构造煤瓦斯吸附、解吸与扩散特性研究

【摘要】：构造煤的高吸附、快速解吸、低强度和低渗透性的特性是造成煤与瓦斯突出的主要因素之一,是造成矿井瓦斯含量测算不准、突出预测钻屑瓦斯解吸指标测定误差的重要原因,也是构造煤发育区煤层气难开发的直接原因。鉴于此,本文以中煤阶不同变质程度的原生结构煤及其共生构造煤的实验煤样为研究核心,通过低温氮吸附、甲烷等温吸附和解吸实验,并结合前人相关研究成果,从不同煤体结构的孔隙结构差异、吸附和解吸特性的不同、以及煤粒瓦斯扩散模型的角度,对构造煤吸附、解吸和扩散理论开展实验和模型研究。主要取得了以下几点认识:(1)揭示了煤中低分子化合物是影响煤孔隙结构的重要因素。构造煤的形成过程中,生成并保存了大量的低分子化合物,与原生结构煤相比,构造煤的饱和烃含量稍低,极性芳烃化合物含量高得多,低分子化合物含量大,分子间作用力小,造成构造煤分子结构的特殊性。实验发现随着固定碳的增加,从肥煤到焦煤,微孔的比表面积比和孔容比都有所降低,而中孔与之相反,小孔的比表面积比和孔容比先降低后增高。低分子化合物以游离态、吸附态和固溶态囿于构造煤大分子结构中,改造了构造煤孔隙结构的形态的孔径分布。煤中低分子化合物的存在一定程度上改造了煤的孔隙结构,进而影响煤对瓦斯的吸附性能。(2)阐明了煤体结构对煤的孔隙结构和吸附解吸有重要影响。前人已指出构造煤对孔隙结构有一定的改造作用,本文通过对不同煤体结构的低温氮吸附试验发现,各孔径段的孔容比与比表面积比是不对应的,特别是微孔的孔容较小,但是比表面积较大。与原生结构煤相比,共生构造煤在各阶段孔容和比表面积都有所增加。煤储层孔隙是瓦斯的主要聚集场所,而且也是其运移通道;孔隙结构不仅制约着煤体的瓦斯含量,而且对解吸和扩散也有重要影响。(3)验证了构造煤的吸附常数与原生结构煤相比有着显著不同。前人已指出煤体结构是影响煤吸附性能的一个重要因素,本文通过实验发现构造煤等温吸附常数a、b值明显大于共生的原生结构煤。温度对于煤的吸附能力起着消极作用,煤体的吸附能力随着温度增加而降低;不同煤体结构在不同的温度有着不同的吸附特征,原生结构煤较共生构造煤表现较为明显。构造煤的极限吸附量a值比共生的原生结构煤的极限吸附量要大,这表明,构造煤的比表面积应该比共生的原生结构煤的大,具有更强的吸附能力。不同的煤体结构,在等温条件下,构造煤煤样的b值大于原生结构煤。(4)认为煤的扩散系数不是常数,揭示了构造煤瓦斯动扩散系数具有衰减特性,构造煤与原生结构煤的动扩散系数有明显的不同。众多学者对煤体瓦斯扩散规律进行了多方面的研究工作,但多基于经典扩散模型,仍不能精确描述煤粒瓦斯全时扩散过程。本文通过新模型计算出初始扩散系数D0和动扩散系数衰减系数β的变化规律,初步探讨了不同变质程度、不同粒度、不同煤体结构对煤样的D0和β的影响,得出了构造煤的初始扩散系数D0大于原生结构煤,整体上粒度为0.5-1.0mm的煤样的初始扩散系数D0大于粒度为0.25-0.5mm的煤样,整体上变质程度为肥煤的平顶山煤样的初始扩散系数D0大于变质程度为贫瘦煤的鹤壁的煤样的结论。这对于瓦斯含量的测定以及煤层气开发有着重要的意义。