本文關(guān)鍵詞：煤的吸附解吸動(dòng)力學(xué)特性及其在瓦斯參數(shù)快速測定中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 孔隙特征 吸附等溫模型 脫附遲滯 均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散 瓦斯參數(shù)快速測定

【摘要】：瓦斯不僅是一種災(zāi)害性氣體,更是一種清潔能源。為了實(shí)現(xiàn)煤礦的生產(chǎn)和清潔能源的有效利用,對(duì)于其吸附解吸特性的深入研究就顯得尤為重要。此外,為保證安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行,對(duì)煤層瓦斯參數(shù)測定的需求越來越多,但現(xiàn)有的常規(guī)測定方法周期比較長,且工序繁瑣,不能滿足煤層瓦斯參數(shù)的多頻次快速測定要求,如何將煤的吸附解吸特性應(yīng)用于煤層瓦斯參數(shù)的測定亟待解決。為進(jìn)一步揭示煤層瓦斯吸附解吸特性,本文以吸附理論、界面化學(xué)、流體力學(xué)等理論方法為指導(dǎo),通過實(shí)驗(yàn)研究、理論分析以及數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了煤對(duì)瓦斯吸附能力的主控因素及其等溫吸附模型、煤的瓦斯脫附遲滯機(jī)制及其評(píng)價(jià)指標(biāo)、基于煤心濃度和孔隙溫度變化的均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散模型等內(nèi)容,在此基礎(chǔ)之上,提出了煤層瓦斯參數(shù)快速測定的方法,并進(jìn)行了儀器開發(fā)與應(yīng)用。本文的主要結(jié)論如下:(1)利用壓汞法和液氮吸附法測量結(jié)果的孔徑范圍不同,將兩者結(jié)果匯總,其中在D≤33 nm時(shí)使用液氮吸附實(shí)驗(yàn)的DFT模型結(jié)果,在D33 nm時(shí)使用壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除6#煤樣外,其余五組煤樣的孔容和比表面積均是隨著變質(zhì)程度的升高先降低后升高。分別利用壓汞實(shí)驗(yàn)和液氮吸附實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析了六組煤樣的分形維數(shù)。壓汞實(shí)驗(yàn)獲取的分形維數(shù)隨變質(zhì)程度的提高先降低后增加,液氮吸附實(shí)驗(yàn)的分形維數(shù)除3#煤樣外,其余也均表現(xiàn)出相同的規(guī)律,說明隨著變質(zhì)程度的提高,六組煤樣的孔隙復(fù)雜性和表面粗糙度先降低后升高。(2)通過研究BET比表面積和分形維數(shù)與煤吸附能力的關(guān)系,確定了煤中甲烷分子吸附的形式為單分子層吸附和微孔填充兩種方式。影響煤吸附瓦斯的作用機(jī)制主要有煤表面的吸附域、單位表面吸附位、煤表面與甲烷分子間的吸附勢能大小、煤內(nèi)微孔表面曲率、孔隙雜質(zhì)和環(huán)境溫度六種�；谖⒖滋畛銬ubininAstakhov方程和單分子層吸附Langmuir方程建立了煤中瓦斯吸附的DALangmuir等溫吸附方程。通過該方程對(duì)六組煤樣的等溫吸附曲線進(jìn)行了擬合,并與Langmuir方程擬合規(guī)律進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)DA-Langmuir的擬合度更高,基本在0.999以上。(3)通過不同條件下的等溫吸附脫附實(shí)驗(yàn),探究了各因素對(duì)脫附遲滯的影響。隨著煤樣粒徑變大,擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散阻力的增加提高了煤內(nèi)甲烷脫附的遲滯程度;最高平衡壓力的升高雖導(dǎo)致遲滯量增加,但未改變遲滯比;溫度升高導(dǎo)致遲滯量和遲滯比均是逐漸降低。水分的增加降低了遲滯量,提高了遲滯比;隨著變質(zhì)程度的提高,遲滯量和遲滯比均是先降低后升高,但遲滯比升高的幅度要遠(yuǎn)小于遲滯量。壓汞法孔容和比表面積均與遲滯比表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性,壓汞法分形維數(shù)和液氮吸附法分形維數(shù)均與遲滯量表現(xiàn)出很好的正相關(guān)性,與遲滯比也有一定的相關(guān)性,但相關(guān)性較差。說明煤內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,表面粗糙度越大,其造成的遲滯量和遲滯比也就越大,對(duì)煤的瓦斯脫附遲滯的影響程度也就越大。(6)煤中瓦斯脫附產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因主要是孔隙喉道、吸附變形和雜質(zhì)阻塞。從煤礦的安全生產(chǎn)、煤層氣的開發(fā)以及溫室氣體地質(zhì)儲(chǔ)存的角度出發(fā),本文提出了評(píng)價(jià)煤的瓦斯脫附遲滯的指標(biāo)——極限遲滯瓦斯量,表征煤的瓦斯極限遲滯能力。(7)針對(duì)均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散模型的不足,本文提出了煤心濃度和孔隙溫度的變化規(guī)律。假定瓦斯壓力為P時(shí)的解吸過程為無數(shù)個(gè)0~P壓力的吸附平衡狀態(tài)的連續(xù)過程,從而根據(jù)剩余瓦斯含量獲得相應(yīng)的煤心濃度。瓦斯解吸是一個(gè)吸熱過程,該過程降低了孔隙內(nèi)甲烷分子和孔隙表面的溫度,進(jìn)而改變了甲烷分子在孔隙內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)�；谏鲜龇中�,本文建立了基于煤心濃度和孔隙溫度變化的均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散模型。