煤岩瓦斯固气耦合相似材料瓦斯吸附特性研究

为研究"固-气"耦合物理相似模拟试验中模拟煤层材料的瓦斯吸附问题,根据孔隙特征及吸附特征选择活性氧化铝、硅胶、硅藻土、高岭土、3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛作为吸附材料以及屯堡矿煤样为对比材料,采用WY-98A瓦斯吸附常数测定仪对以上材料开展瓦斯吸附量及吸附常数a,b值试验。试验结果表明,高岭土、硅藻土呈现先平缓后陡峭的等温线,不符合Langmuir单分子层吸附模型,不能作为吸附材料;活性氧化铝和硅胶与屯堡矿煤样的吸附量增量变化趋势相似并且屯堡矿煤样与其吸附量比值在0.6～2之间且比值变化趋于常数,因此吸附过程变化规律与屯堡矿煤样较为相似;且吸附常数a值较大,有作为吸附材料的可能性;3种分子筛吸附量增量变化趋势呈"W型",分别在0.9,0.6,0.4 mL/g左右波动;屯堡矿煤样与其吸附量比值变化较大且不稳定,吸附过程变化规律与屯堡矿煤样相似度较低;吸附常数a值较小,不适合作为吸附材料;各种试验材料吸附常数b值均存在较大差异且都小于屯堡矿煤样。研究结果为"固-气"耦合物理相似模拟试验中具有瓦斯吸附性材料的选择及开展"固-气"耦合物理相似模拟试验提供了一定的实验基础。     

温度对煤体瓦斯吸附量影响规律的试验研究

为了研究恒压条件下,随着温度的升高煤吸附的瓦斯量以及吸附速率的变化情况,选取粒度为60~80目的安泽矿煤样,依次测试出煤样在压力0.6 MPa,温度为35、50、65、80、105℃条件下的等温吸附线,以及吸附量与时间的关系曲线。研究表明:随着温度的升高,煤吸附的瓦斯量下降,温度越高,这种趋势越明显;随着时间的增加,各温度下的吸附速率逐渐减小。当吸附进行至200 min时,各温度下的吸附速率已低于0.005 cm~3/(g·min),而后吸附速率缓慢下降;在吸附过程中,温度越高,同一时间点下的吸附速率越小。     

CH_4和CO_2及其多元气体在淮南C_(13)煤中的吸附特性试验研究

煤对CH_4、CO_2及其多元混合气体吸附量是CO_2-ECBM技术的基础参数之一,也是评价CO_2封存量和CH_4产气量的基础。针对煤吸附混合气体试验繁琐、耗时长的问题,采用等温吸附试验分别实测了煤样对CO_2、CH_4及其混合气体的吸附等温线,并提出了混合气体吸附常数a、b与CO_2体积分数的拟合方程,得出了CO_2和CH_4混合气体吸附量预测方法。主要结论如下:淮南矿区C_(13)煤吸附CO_2的平衡时间约为24 h,远高于对CH_4的吸附平衡时间;C_(13)煤对CO_2的吸附能力是CH_4的2倍以上。C_(13)煤对混合气体的吸附量随CO_2体积分数的增大而增大;吸附常数a、b值与二氧化碳体积分数符合二次函数关系,可根据拟合方程,结合朗格缪尔方程计算任意体积比的CO_2和CH_4混合气体吸附量。     

基于吸附势理论的煤吸附超临界甲烷研究

为了探究超临界甲烷吸附特征,提出超临界甲烷等温吸附线,并以此为研究基础。根据吸附势理论,计算并绘制了不同温度下吸附相体积随吸附势变化的吸附特性曲线,结果表明不同温度等温吸附特性曲线可用1条曲线或统一方程式表示,这从理论上验证了超临界甲烷在煤表面上的吸附也主要取决于与温度无关的色散力作用。由这种特性建立了超临界甲烷吸附模型,实现了根据已知等温吸附试验数据预测不同温度、压力下的超临界甲烷吸附量,克服现有的等温预测的局限性。但是当温度超过一定范围,吸附相密度不能由极限密度代替,由于分子重排作用,吸附相密度改变,造成预测误差。     

