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两种不同实验条件下煤的吸附性能研究摘要煤具有较大的比表面和较强的吸附甲烷气体的能力，而等温吸附曲线是描述在一定条件下煤对气体的吸附(解吸)的能力、进行煤层地质评价、试采措施及储量评估的重要资料。
文章结合目前国内各位学者对煤层气吸附机理研究的各种资料，从实验角度，研究两种不同实验条件下煤的吸附性能，并对煤岩等温吸附测试的实际操作方法做了进一步的探讨。
关键词煤层气平衡水空干基等温吸附煤层气作为一种新兴的清洁能源，它不同于常规天然气，具有自生自储的特点，煤既是煤层气生成的源岩，也是煤层气储存的场所。
煤具有较大的比表面和较强的吸附气体的能力，煤岩在演变过程中生成的甲烷气体除一部分逸散到其它地方外，在压力作用下也会有一部分被煤岩本身所吸附[1]。
这种吸附是通过范德华力实现并遵守Langmuir定律，是可逆的。
即在一定条件下，被吸附的气体可以从煤表面解吸进入游离状态，煤对气体吸附的可逆性使得煤层气的开发成为可能。
利用等温吸附曲线可以确定吸附气的临界解吸压力、估计煤岩最大吸附量、预测气体采收率等，是煤储层评价中非常重要的参数曲线[2]。
一、实验理论依据根据Langmuir方程，气体在每克固体表面的吸附量取决于气体的性质、固体表面的性质、吸附平衡的温度以及吸附质的平衡压力，当给定了吸附剂、吸附质和平衡温度后，吸附量就只是吸附质的平衡压力的函数，由吸附量对压力作图得到的曲线称为等温吸附线。
煤的等温吸附曲线反映了不同煤岩对甲烷气体的吸附(解吸)特征和能力。
V L——为兰氏体积，代表最大吸附能力，其物理意义是：在给定的温度下，煤吸附甲烷达到饱和时的吸附量；P L——为兰氏压力，为解吸速度常数与吸附速度常数的比值，反映煤的内表面对气体的吸附能力。
Langmuir方程形式简单，使用方便，易于应用，而且两个常数V L和P L物理意义比较明确，是计算吸附量的基础。
煤岩在演变过程中生成煤层气主要以吸附态和自由态存在于煤层基质孔隙中，对于欠饱和煤层，基质孔隙中只有吸附气；而对于饱和煤层，基质孔隙中不仅有吸附气，还有自由气。
第29卷第12期岩石力学与工程学报V ol.29 No.12 2010年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2010煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究刘延保1，2，曹树刚1，李勇1，3，王军1，2，郭平1，徐健1，白燕杰1(1. 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044；2. 煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 400037；3. 博洛尼亚大学结构力学系，意大利博洛尼亚 40136)摘要：为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为，利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统，进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。
试验结果表明：(1) 同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律，煤样的应变变化率随时间逐渐减小，直至一个相对稳定值；(2) 煤样的吸附膨胀变形呈各向异性，垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性，但由于煤体内部裂隙分布差异，垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向；(3) 煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系，以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程；(4) 利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系，以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法；(5) 煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性，且吸附气体压力越大，其残余变形值也越大。
煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值，可作为煤层突出危险性测定的辅助指标，以及应用于煤层透气性的研究。
关键词：采矿工程；煤与瓦斯突出；含瓦斯煤；瓦斯吸附；膨胀效应；透气性中图分类号：TD 713 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)12–2484–08EXPERIMENTAL STUDY OF SWELLING DEFORMATION EFFECT OFCOAL INDUCED BY GAS ADSORPTIONLIU Yanbao1，2，CAO Shugang1，LI Yong1，3，WANG Jun1，2，GUO Ping1，XU Jian1，BAI Yanjie1(1. Key Laboratory of Ministry of Education for the Exploitation of Southwest Resources and the Environmental Disaster ControlEngineering，Chongqing University，Chongqing400044，China；2. Chongqing Research Institute，China Coal Research Institute，Chongqing400037，China；3. Distart Department，University of Bologna，Bologna40136，Italy)Abstract：In order to investigate the unique mechanical behavior of swelling deformation effect of coal induced by gas adsorption，the self-developed meso-mechanical testing apparatus of coal containing gas is used to perform