煤的甲烷吸附特性试验研究及其影响因素分析

摘要

瓦斯是成煤过程中形成的各种混合气体的总称，也是导致煤矿发生煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的主要因素之一。而煤层的瓦斯含量大小则直接决定了煤矿地下开采过程中发生瓦斯事故的可能性大小。因此，研究煤的甲烷吸附特性对于防治矿井瓦斯灾害具有重大意义。本文通过实验室试验研究不同影响因素下煤的甲烷吸附特性，研究了温度、压力、粒径和水分对煤吸附特性的影响，并根据试验结果，利用两种常用方法进行了煤的等温吸附曲线预测，一是通过优化吸附势理论中饱和蒸汽压参数k，建立了一种新的等温吸附曲线简易预测模型进行等温吸附曲线的预测，二是利用吸附热理论进行了不同温度下煤的甲烷等温吸附曲线的预测。主要研究内容和结论如下：
　　①吸附试验结果：
　　1）煤样粒径大小一定时，试验温度的升高，煤的甲烷吸附量减少，吸附常数a、b也变小。
　　2）试验温度一定时，吸附压力增大，煤的甲烷吸附量增加，当压力达到某值时，吸附量最终趋于某个常数；煤的吸附量增量变化率与压力的关系曲线图大致可分为三个阶段，即吸附量增量变化率的快速减小阶段、吸附量增量变化率的缓慢减小阶段和吸附量增量变化率的稳定阶段。
　　3）试验温度一定时，不同粒径煤样的等温吸附曲线表现出相似的变化规律；但通过本次试验，发现煤的甲烷吸附量和吸附常数a、b与煤样粒径间的关系没有得到十分明确的规律，还需要开展研究工作。
　　4）试验温度一定时，在整个试验压力范围内，经过烘干处理的煤样的甲烷吸附量大于自然含水状态下的甲烷吸附量；且前者的吸附常数a都明显大于后者的吸附常数a。
　　②煤的等温吸附曲线预测结果：
　　1）根据不同粒径不同含水量煤样的等温吸附试验数据，建立了多温度下的吸附特性曲线，根据吸附特性曲线的函数表达式建立了简易的等温吸附曲线预测模型（式4.6）。针对不同煤样进行饱和蒸汽压参数k优化，通过求得不同k值下的拟合精度R2，建立拟合精度函数，从而得到不同粒径煤样的最优k值，60目～80目、40目～60目、20目～40目和12目～20目的含水煤样和干燥煤样的最优k值分别为4.427、5.997、3.274、5.194和6.956、5.620、5.603、5.862。
　　2）根据建立的等温吸附曲线简易预测模型对不同温度下的煤样进行了吸附量预测。利用得到的最优参数k进行了313K和323K的等温吸附曲线预测，并与经验值 k=2进行了对比，通过计算得到的平均相对误差可知，使用优化后的最优参数 k预测得到的等温吸附曲线精度更高。为验证该模型的准确性，利用建立的简易预测模型预测了308K下的等温吸附曲线，并与实测试验结果进行对比，发现简易模型的预测结果与试验结果的重合度更好，并说明了使用最优 k值得到的预测结果的精度明显高于使用经验值k=2，验证了该模型的准确性。
　　3）通过试验研究发现，应用吸附热理论进行313K和323K下煤的等温吸附曲线预测时，预测的等温吸附曲线与实测的等温吸附曲线重合度较好，吸附热理论在预测煤的等温吸附曲线方面是可行的且准确度高。
　　4）对比发现，优化后的吸附势理论预测模型的预测误差远小于优化前的预测模型的，优化后的吸附势理论预测模型的预测误差与吸附热理论模型的相当。

目录

1 绪 论

1.1 课题学术及实用意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2 煤的吸附特性试验研究设备及方法

2.1 试验装置构成及煤样制备

2.2 试验方法

2.3 试验数据处理方法

3 煤的甲烷吸附特性试验研究

3.1 吸附模型

3.2 试验结果

3.3 煤的吸附特性影响因素分析

3.4 本章小结

4 基于吸附势理论研究煤的吸附特性

4.1 等温吸附曲线简易预测模型的建立

4.2 模型中参数k的优化

4.3 煤的等温吸附曲线预测

4.4 误差分析

4.5 模型的验证

4.6 本章小结

5 基于吸附热理论研究煤的吸附特性

5.1 煤的等温吸附曲线预测

5.2 误差分析

5.3 三个预测模型精度的对比

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目：

B. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文：

C. 作者在攻读硕士学位期间授权或申请的专利：