基于晶格理论模型煤的瓦斯吸附性能预测下载

weixin_39821526 2020-10-02 02:00:41

采用瓦斯吸附试验测试系统,在303、293 K对气肥煤、贫煤和无烟煤等进行瓦斯等温吸附试验,并基于晶格理论模型和某一温度下煤的吸附试验为依据,开展不同温度下煤的瓦斯吸附规律预测。结果表明:不同变质程度煤中游离瓦斯摩尔密度与吸附量存在线性关系。与瓦斯吸附等温线的实测结果相比,采用晶格理论模型预测得到不同变质程度煤的等温吸附曲线无论是趋势还是定量结果均十分吻合,相对误差均不超过3.8%。
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采用瓦斯吸附试验测试系统,在303、293 K对气肥煤、贫煤和无烟煤等进行瓦斯等温吸附试验,并基于晶格理论模型和某一温度下煤的吸附试验为依据,开展不同温度下煤的瓦斯吸附规律预测。结果表明:不同变质程度煤中游离瓦斯摩尔密度与吸附量存在线性关系。与瓦斯吸附等温线的实测结果相比,采用晶格理论模型预测得到不同变质程度煤的等温吸附曲线无论是趋势还是定量结果均十分吻合,相对误差均不超过3.8%。

鉴于煤与瓦斯突出模拟实验所用的型煤一般与原煤性能差异较大,以硅酸盐水泥、腐殖酸钠、羟甲基纤维素钠和硅酸钠等材料为基料,分别研究各类胶结材料对煤的力学性质、坚固性系数、瓦斯吸附解吸特性的影响。并通过正交实验复配研发新型型煤胶结剂,用于突出模拟试验的型煤制作。实验结果表明:水泥能够迅速提高型煤的抗压强度和坚固性系数,也会极大减弱瓦斯吸附性能。腐殖酸钠含量的增加有利于煤吸附瓦斯,但对煤的坚固性与力学性能提升有限。当胶结剂比例为水泥:腐殖酸钠∶CMC∶活性炭=2%∶(12%~15%)∶4%∶(4%~6%),型煤的抗压强度和瓦斯吸附特性与原煤的差异控制在10%以内。性质上与原煤较为接近,更适用于煤与瓦斯突出模拟试验。

为研究不同破坏类型煤体结构差异性及其对瓦斯吸附的影响,以山西沁水煤田王庄煤矿3号煤层为工程背景,测试了4种不同破坏类型煤样的瓦斯吸附性能;采用低温液氮吸附法分析了不同破坏类型煤样的孔隙结构特征,通过FHH公式计算了煤体孔隙分形维数,并针对不同变形破坏程度煤的结构差异性进行了对比分析。结果表明:不同破坏类型煤样的瓦斯吸附能力差异显著,煤样的Langmuir体积VL从24.34cm~3/g增加到36.16cm~3/g,煤体破坏程度的增加有利于瓦斯吸附;不同破坏类型煤样的孔隙结构差异显著,煤样中值孔径变化范围为13.54~28.37nm,总比表面积在0.389~0.965m~2/g之间变化,分形维数值在2.389~2.682之间变化;总体来看,随煤体破坏程度的增加,煤孔径减小,孔比表面积增加,孔隙结构趋于复杂化,煤体拥有更强的吸附能力。

为了探讨煤体在不同物理场耦合作用下吸附瓦斯后的膨胀变形特征,以型煤为研究对象,利用自行研发的高压瓦斯煤岩吸附-解吸测试系统对型煤进行了不同温度、不同压力下的吸附变形试验。试验结果表明,随着温度的升高,煤体吸附瓦斯量呈减小趋势,其轴向变形和环向变形量均有所降低;在相同温度条件下,随着压力的升高,型煤试件的变形量和变形速度均有所降低;不同温度、压力下,幂指数函数对于型煤试件吸附、解吸过程中的应变变化的拟合效果要明显优于朗格缪尔形式公式。

为弄清不同破坏类型煤吸附甲烷的规律,采用吸附势理论对不同温度煤的甲烷吸附量进行计算,得出不同破坏类型煤的吸附特征曲线及差异性。研究结果表明:随着煤体破坏类型的增加,各阶段孔容都增加,其增大了煤体吸附瓦斯的空间;同一温度下,煤体的破坏类型越大,其吸附量越大,吸附势能也越大;煤体的吸附势随着吸附空间的增加而减小;ε-ω吸附特征曲线与温度无关,吸附势ε与吸附空间ω满足ε=aω3+bω2+cω+d的关系,式中a、b、c、d为常数。

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