the adsorbed swelling deformation test under different gas pressures. The results show as follows：(1) The swelling deformation and time curves of the same coal specimen under different gas pressures have the same variation law. The strain change rate of coal specimen decreases with time until it reaches a stable value. (2) The swelling deformation of coal specimen shows anisotropy. The total trends of strains perpendicular to the bedding and parallel to the bedding are consistence. Because crack distributions are different in the coal，the deformation perpendicular to the bedding is greater than that parallel to bedding. (3) The gas adsorption quantity of coal and its volumetric strain present a good linear relationship. Based on this，the swelling deformation equation is established considering temperature，moisture，ash，anisotropy and other factors. (4) Using the linear relationship between absorbed deformation stress and constrained deformation，and relationship of adsorption deformation and gas pressure，the calculation method of absorbed swelling stress is obtained. (5) The adsorbed swelling deformation of收稿日期：2010–05–24；修回日期：2010–08–01基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074197)；重庆市科委自然科学基金计划资助项目(CSTC，2010BB6118)；重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室访问学者基金资助项目作者简介：刘延保(1981–)，男，博士，2009年于重庆大学采矿工程专业获博士学位，主要从事煤岩瓦斯动力灾害防治方面的研究工作。
不同加载速率下原煤与型煤的力学渗流特性对比研究陈春谏;赵耀江;张红鸽;郭胜亮【摘要】以原煤、型煤煤样为研究对象,在三轴压缩变形过程中进行渗流试验,研究了不同加载速率下煤样的力学渗流特性.研究结果表明:加载速率对原煤的弹性模量影响较大,而型煤的弹性模量变化较小,且随着加载速率的增大,原煤、型煤的峰值应力均呈现先增大后减小的趋势;在破坏阶段,型煤的破坏呈现延性特征,而原煤的破坏是突发性的,更接近于现场煤与瓦斯突出的破坏过程;同一加载速率下,型煤和原煤的渗透率虽然都随着应力的增大先减小后增大,但前期型煤的渗透率降低幅度远远大于原煤,且型煤为剪切滑移破坏形式,峰后渗透率低于初始渗透率,而原煤为剪张破坏形式,峰后渗透率激增;随着加载速率的增大,煤样渗透率呈现更明显的\"V\"字形走势.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2019(046)001【总页数】5页(P23-27)【关键词】岩石力学;原煤;型煤;加载速率;力学特性;渗透率;瓦斯渗流【作者】陈春谏;赵耀江;张红鸽;郭胜亮【作者单位】太原理工大学矿业工程学院,山西太原030000;太原理工大学矿业工程学院,山西太原030000;太原理工大学矿业工程学院,山西太原030000;太原理工大学矿业工程学院,山西太原030000【正文语种】中文【中图分类】TD32;TD712大量工程实践表明，随着工作面的推进，必然会引起周围煤岩体的变形，以及应力的重新分布，同时煤岩体孔隙—裂隙系统不断扩展、闭合，影响煤体瓦斯的吸附—解吸动态平衡。
工作面合理的推进速度有助于冲击地压的预防，以及瓦斯突出的防治，其不同的推进速度会导致工作面前方煤岩体的受力加载速率发生变化。
因此，研究不同加载速率下煤岩体的力学渗流特性具有十分重要的意义。
潘一山等[1]对煤、花岗岩、砂岩进行单轴压缩试验，研究了不同加载速率下的煤岩电荷感应规律；Alam M S等[2]对静态和动态压缩应变速率下砂岩的力学行为进行了研究；尹小涛等[3]在研究岩石破坏形态、裂纹扩展等力学行为时，选用加载速率作为变量指标，运用PFC数值软件对其进行了模拟分析；苏海健[4]、许金余[5]等对高温下的砂岩和大理岩的加载速率效应进行了试验分析；杨仕教等[6]研究了不同加载速率下煤岩的峰后力学特性；黄达等[7]对粗晶大理岩进行了单轴压缩试验，研究了大理岩的静态加载速率效应，以及损伤机制；Backers T等[8]指出煤岩体的断裂韧度也存在加载速率效应现象;陈勉等[9]研究发现由于岩石Kaiser 效应的影响，不同加载速率下的地应力计算结果会发生不同程度的偏移;Bieniawskiz T[10]和Peng S S[11]在不同加载速率下分别对细砂岩和凝灰岩等进行了试验研究。
含瓦斯煤体固气耦合数学模型及数值模拟
郭平;曹树刚;张遵国;李毅;刘延保;李勇
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2012(037)0z2
【摘要】基于固气耦合作用的基本理论,从孔隙率和渗透率的基本定义出发,综合考虑吸附膨胀效应和Klinkenberg效应对煤体中瓦斯的运移影响,推导出孔隙率与渗透率的动态参数模型,并建立了含瓦斯煤体固气耦合模型.运用有限元方法给出自然卸压条件下的耦合数值解.数值模拟结果表明:孔隙瓦斯压力随着自然卸压时间的增大而减小；煤体孔隙率和渗透率随自然卸压时间的增加而增加,与现场渗透率测试规律基本相符；从煤体深处向距离工作面煤壁方向,孔隙率与渗透率缓慢增加、急速下降、急剧增加等3个阶段.
