煤层瓦斯吸附解吸迟滞规律及其对渗流特性影响研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文煤层瓦斯吸附解吸迟滞规律及其对渗流特性影响研究学院：资源与安全工程学院学号：TBP120102055作者：王公达学科专业：安全科学与工程导师：王凯教授2015年6月中图分类号：TD713密级：g单位代码：11413博士学位论文中文题目：煤层瓦斯吸附解吸迟滞规律及其对渗流特性影响研究英文题目：Adsorptionanddesorptionhysteresisofcoalseamgasanditsinfluenceongaspermeability作者：王公达学号：TBP12010205

2、5学科专业：安全科学与工程研究方向：矿井瓦斯防治导师：王凯职称：教授论文提交日期：2015年5月18日论文答辩日期：2015年6月4日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要甲烷与二氧化碳相关灾害是煤矿安全开采过程中面临的重要问题。对于甲烷和二氧化碳的抽采、排放和涌出等过程，由于自由面的产生（采煤、掘进工作面或抽采钻孔），受压力梯度驱动，裂隙中的游离气体向自由面渗流造成裂隙中气体浓度降低，促使基质煤块中的吸附气体发生解吸。吸附特性决定了单位煤体中能够赋存的气体总量，而解吸特性决定了外界气体压力变化过程中能够从基质煤体中涌出的气体量，如果吸附解吸过程并非完全可逆

3、，则一直以来长期测定采用的等温吸附线不应该被用来代表煤层瓦斯的解吸过程。众多学者考察过甲烷与二氧化碳在煤中的吸附解吸特性，大部分实验都发现了吸附解吸过程存在一定的差异，即吸附解吸迟滞现象。对过往的研究现状进行分析可以发现，有针对性的、系统的研究很少且没有得到相应的重视。对一些关键问题的研究，比如迟滞现象的影响因素、产生机理，以及其对于气体在煤层中渗流特性的影响等，均处于较为空白的状态。为了解决上述问题，本文的主要研究内容和研究成果包括：回顾了应用在其他领域（包括土壤，岩石和聚合物等）的迟滞定量评价方法并分析了其不足所在；提出了通过选择吸附解吸曲线的最佳特征模型，和应用改进吸附解

4、吸迟滞评价模型（IHI）的评价方法。对12位学者的102组实验数据进行了还原，定量计算了甲烷、超临界和次临界二氧化碳的吸附解吸迟滞程度，并从整体的角度分析了其基本规律。研究表明：应用在其他领域的定量评价方法对于评价煤层瓦斯吸附解吸迟滞并不完全适用，基于弗雷德里希公式的评价指标依赖于适用性较为有限的弗雷德里希公式，而基于斜率和固体相的吸附平衡浓度的评价模型描述的是单个点而非整条曲线，容易受实验误差影响；本文提出的IHI指标可以反映吸附解吸迟滞从完全可逆至完全非可逆的程度，当IHI等于0的时候，吸附解吸完全可逆，当IHI趋近于1的时候，吸附解吸趋向于完全非可逆；本方法通过选择最佳吸

5、附模型精确的表征等温吸附解吸曲线，基于面积比的改进指标IHI受曲线的微小误差影响很小，具有较强的优越性。通过对历史实验数据定量评价结果的分析，讨论了实验方法、煤样含水率、气体种类、最高气体压力和煤体特性对于吸附解吸迟滞程度的影响，在此基础上，利用高精度间接重力法高压吸附解吸实验装置，设计了不同最高压力、不同温度下，二氧化碳与甲烷在Bulliseam不同粒径煤样中的等温吸附与解吸实验，并对吸附平衡时间和吸附解吸实验结果进行了分析。研究表明：甲烷和二氧化碳的吸附解吸迟滞现象广泛存在；最高吸附压力的增加，实验煤样粒径的增大，温度的降低和煤体水分的存在对于吸附解吸迟滞现象具有促进作用；

6、同等条件下，二氧化碳的吸附量和吸附解吸迟滞程度都比甲烷的大；对于二氧化碳的地质封存工作来说，提高二氧化碳的注入压力不仅能相应的提升单位煤体中的贮存量，同时也I会有助于其在煤体中的稳定性；目前煤炭行业标准对瓦斯吸附的规定平衡时间较短，应该适当延长实验时间，从而确保实验结果的可信度和工业应用价值；预测煤层瓦斯排放、抽采过程中瓦斯解吸量与瓦斯压力之间的关系，需要测定等温解吸线而非等温吸附线，且在等温解吸线测定过程中，其最大压力的选择应与煤层实际瓦斯压力相仿。通过分析气体在多孔介质中的不同吸附机理的作用过程（单分子层吸附、多分子层吸附和微孔充填吸附），结合前人对于吸附解吸迟滞现象的解释

7、，提出了关于煤层瓦斯吸附解吸迟滞的孔口变形假说。为了验证该假说，通过全压力段低温液氮吸附实验，测试了千秋二矿长焰煤与常村矿无烟煤的液氮吸附与脱附曲线。针对BET法计算比表面积存在的问题，提出应分别计算发生微孔充填吸附孔隙和单层-多层吸附孔隙的比表面积，以综合求取实验煤样的比表面积的改进算法，并分析了超微孔在实验煤体中的分布规律。对千秋二矿长焰煤与常村矿无烟煤进行了不同压力等级（2MPa，4MPa，6MPa）的甲烷与二氧化碳吸附处理，通过傅里叶红外测试考察了甲烷和二氧化碳在煤中的吸附是否包含化