構造煤瓦斯吸附、解吸與擴散特性研究.pdf

1、構造煤的高吸附、快速解吸、低強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算不準、突出預測鉆屑瓦斯解吸指標測定誤差的重要原因，也是構造煤發(fā)育區(qū)煤層氣難開發(fā)的直接原因。鑒于此，本文以中煤階不同變質程度的原生結構煤及其共生構造煤的實驗煤樣為研究核心，通過低溫氮吸附、甲烷等溫吸附和解吸實驗，并結合前人相關研究成果，從不同煤體結構的孔隙結構差異、吸附和解吸特性的不同、以及煤粒瓦斯擴散模型的角度，對構造煤吸附、解吸和擴

2、散理論開展實驗和模型研究。主要取得了以下幾點認識：
　?。?）揭示了煤中低分子化合物是影響煤孔隙結構的重要因素。構造煤的形成過程中，生成并保存了大量的低分子化合物，與原生結構煤相比，構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，造成構造煤分子結構的特殊性。實驗發(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)囿于構造煤大分子結構中，改造了構造煤孔隙結構的形態(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構，進而影響煤對瓦斯的吸附性能。
　?。?）闡明了煤體結構對煤的孔隙結構和吸附解吸有重要影響。前人已指出構造煤對孔隙結構有一定的改造作用，本文通過對不同煤體結構的低溫氮吸附試驗發(fā)現(xiàn)，各孔徑段的孔容比與比表面積比是不對應的，特別是微孔的孔容較小，但是比表面積較大。與原生結構煤相比，共生構造煤在各階

4、段孔容和比表面積都有所增加。煤儲層孔隙是瓦斯的主要聚集場所，而且也是其運移通道；孔隙結構不僅制約著煤體的瓦斯含量，而且對解吸和擴散也有重要影響。
　　（3）驗證了構造煤的吸附常數(shù)與原生結構煤相比有著顯著不同。前人已指出煤體結構是影響煤吸附性能的一個重要因素，本文通過實驗發(fā)現(xiàn)構造煤等溫吸附常數(shù)a、b值明顯大于共生的原生結構煤。溫度對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；不同煤體結構在不同的溫度有著不同的吸附特

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

6、確描述煤粒瓦斯全時擴散過程。本文通過新模型計算出初始擴散系數(shù)D0和動擴散系數(shù)衰減系數(shù)β的變化規(guī)律，初步探討了不同變質程度、不同粒度、不同煤體結構對煤樣的D0和β的影響，得出了構造煤的初始擴散系數(shù)D0大于原生結構煤，整體上粒度為0.5-1.0mm的煤樣的初始擴散系數(shù)D0大于粒度為0.25-0.5mm的煤樣，整體上變質程度為肥煤的平頂山煤樣的初始擴散系數(shù)D0大于變質程度為貧瘦煤的鶴壁的煤樣的結論。這對于瓦斯含量的測定以及煤層氣開發(fā)有著重要的