胡家河井田煤层气等压吸附/解吸特征研究

为了促进彬长矿区胡家河井田低煤阶煤层气开发实践,核定采收率,对4号煤层进行了样品采集、加工,完成了不同温度煤层气吸附/解吸试验,利用吸附/解吸结果绘制吸附等压线。结果表明:吸附量随着温度的升高而减小,低压阶段解吸滞后明显,高压阶段解吸过程与吸附过程可逆;CH_4吸附量与温度的关系可用二次函数表征,当温度大于临界温度(-82.6℃)时,最大吸附量沿抛物线分布;温度低于临界温度时,最大吸附量沿直线分布;最后得出CH_4吸附量的计算方法,解决了采收率核定时低阶煤含气量测试数据不准的问题。     

气源岩吸附试验的机理及吸附特征新认识

吸附常数是煤矿瓦斯防治、煤层气抽采、页岩气开发等工程必备的基础指标。然而,大量吸附试验却得出了两类特征迥异的吸附等温线:Langmuir型和“峰值型”,普遍采用Langmuir模型拟合这些非Langmuir型等温线,不但得出了错误的吸附常数,而且带来了极大的生产安全风险。鉴于此,本文经过吸附试验机理推导、等温吸附试验、等温线校正和误差分析,得出:① 等温吸附试验只能测出由Gibbs吸附量组成的“峰值型”等温线,出现峰值拐点的本质原因是等温吸附原理中减掉了Gibbs舍弃量ρva,并非负吸附、超临界吸附等原因造成的。② Gibbs吸附等温线出现峰值拐点的临界压力是由Gibbs舍弃量ρva决定的,其中,煤体结构决定了吸附相体积va的大小,试验温压条件决定了游离相密度ρ的大小。③ 煤和页岩吸附属于物理吸附,其实际吸附量等温线在达到饱和吸附压力后必然形成Langmuir型等温线。截距法根据Gibbs等温线的下降特征反推吸附相密度所得出的实际吸附量等温线完全符合饱和吸附的物理特征,是合理可靠的;液相法采用液相密度代替吸附相密度,不仅缺乏理论依据而且误差较大;Langmuir模型法运用LM算法拟合吸附相密度,需要人为设定各未知参数的初始值和边界值,存在较大的人为误差。④ 不能将实验室测试出的吸附等温线直接应用于吸附常数计算、非常规气资源量预测等,原因是体积法常因试验压力较低引起未饱和吸附、忽视Gibbs舍弃量等误差,而重量法在高压条件下测得的“峰值型”吸附等温线必须校正后才能使用。     

大佛寺井田4号煤CH_4与CO_2吸附解吸实验比较

以迅速降低大佛寺4号煤含气量,提高地面煤层气井采收率为目标,进行CO2驱替CH4技术的实验研究。对采自大佛寺矿井40114工作面的样品,进行多个温度点柱体原煤与60~80目平衡水样的CH4与CO2吸附解吸对比实验。结果表明:CO2在煤孔隙表面与CH4一致,吸附过程符合Langmuir方程,解吸过程可用解吸式描述;由热力学计算可知,柱体原煤升压过程CO2吸附热为56.827 kJ/mol,CH4吸附热为12.662 kJ/mol,降压过程CO2吸附热为115.030 kJ/mol,CH4吸附热为23.602 kJ/mol,无论升压过程还是降压过程CO2吸附热远大于CH4吸附热,两种气体在煤孔隙表面竞争吸附时CO2占据优势,导致置换解吸;吸附势、吸附空间计算验证了这个结论;利用CO2驱替CH4技术,提高煤层气采收率,理论依据充分可行。     

煤对瓦斯吸附特征研究

通过分析煤对瓦斯的吸附作用,指出温度和瓦斯压力对煤体的吸附量影响显著,瓦斯压力越大,温度越低,吸附量越大。吸附温度对吸附常数a,b都有显著影响a,随温度的升高而降低。煤体放散瓦斯的速度符合文特式和孙重旭式,在初期,瓦斯放散的速度极快,并迅速衰减,决定突出强度。     

