤会重新解吸出瓦斯,最终稳定的解吸量为1.709 cm^(3)/g,增加了0.185 cm^(3)/g,占正常条件下解吸量的12.14%,说明相变材料的加入可提高煤样的解吸率。

煤体电阻率随吸附/解吸瓦斯变化特性实验

通过利用高精度电阻测试实验装置,对煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下的电阻值变化规律分别进行测定,以研究吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率的影响。研究结果表明:吸附/解吸瓦斯对煤体电阻率具有明显的影响,且煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下呈现出相同的规律,即:在吸附瓦斯过程中,煤体电阻率随着瓦斯吸附量先逐渐减小,后趋于平稳;而在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率与煤中瓦斯含量呈线性关系。不同吸附方式下,对比同一瓦斯含量对应的电阻率,可以发现等体积吸附实验电阻率改变较连续吸附实验明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远。