利用上述模型使用COMSOL軟件對(duì)6#煤樣在粒徑為1~3mm,瓦斯壓力2MPa,溫度為30℃時(shí)的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,最終獲得了不同時(shí)間點(diǎn)煤粒內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植家?guī)律、煤粒內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的濃度變化規(guī)律和解吸曲線,并使用實(shí)驗(yàn)室解吸數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。(8)本文利用解吸曲線與瓦斯參數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了煤層瓦斯含量等參數(shù)快速測定的方法。進(jìn)行了相同條件下吸附平衡后不同煤樣粒徑、外加水分和環(huán)境溫度的解吸實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)規(guī)律確定了粒徑為1~3mm的原始干燥煤樣為快速測定實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)煤樣,并提出了試驗(yàn)結(jié)果的溫度校正公式�；谏鲜龇椒ㄩ_發(fā)了煤層瓦斯參數(shù)快速測定儀。該儀器采用本安型設(shè)計(jì),設(shè)置了三種測試時(shí)間(30、45和60分鐘)和兩種比對(duì)模式(含損失量法和直接法)。以九里山礦二1煤層九二采區(qū)為例,制定了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。在九二采區(qū)施工了八個(gè)鉆孔分別使用常規(guī)方法和快速測定儀對(duì)其瓦斯參數(shù)進(jìn)行了測定。測定結(jié)果顯示,測定誤差在25%以內(nèi),因此,煤層瓦斯參數(shù)快速測定儀的測試結(jié)果基本可靠。
【關(guān)鍵詞】：孔隙特征 吸附等溫模型 脫附遲滯 均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散 瓦斯參數(shù)快速測定
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• Extended Abstract12-27
• 變量注釋表27-29
• 1 緒論29-39
• 1.1 選題背景及意義29-30
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀30-36
• 1.3 存在問題36-37
• 1.4 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線37-39
• 2 不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征39-57
• 2.1 實(shí)驗(yàn)煤樣的采集與制備39-40
• 2.2 基礎(chǔ)參數(shù)實(shí)驗(yàn)40-41
• 2.3 煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征41-50
• 2.4 煤的孔隙分形特征50-56
• 2.5 本章小結(jié)56-57
• 3 煤的瓦斯吸附能力主控因素及其等溫吸附模型57-77
• 3.1 煤對(duì)瓦斯吸附特性及實(shí)驗(yàn)方法57-61
• 3.2 煤的瓦斯吸附能力主控因素61-70
• 3.3 影響煤吸附瓦斯的作用機(jī)制70-72
• 3.4 DA-Langmuir等溫吸附模型72-76
• 3.5 本章小結(jié)76-77
• 4 煤的瓦斯脫附遲滯機(jī)制及其評(píng)價(jià)指標(biāo)77-97
• 4.1 煤的瓦斯脫附遲滯的主要控制因素77-88
• 4.2 煤的瓦斯脫附遲滯機(jī)制88-91
• 4.3 脫附遲滯對(duì)煤層瓦斯參數(shù)測定的影響91-93
• 4.4 煤的瓦斯脫附遲滯評(píng)價(jià)指標(biāo)93-95
• 4.5 本章小結(jié)95-97
• 5 基于煤心濃度和孔隙溫度變化的均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散模型97-119
• 5.1 煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散主要控制因素98-106
• 5.2 基于煤心濃度和孔隙溫度變化的均質(zhì)煤粒瓦斯擴(kuò)散模型106-111
• 5.3 煤粒瓦斯擴(kuò)散模型的COMSOL模擬111-117
• 5.4 本章小結(jié)117-119
• 6 煤層瓦斯參數(shù)快速測定原理及儀器研發(fā)應(yīng)用119-135
• 6.1 煤層瓦斯參數(shù)測定的常規(guī)方法119-122
• 6.2 煤層瓦斯參數(shù)的快速測定方法122-126
• 6.3 煤層瓦斯參數(shù)快速測定儀研發(fā)126-128
• 6.4 快速測定儀在九里山礦的應(yīng)用128-133
• 6.5 本章小結(jié)133-135
• 7 主要結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望135-139
• 7.1 主要結(jié)論135-137
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)137-138
• 7.3 展望138-139
• 參考文獻(xiàn)139-152
• 作者簡歷152-154
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集154

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 田華;張水昌;柳少波;張洪;;壓汞法和氣體吸附法研究富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙特征[J];石油學(xué)報(bào);2012年03期

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本文編號(hào)：959613