水—熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機(jī)理研究.pdf

1、煤層氣的高效和安全開采，既可以防治礦井瓦斯災(zāi)害的發(fā)生，又可以提高能源的利用效率。
　　 針對采用過熱水或過熱水蒸氣，加熱煤層開采煤層氣的施工方案和工藝，本文進(jìn)行了較小煤試樣的細(xì)觀滲流試驗(yàn)研究、不同溫度和水壓作用下大尺寸煤試樣對瓦斯的吸附解吸試驗(yàn)研究、毛細(xì)管中水和甲烷的運(yùn)移機(jī)理研究以及相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。對既定方案所涉及到的水-熱耦合作用下煤體瓦斯的吸附解吸機(jī)理，進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，主要得到以下結(jié)論：
　　 1)成功研制用

2、于固體-氣、液二相流體滲流的細(xì)觀試驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行煤在顯微CT觀測下的吸附甲烷和高壓注水試驗(yàn)，及其相應(yīng)的觀測和分析。通過對2mm×2.5mm×10mm的煤試樣進(jìn)行CT觀測后得出，煤試樣吸附甲烷后，相同區(qū)域、相同閾值的孔隙率下降約3％，但是隨著吸附壓力的進(jìn)一步增加，孔隙率下降的趨勢不明顯。煤試樣在高壓注水后，相同區(qū)域、相同閾值的孔隙率下降約4％，但是隨著注水壓力的進(jìn)一步增加，孔隙率下降的趨勢不明顯，并且卸載水壓后，孔隙率仍會呈現(xiàn)微量的降低

3、。
　　 2)采用自主研制的吸附-注水-解吸成套試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了原位取芯得到的含瓦斯煤樣在高壓注水后的恒溫(20℃)解吸特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：含瓦斯煤樣未注水時(shí)的自然解吸規(guī)律，與實(shí)際礦井的瓦斯涌出規(guī)律相近。水對含瓦斯煤樣的解吸能力影響較大，等吸附平衡壓力的水壓注入含瓦斯煤樣中，其解吸量只有自然解吸時(shí)的50％～70％，得到終態(tài)解吸率隨注水壓力變化的函數(shù)關(guān)系式。不同注水壓力的解吸試驗(yàn)中，得到解吸率隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式，其影響因素主要

4、是文中所定義的解吸時(shí)間效應(yīng)臨界值t0，注水壓力越高，t0值越大。結(jié)合煤試樣的孔隙分布規(guī)律，計(jì)算得出煤在不同水壓作用下，水能夠進(jìn)入到煤中的臨界孔隙尺度，此值越小，解吸率越低，推導(dǎo)得出煤體瓦斯解吸率與吸附平衡瓦斯壓力和煤的孔隙分布相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。
　　 3)通過含瓦斯煤樣在高壓注水后的升溫(30～110℃)解吸特性試驗(yàn)得出，注水后的煤樣，瓦斯的解吸能力隨著溫度的上升逐漸增強(qiáng)，一旦達(dá)到或超過水的沸點(diǎn)后，解吸會發(fā)生突變。升溫至90℃時(shí)

5、，含瓦斯煤樣在8MPa壓力注水后的解吸率，要高于未注水自然解吸時(shí)的解吸率。得到解吸率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式，與流體活性及表面吸附勢有關(guān)。
　　 4)通過高壓注水后煤樣的恒溫吸附瓦斯特性試驗(yàn)得出，相同初始吸附壓力下，煤樣的吸附速率隨含水率的增加有不同程度的降低；相同時(shí)間內(nèi)的吸附量，亦隨含水率的增加而減少。得到終態(tài)吸附量和含水率之間，呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。
　　 5)通過煤樣的高溫(30～270℃)吸附-解吸特性試驗(yàn)得出，定容吸

6、附實(shí)驗(yàn)中吸附量的下降速率隨溫度的升高逐漸降低，吸附平衡壓力的上升速率隨溫度的升高逐漸增大；而定壓吸附實(shí)驗(yàn)中吸附量的下降速率始終隨溫度的升高而逐漸增大。得到在實(shí)驗(yàn)溫度(30～270℃)、氣體壓力(≤7MPa)的范圍內(nèi)，煤對甲烷的吸附始終是第一類吸附，并且在恒溫條件到達(dá)一定壓力時(shí)，會出現(xiàn)吸附極限。得到單分子層吸附模型中的吸附參數(shù)a、b均隨溫度的升高呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)規(guī)律的衰減，微觀上表現(xiàn)為煤表面可吸附氣體的吸附位活性隨著溫度的升高逐漸降低。

7、　　 6)以單一毛細(xì)一端封閉一端開口的煤壁毛細(xì)管為研究對象，得到水進(jìn)入到煤中孔隙的孔徑臨界關(guān)系式，其作用機(jī)理：一是卸載水壓之后，封閉管內(nèi)的氣體會推動毛細(xì)管中的水柱向外運(yùn)動，因此，此時(shí)的管內(nèi)氣體壓力會大于水柱產(chǎn)生的毛細(xì)管力；二是在管內(nèi)的毛細(xì)管水柱不完全排出的前提下，會達(dá)到一個氣液的平衡。并且得到溫度作用下水-氣流動的相變規(guī)律的不等關(guān)系式，說明了水的相變點(diǎn)是一個臨界點(diǎn)，低于此值仍然是二相流的狀態(tài)，而一旦高于此值，就轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌嗔?，即可以對?/p>

8、進(jìn)行單相甲烷氣體流動的滲流解吸特性研究。
　　 7)建立了溫度作用下煤中甲烷-水的耦合流動數(shù)學(xué)模型，此模型由含瓦斯煤樣注水后的溫度作用方程、氣-水各自流動的運(yùn)動方程以及連續(xù)性方程組成。
　　 8)通過對不同尺度、不同孔隙率下的微觀孔隙級煤試樣進(jìn)行的數(shù)值試驗(yàn)，得出：相同的初始外界水壓力下，試樣的內(nèi)部氣體壓力越大，水滲流的區(qū)域越小，水壓/氣壓=2時(shí)的滲流區(qū)域大約是無氣體壓力時(shí)的2/3。對于薄板模型，恒溫條件下，相同孔隙率模型

9、的滲流速率與所選擇的試樣的尺度有關(guān)；相同尺度模型的滲流速率與模型孔隙率的大小有關(guān)。對于立方模型，滲流速率與試樣尺度的關(guān)系不大。
　　 9)數(shù)值試驗(yàn)中，隨著溫度的上升，氣體逐漸侵占原先水滲流的孔隙單元，而且溫度到達(dá)一定值后，氣體幾乎會全部占據(jù)所有孔隙單元，并且水壓/氣壓=10時(shí)所需要的溫度值大約在240～270℃之間，而水壓/氣壓=5時(shí)所需要的溫度值只有120～150℃左右。擬合得出，氣體滲流區(qū)域百分比隨溫度變化，呈現(xiàn)良好的線性相