煤的吸附解吸动力学特性及其在瓦斯参数快速测定中的应用

摘要:瓦斯不仅是一种灾害性气体,更是一种清洁能源。为了实现煤矿的生产和清洁能源的有效利用,对于其吸附解吸特性的深入研究就显得尤为重要。此外,为保证安全生产的顺利进行,对煤层瓦斯参数测定的需求越来越多,但现有的常规测定方法周期比较长,且工序繁琐,不能满足煤层瓦斯参数的多频次快速测定要求,如何将煤的吸附解吸特性应用于煤层瓦斯参数的测定亟待解决。  为进一步揭示煤层瓦斯吸附解吸特性,本文以吸附理论、界面化学、流体力学等理论方法为指导,通过实验研究、理论分析以及数值模拟,重点研究了煤对瓦斯吸附能力的主控因素及其等温吸附模型、煤的瓦斯脱附迟滞机制及其评价指标、基于煤心浓度和孔隙温度变化的均质煤粒瓦斯扩散模型等内容,在此基础之上,提出了煤层瓦斯参数快速测定的方法,并进行了仪器开发与应用。本文的主要结论如下:  (1)利用压汞法和液氮吸附法测量结果的孔径范围不同,将两者结果汇总,其中在D≤33 nm时使用液氮吸附实验的DFT模型结果,在D>33 nm时使用压汞实验结果。除6#煤样外,其余五组煤样的孔容和比表面积均是随着变质程度的升高先降低后升高。分别利用压汞实验和液氮吸附实验的数据分析了六组煤样的分形维数。压汞实验获取的分形维数随变质程度的提高先降低后增加,液氮吸附实验的分形维数除3#煤样外,其余也均表现出相同的规律,说明随着变质程度的提高,六组煤样的孔隙复杂性和表面粗糙度先降低后升高。  (2)通过研究BET比表面积和分形维数与煤吸附能力的关系,确定了煤中甲烷分子吸附的形式为单分子层吸附和微孔填充两种方式。影响煤吸附瓦斯的作用机制主要有煤表面的吸附域、单位表面吸附位、煤表面与甲烷分子间的吸附势能大小、煤内微孔表面曲率、孔隙杂质和环境温度六种。基于微孔填充Dubinin-Astakhov方程和单分子层吸附 Langmuir方程建立了煤中瓦斯吸附的 DA-Langmuir等温吸附方程。通过该方程对六组煤样的等温吸附曲线进行了拟合,并与Langmuir方程拟合规律进行对比,发现DA-Langmuir的拟合度更高,基本在0.999以上。  (3)通过不同条件下的等温吸附脱附实验,探究了各因素对脱附迟滞的影响。随着煤样粒径变大,扩散路径和扩散阻力的增加提高了煤内甲烷脱附的迟滞程度;最高平衡压力的升高虽导致迟滞量增加,但未改变迟滞比;温度升高导致迟滞量和迟滞比均是逐渐降低。水分的增加降低了迟滞量,提高了迟滞比;随着变质程度的提高,迟滞量和迟滞比均是先降低后升高,但迟滞比升高的幅度要远小于迟滞量。压汞法孔容和比表面积均与迟滞比表现出明显的正相关性,压汞法分形维数和液氮吸附法分形维数均与迟滞量表现出很好的正相关性,与迟滞比也有一定的相关性,但相关性较差。说明煤内孔隙结构越复杂,表面粗糙度越大,其造成的迟滞量和迟滞比也就越大,对煤的瓦斯脱附迟滞的影响程度也就越大。  (6)煤中瓦斯脱附产生迟滞现象的原因主要是孔隙喉道、吸附变形和杂质阻塞。从煤矿的安全生产、煤层气的开发以及温室气体地质储存的角度出发,本文提出了评价煤的瓦斯脱附迟滞的指标——极限迟滞瓦斯量,表征煤的瓦斯极限迟滞能力。  (7)针对均质煤粒瓦斯扩散模型的不足,本文提出了煤心浓度和孔隙温度的变化规律。假定瓦斯压力为 P时的解吸过程为无数个0~P压力的吸附平衡状态的连续过程,从而根据剩余瓦斯含量获得相应的煤心浓度。瓦斯解吸是一个吸热过程,该过程降低了孔隙内甲烷分子和孔隙表面的温度,进而改变了甲烷分子在孔隙内的扩散系数。基于上述分心,本文建立了基于煤心浓度和孔隙温度变化的均质煤粒瓦斯扩散模型。利用上述模型使用COMSOL软件对6#煤样在粒径为1~3mm,瓦斯压力2MPa,温度为30℃时的扩散规律进行了数值模拟,最终获得了不同时间点煤粒内的瓦斯浓度分布规律、煤粒内质点的浓度变化规律和解吸曲线,并使用实验室解吸数据对模拟结果进行了验证。  (8)本文利用解吸曲线与瓦斯参数的一一对应关系,提出了煤层瓦斯含量等参数快速测定的方法。进行了相同条件下吸附平衡后不同煤样粒径、外加水分和环境温度的解吸实验,通过实验规律确定了粒径为1~3mm的原始干燥煤样为快速测定实验的标准煤样,并提出了试验结果的温度校正公式。基于上述方法开发了煤层瓦斯参数快速测定仪。该仪器采用本安型设计,设置了三种测试时间(30、45和60分钟)和两种比对模式(含损失量法和直接法)。以九里山矿二1煤层九二采区为例,制定了相应的数据库。在九二采区施工了八个钻孔分别使用常规方法和快速测定仪对其瓦斯参数进行了测定。测定结果显示,测定误差在25%以内,因此,煤层瓦斯参数快速测定仪的测试结果基本可靠。

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