構(gòu)造煤瓦斯吸附、解吸與擴(kuò)散特性研究.pdf

1、構(gòu)造煤的高吸附、快速解吸、低強(qiáng)度和低滲透性的特性是造成煤與瓦斯突出的主要因素之一，是造成礦井瓦斯含量測(cè)算不準(zhǔn)、突出預(yù)測(cè)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定誤差的重要原因，也是構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣難開(kāi)發(fā)的直接原因。鑒于此，本文以中煤階不同變質(zhì)程度的原生結(jié)構(gòu)煤及其共生構(gòu)造煤的實(shí)驗(yàn)煤樣為研究核心，通過(guò)低溫氮吸附、甲烷等溫吸附和解吸實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合前人相關(guān)研究成果，從不同煤體結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)差異、吸附和解吸特性的不同、以及煤粒瓦斯擴(kuò)散模型的角度，對(duì)構(gòu)造煤吸附、解吸和擴(kuò)

2、散理論開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和模型研究。主要取得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：
　?。?）揭示了煤中低分子化合物是影響煤孔隙結(jié)構(gòu)的重要因素。構(gòu)造煤的形成過(guò)程中，生成并保存了大量的低分子化合物，與原生結(jié)構(gòu)煤相比，構(gòu)造煤的飽和烴含量稍低，極性芳烴化合物含量高得多，低分子化合物含量大，分子間作用力小，造成構(gòu)造煤分子結(jié)構(gòu)的特殊性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著固定碳的增加，從肥煤到焦煤，微孔的比表面積比和孔容比都有所降低，而中孔與之相反，小孔的比表面積比和孔容比先降低后增高。低分子化

3、合物以游離態(tài)、吸附態(tài)和固溶態(tài)囿于構(gòu)造煤大分子結(jié)構(gòu)中，改造了構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)的孔徑分布。煤中低分子化合物的存在一定程度上改造了煤的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響煤對(duì)瓦斯的吸附性能。
　　（2）闡明了煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附解吸有重要影響。前人已指出構(gòu)造煤對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)有一定的改造作用，本文通過(guò)對(duì)不同煤體結(jié)構(gòu)的低溫氮吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各孔徑段的孔容比與比表面積比是不對(duì)應(yīng)的，特別是微孔的孔容較小，但是比表面積較大。與原生結(jié)構(gòu)煤相比，共生構(gòu)造煤在各階

4、段孔容和比表面積都有所增加。煤儲(chǔ)層孔隙是瓦斯的主要聚集場(chǎng)所，而且也是其運(yùn)移通道；孔隙結(jié)構(gòu)不僅制約著煤體的瓦斯含量，而且對(duì)解吸和擴(kuò)散也有重要影響。
　?。?）驗(yàn)證了構(gòu)造煤的吸附常數(shù)與原生結(jié)構(gòu)煤相比有著顯著不同。前人已指出煤體結(jié)構(gòu)是影響煤吸附性能的一個(gè)重要因素，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤等溫吸附常數(shù)a、b值明顯大于共生的原生結(jié)構(gòu)煤。溫度對(duì)于煤的吸附能力起著消極作用，煤體的吸附能力隨著溫度增加而降低；不同煤體結(jié)構(gòu)在不同的溫度有著不同的吸附特

5、征，原生結(jié)構(gòu)煤較共生構(gòu)造煤表現(xiàn)較為明顯。構(gòu)造煤的極限吸附量a值比共生的原生結(jié)構(gòu)煤的極限吸附量要大，這表明，構(gòu)造煤的比表面積應(yīng)該比共生的原生結(jié)構(gòu)煤的大，具有更強(qiáng)的吸附能力。不同的煤體結(jié)構(gòu)，在等溫條件下，構(gòu)造煤煤樣的b值大于原生結(jié)構(gòu)煤。
　　（4）認(rèn)為煤的擴(kuò)散系數(shù)不是常數(shù)，揭示了構(gòu)造煤瓦斯動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)具有衰減特性，構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)有明顯的不同。眾多學(xué)者對(duì)煤體瓦斯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了多方面的研究工作，但多基于經(jīng)典擴(kuò)散模型，仍不能精

6、確描述煤粒瓦斯全時(shí)擴(kuò)散過(guò)程。本文通過(guò)新模型計(jì)算出初始擴(kuò)散系數(shù)D0和動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)衰減系數(shù)β的變化規(guī)律，初步探討了不同變質(zhì)程度、不同粒度、不同煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤樣的D0和β的影響，得出了構(gòu)造煤的初始擴(kuò)散系數(shù)D0大于原生結(jié)構(gòu)煤，整體上粒度為0.5-1.0mm的煤樣的初始擴(kuò)散系數(shù)D0大于粒度為0.25-0.5mm的煤樣，整體上變質(zhì)程度為肥煤的平頂山煤樣的初始擴(kuò)散系數(shù)D0大于變質(zhì)程度為貧瘦煤的鶴壁的煤樣的結(jié)論。這對(duì)于瓦斯含量的測(cè)定以及煤層氣開(kāi)發(fā)有著重要的