阳泉无烟煤对N2-CH4二元气体的吸附-解吸特性研究

摘要

本文从煤矿安全的角度出发,基于已有的理论,通过在实验室对制备煤样的吸附、解吸试验和对实际煤层中的注气置换驱替煤层中 CH4的数值模拟,研究了煤对二元气体的吸附、解吸规律,得出了以下结论:
　　首先本文完成了制备好的阳泉煤样对CH4和N2混合气体的竞争吸附试验,试验表明:混合气体及其各组分都很好的符合Langmuir吸附模型,不同配比的混合气体中各组分的吸附量不同;还做了在煤先在CH4吸附平衡的条件下,注入N2进行的置换解吸CH4的试验,实验表明:一尽管煤对CH4的吸附能力强于N2,但是由于混合气体中N2的分压作用也可以将CH4从煤体中置换出来。二是不论是混合气体的竞争吸附还是CH4吸附平衡后的注N2置换解吸,其置换解吸CH4的效果相同。
　　本论文还就煤中孔隙的分类做了研究,将压汞试验所测的数据进行煤的孔隙分形的计算,得出了不同煤孔隙阶段的孔隙分形维数,根据煤体内孔隙的分形规律,把煤的孔隙分为三类:渗透孔、扩散孔和吸附孔。这三类孔同时也对应了瓦斯等气体在煤中的不同的运移状态。
　　基于表面物理化学原理,建立了考虑应变与基质收缩耦合影响的孔隙度和渗透率理论模型.在此基础上,建立了煤体孔隙、裂隙双重介质的三维、非平衡吸附、拟稳态条件下注N2置换驱替煤层CH4的数值模型,并运用数值模拟软件对其进行求解。并分析了煤体内的渗透率,含量等参数的变化规律。根据解算结果,确定了注气孔与排气孔的间距和注气时间等注气的工艺参数。经过在阳泉矿区现场注气试验验证,由数值模型得出的工艺参数较为合理。

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1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 煤对气体吸附解吸特性的国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的研究技术路线

1.5 本文的研究特色与创新

2 煤对二元气体吸附、解吸特性试验研究

2.1 多组分气体吸附模拟试验装置研制

2.2 煤对CH4、N2单一组分吸附-解吸规律的试验

2.3 煤对CH4-N2混合气体的竞争吸附特征规律试验

2.4 CH4吸附平衡条件下，注入N2的置换解吸CH4的特征试验

2.5 本章小结

3 煤对二元气体的吸附、解吸机理探讨

3.1 煤的大分子结构

3.2 煤对气体的吸附作用力[40]

3.3 煤对气体吸附的吸附势与吸附热

3.4 煤对二元气体置换竞争吸附的机理探讨

3.5 煤对多元气体吸附的吸附模型

3.6 阳泉煤孔隙结构的分类特征

3.7 本章小结

4 注气数值模型的建立及其解算

4.1 流-固耦合问题的研究进展

4.2 吸附变形与吸附热力学之间的关系：

4.3 吸附膨胀模式及其计算

4.4 含吸附气体的煤的有效应力分析[72]

4.5 煤体的变形，孔隙率与渗透率之间的关系

4.6 注N2置换驱替煤层CH4的流-固耦合数值模型

4.7 数值模拟结果分析

4.8 本章小结

5 现场注气试验研究

5.1 掘进头巷帮顺层钻孔高压（1~3MPa）注气试验

5.2 注气置换驱替煤层CH4作用机理探讨

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2. 展望

参考文献

作者简历

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