高岭土对废水中Cu~(2+)吸附性能的试验研究

研究高岭土用量、pH值、吸附时间以及初始Cu2+质量浓度等因素对吸附效果的影响。正交试验结果表明,影响Cu2+去除率的因素排序为:pH吸附时间高岭土用量初始Cu2+质量浓度。最优的试验方案:废液量为100 mL,pH=7.0,吸附时间为2 h,高岭土用量为6.0 g,初始Cu2+质量浓度为25 mg/L。在此条件下,Cu2+去除率可达到98.9%,Cu2+的最大吸附量为23.26 mg/g。吸附等温线符合Langmuir吸附等温方程,说明高岭土对铜离子是典型的单分子层吸附。     

钢渣对酸性枣红废水的吸附动力学研究

采用搅拌吸附的方式研究了钢渣对酸性枣红废水的吸附动力学,研究结果表明,酸性枣红废水的吸光度不受pH值的影响,最大吸收波长为490 nm;钢渣吸附酸性枣红与内扩散模型符合,动力学控制步骤是孔扩散过程;酸性枣红浓度为100 mg/L,搅拌转速达到250 r/min,外扩散影响基本消除;吸附过程符合准二级吸附速率方程,实际平衡吸附量为1.0734 mg/g,与准二级吸附速率方程的拟合结果较为接近,吸附速率为0.071 mg/(g·min)。     

基于包气带动力学的长白山天然矿泉水水源地土壤吸附能力研究

为了提高水源地包气带土壤的吸附能力,提出基于包气带动力学的长白山天然矿泉水水源地的土壤吸附能力研究方法。根据长白山地区的地质概况,发现水源地包气带可以吸附和净化污染物,以长白山天然矿泉水水源地包气带为研究对象,将其划分为东郊、南郊和北郊3个水源地包气带。结合动力学实验,测试了3个水源地包气带对苯酚和柴油的吸附能力。结果表明,3个长白山天然矿泉水水源地包气带对苯酚的吸附速率分别为19.145 5、21.554 5、19.695 5 mg/（kg·h）,对柴油的吸附速率分别为1.734 725、2.282 9、2.995 925 mg/（kg·min）,说明白山天然矿泉水水源地包气带土壤对苯酚和柴油的吸附能力较强,可以提高长白山天然矿泉水水源地的土壤吸附能力。     

不同煤阶煤孔隙特征及其吸附能力响应

我国是煤炭资源大国，煤层气储量规模相当可观，但煤储层又具有低孔、低渗的不足，照搬国外或常规石油天然气的开采程序和方法已被证实是走不通的。应结合实际，根据不同地质条件、不同煤阶的开采程序，进行孔隙特征研究。煤孔隙特征、连通性和吸附能力对煤层气开采影响尤为重要，为研究煤孔隙结构特征随煤变质程度的变化关系及其吸附能力的响应特点，采取不同地区不同变质程度煤样，进行压汞测试和等温吸附实验。实验结果表明，煤孔隙度和平均孔径均随变质程度增加呈现降低—升高—降低的趋势；煤中孔隙连通性随煤变质程度增加逐渐变差；随煤变质程度增加，其最大吸附能力也呈现降低—升高—降低的总体趋势。     

大佛寺4号煤等量吸附热分析

为探讨低阶煤煤层气吸附/解吸特征,对大佛寺4号煤进行多温度点的空气干燥基煤样和平衡水样吸附/解吸实验。根据实验结果绘制等量吸附线,由Clausius-Clapeyron方程计算得到升压（吸附）与降压（解吸）过程的吸附热。计算结果表明:平衡水煤样的等量吸附热小于空气干燥基煤样的等量吸附热,说明水分的存在不利于煤层气吸附;在相同吸附量下,降压过程吸附热大于升压过程吸附热,吸附过程中放出的热量不能满足解吸过程中所需的热量。从热力学角度分析了水分对甲烷吸附量的影响以及煤层气解吸滞后于吸附的原因。因此,在实际排采中应考虑到解吸滞后效应的影响,合理制定排采工作制度。     