【总页数】6页(P330-335)
【作者】郭平;曹树刚;张遵国;李毅;刘延保;李勇
【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室,重庆400044;博洛尼亚大学结构力学系,意大利博洛尼亚40136
【正文语种】中文
【中图分类】TD712.61
【相关文献】
1.基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟 [J], 尹光志;李铭辉;李生舟;李文璞;姚俊伟;张千贵
2.含瓦斯煤体固气耦合数学模型及数值模拟 [J], 郭平;曹树刚;张遵国;李毅;刘延保;李勇;
3.基于含瓦斯煤固气耦合模型的数值模拟和应用研究 [J], 武建东
4.采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型及耦合效应分析 [J], 郭平
5.含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究 [J], 崔巍; 王瑾; 王静; 宋姣姣; 张圆圆
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不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性研究马兴莹1， 龚选平1， 成小雨1， 程成1， 李德波2（1. 中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2. 中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232000）摘要：目前关于瓦斯解吸动力特性的研究主要集中在单一粒径煤样，而对于不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性的研究较少。
针对该问题，利用含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统，将（0，0.25）mm 、[0.25，0.5）mm 、[0.5，1] mm 3种粒径煤样按照不同比例混合，开展了不同粒径混合煤样瓦斯解吸实验，分析了不同粒径煤样占比条件下的瓦斯解吸量、扩散系数及解吸衰减系数等瓦斯解吸动力学参数变化特征。
结果表明：① 不同粒径混合煤样瓦斯解吸过程中，前期影响瓦斯解吸量的主要因素是粒径大小，后期影响瓦斯解吸量的主要因素是煤样中不同粒径煤样占比大小；小粒径煤颗粒占比越大，煤样瓦斯解吸量越大。
② 不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数具有时变性，随着瓦斯解吸时间增加，瓦斯扩散系数呈衰减态，最终趋近0；初始瓦斯扩散系数随小粒径颗粒煤占比的增加而减小；③ 小粒径颗粒煤占比越大，瓦斯解吸衰减系数越大。
因此，在井下瓦斯含量测定过程中，获取的煤样中应尽可能提高大粒径颗粒煤的占比，以降低取样过程中瓦斯损失量，提高瓦斯含量测定的准确度。
关键词：瓦斯解吸；粒径；解吸量；扩散系数；解吸衰减系数中图分类号：TD712 文献标志码：AStudy on gas desorption dynamic features of mixed coal samples with different particle sizesMA Xingying 1, GONG Xuanping 1, CHENG Xiaoyu 1, CHENG Cheng 1, LI Debo 2(1. China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710054, China ；2. China Coal Xinji Energy Co., Ltd., Huainan 232000, China)Abstract : Currently, research on the dynamic features of gas desorption mainly focuses on single particle size coal samples. There is less research on the dynamic features of gas desorption of mixed coal samples with different particle sizes. To solve this problem, a multi field coupled seepage desorption experimental system is used to mix coal samples with three different particle sizes (0,0.25) mm, [0.25, 0.5) mm, and [0.5, 1] mm in different proportions. Gas desorption experiments are conducted on mixed coal samples with different particle sizes. The changes in gas desorption kinetic parameters such as gas desorption amount, diffusion coefficient, and desorption attenuation coefficient are analyzed under different particle size coal sample proportions. The results indicate the following points. ① During the gas desorption process of mixed coal samples with different particle sizes, the main factor affecting the gas desorption amount in the early stage is particle size. In the later stage, the main factor affecting the gas desorption amount is the proportion of coal samples with different particle sizes. The larger the proportion of small coal particles, the greater the amount of gas desorption in the coal sample. ② The gas diffusion coefficient of mixed coal samples with different particle sizes exhibits temporal variability. As the gas desorption time increases, the gas diffusion coefficient decreases and eventually approaches 0. The initial gas diffusion coefficient decreases with the increase of the proportion of small particle coal. ③ The larger the proportion of small particle coal, the greater the attenuation coefficient of gas desorption. Therefore, in the process收稿日期：2022-11-17；修回日期：2023-08-11；责任编辑：盛男。
煤层吸附He,CH4和CO2过程中的变形特性张遵国;齐庆杰;曹树刚;郭平【摘要】为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH4,CO2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH4,CO2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型.结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段;CH4和CO2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH4产生的膨胀变形量大于吸附CO2产生的膨胀变形量;煤基质在CO2气氛下比在CH4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形.可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系.与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2018(043)009【总页数】7页(P2484-2490)【关键词】不同气体;等温吸附;膨胀变形;变形机理;变形模型【作者】张遵国;齐庆杰;曹树刚;郭平【作者单位】辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁葫芦岛125105;矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁葫芦岛125105;矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,辽宁葫芦岛125105;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆工业职业技术学院建筑工程与艺术设计学院,重庆401120【正文语种】中文【中图分类】P618.11;TQ533近年来，随着人们对煤岩瓦斯动力灾害发生机制、瓦斯抽采，尤其是CO2煤层封存技术关注程度的提高，国内外研究者越来越重视煤岩气体吸附能力及其变形特性方面的研究。
现有试验设备大多只能进行单一的气体吸附量测试或变形测试，且吸附气体量测试通常采用煤粉作为试验样品，变形量测试采用块煤作为试验样品，由于二者采用的不是同一煤样，获得的吸附量与变形量关系存在一定争议。