热解煤气吸附动力学研究

针对热解煤气变压吸附提氢过程,开展了CO₂、CO、N₂、CH₄等主要杂质气体在不同吸附剂上的吸附热力学研究,测量了各种杂质气体在不同温度下的吸附等温线,并通过计算获得了相应的吸附焓。结果发现,温度增加导致CO₂、CO、N₂、CH₄吸附能力减弱,吸附压力的增大导致CO₂、CO、N₂、CH₄吸附量增加。不同吸附剂对CO₂吸附能力的顺序:炭分子筛＞活性炭＞铜吸附剂,不同吸附剂对CO吸附能力的顺序:铜吸附剂＞炭分子筛＞活性炭,随着吸附压力的增大,N₂和CH₄吸附焓为定值,不随吸附量变化而变化。     

特性煤体含气量测定研究

通过不同粒径组合煤样的吸附和解吸实验,模拟测定不同破碎特性煤的原始含气量和国标法实测含气量,并研究了不同破碎特性煤体含气量的测定方法。研究结果表明,不同破碎程度煤的原始含气量和国标方法测定的含气量差别很大,对于煤体破碎的煤,采用国标方法测得的含气量与实际值偏差较大。分析认为这种偏差主要是由于损失气含量的估算偏差造成,在整个取心过程中,破碎程度大的煤解吸速率变化很大,以致估算方法不适用,而且用估算曲线上的趋于平缓段估算急剧上升段,造成估算结果偏小。煤样损失气含量与煤体破碎程度具有明显相关性,随着煤体破碎程度的增加,煤样的实际损失气含量呈现逐渐增大的趋势。基于此,建立了损失气含量估算值和损失气含量实际值的两段式拟合关系式,从而对国标方法估算损失气含量的偏差进行了修正。该研究对煤矿安全生产和煤层气勘探开发具有重要的实际意义。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

我国煤矿矿井水氟污染现状及除氟技术研究

氟污染成为制约矿井水资源化利用的重要因素，分析了我国煤矿矿井水氟污染现状及含氟矿井水的水质特征。化学沉淀法、混凝沉淀法、离子交换—吸附法、电化学法和膜法是目前常用的除氟方法，通过对各种除氟方法的原理、处理效果和优缺点等进行对比发现，离子交换—吸附法较为成熟，在矿井水除氟工程中应用最为广泛。研究表明，开发高效、经济、安全、稳定的除氟材料与成套装备，是含氟矿井水资源化利用的重要途径。     

四川新场气田须家河组陆相页岩孔隙分形维数及其甲烷吸附效应

四川盆地陆相页岩的孔隙结构、分形维数和甲烷吸附能力认识不清,制约了陆相页岩气选区和评价。针对川西新场须五段陆相页岩,开展了超低压氮气吸附、高压甲烷吸附测试,基于低压氮气吸附Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型计算得到分形维数D₁和D₂（相对压力在0～0.5和0.5～1.0条件下）,分析了须五段陆相页岩的分形维数与基质组分（TOC和矿物组分）、孔隙结构（平均孔径,比表面积,总孔体积）的相关关系,揭示了页岩分形维数对甲烷吸附能力的控制。结果表明,须五段陆相页岩分形维数D₁为2.495 0~2.574 4,分形维数D₂为2.657 8~2.841 2,D₁代表页岩孔隙表面分形维数,而D₂表示孔隙体积的分形特征。须五段页岩的基质组分对分形维数D₁和D₂产生不同的影响。分形维数D₁和D₂与甲烷吸附量呈正相关。研究表明分形维数可以作为评价页岩气储层的关键参数。     

祁东井田71煤层煤层气开发潜力评价

针对煤层气开发潜力评价过程中的常规参数难以定量描述气体解吸完整过程的缺点，以祁东井田为例，在对该区地质特点和储层特征进行分析的基础上，结合等温吸附曲线提取临储压差、临废压差、有效解吸量、解吸效率等指标，分析了研究区煤层气的解吸过程并建立了煤层气开发潜力的定量评价方法。结果表明:祁东井田71煤层为碎粒结构煤，塑性大，渗透率低，需要通过水平井分段压裂的方式进行开发；该储层产气过程中只经历敏感解吸阶段，最大解吸效率为8.23 m³/（t·MPa），见气后短时间内可获得较高产量的工业性气流，解吸量最高可达7.5 m³/t，具有较高的产气潜力；该煤层临储压差高达4.83 MPa，表示井底见气前要经历长时间的降压过程，随后产气量快速上升，应该采用平稳缓慢的排采方式，避免压力波动和煤粉产出。