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探究页岩气物理吸附解吸现象的虚拟仿真实
验报告
本次虚拟实验旨在探究页岩气中物理吸附解吸现象，通过虚拟仿真技术模拟实验过程，全面了解其原理和影响因素。
实验步骤：
1. 构建模型：将吸附材料、气体、温度、压力等基本参数输入模拟软件中，构建实验模型。
2. 初始化参数：根据实验需要调整吸附剂的初始温度和压力，控制变量和参数。
3. 模拟吸附过程：通过模拟软件模拟吸附过程，观察吸附过程中气体与吸附剂之间的相互作用以及吸附效率的影响因素。
4. 模拟解吸过程：模拟吸附剂脱附过程，观察解吸过程中吸附剂与气体之间的相互作用，探究温度、压力等参数变化对解吸效率的影响。
5. 输出数据：根据实验数据生成图表，进行数据分析和解读。
实验结果：
通过虚拟实验，我们得到了如下结论：
1. 气体分子与吸附剂之间相互作用越强，吸附能力越强。
2. 温度升高，分子运动加快，气体的吸附能力会下降。
3. 压力的变化对吸附能力有直接的影响，增加压力可以提高吸附速率和吸附量。
虚拟实验让我们更好地理解了页岩气物理吸附解吸现象，对于正确理解煤层气、页岩气和致密气的成藏和产量规律具有重要意义。
《风流驱动煤样条件下瓦斯解吸规律的研究》篇一一、引言煤炭是我国的主要能源之一，煤炭开采过程中瓦斯气体的解吸和排放是一个重要的安全和生产问题。
风流驱动煤样条件下的瓦斯解吸规律研究，对于预测瓦斯涌出量、制定煤矿安全生产措施具有重要意义。
本文旨在探讨风流驱动煤样条件下瓦斯解吸的规律，以期为煤矿安全生产提供理论依据。
二、研究背景与意义随着煤炭开采的深入，瓦斯问题日益突出，瓦斯事故频发，给煤矿安全生产带来了极大的威胁。
因此，研究风流驱动煤样条件下瓦斯解吸规律，对于预防瓦斯事故、保障煤矿安全生产具有重要意义。
同时，该研究也有助于深入理解瓦斯在煤层中的赋存、运移和排放规律，为瓦斯资源的开发和利用提供理论支持。
三、研究方法与实验设计本研究采用实验室模拟和现场试验相结合的方法，以风流驱动煤样为研究对象，通过改变风速、温度、压力等条件，观察瓦斯解吸的规律。
实验设计包括以下几个方面：1. 煤样准备：选取具有代表性的煤样，进行破碎、筛分、干燥等处理，制备成符合实验要求的煤样。
2. 实验装置：设计并搭建风流驱动煤样解吸实验装置，包括风流控制系统、温度控制系统、压力测量系统等。
3. 实验过程：在实验室和现场进行实验，记录不同风速、温度、压力条件下瓦斯解吸的数据。
4. 数据处理：对实验数据进行整理、分析，运用数学模型描述瓦斯解吸的规律。
四、实验结果与分析1. 瓦斯解吸量与风速的关系：实验结果表明，风速对瓦斯解吸量有显著影响。
随着风速的增加，瓦斯解吸量呈先增加后稳定的趋势。
在低风速阶段，瓦斯解吸量与风速呈正比关系；在高风速阶段，瓦斯解吸量趋于稳定，风速对解吸量的影响减小。
2. 瓦斯解吸量与温度的关系：温度也是影响瓦斯解吸的重要因素。
随着温度的升高，瓦斯解吸量呈增加趋势。
这是因为在较高温度下，煤样中瓦斯的活性增强，更容易从煤层中解吸出来。
3. 瓦斯解吸动力学模型：根据实验数据，建立瓦斯解吸的动力学模型。
通过模型可以描述瓦斯解吸的过程和规律，为预测瓦斯涌出量和制定煤矿安全生产措施提供依据。
煤层瓦斯赋存规律
煤层瓦斯赋存规律是指煤矿中煤层瓦斯的分布、存在形式及其规律。
煤层瓦斯是由煤中的有机质在埋藏过程中形成的，在煤矿开采过程中具有潜在的危险性。
煤层瓦斯的赋存规律对煤矿安全生产具有重要意义。
煤层瓦斯赋存规律可以归纳为以下几个方面：
1. 吸附瓦斯：煤层中的瓦斯主要以吸附态存在于煤体孔隙中。
随着压力的减小或温度的升高，吸附瓦斯可以解吸并逸出。
吸附瓦斯的赋存量受煤种、煤质、压力及温度等因素的影响。
2. 渗透瓦斯：煤层中的瓦斯可以通过煤层间隙或裂隙的渗透而存在。
渗透瓦斯的赋存与煤层孔隙度、赋存压力、地应力及煤层裂隙特征等因素有关。
3. 包裹瓦斯：煤层中的瓦斯可以包裹在煤体中的微小气泡中存在。
包裹瓦斯的赋存量受煤体孔隙结构、煤质及煤体松散程度等因素的影响。
4. 瓦斯运移规律：煤层瓦斯的运移与煤体孔隙连通性、地应力、渗透能力等因素有关。
瓦斯通常遵循从高压区到低压区的流动规律，地质构造、矿井开采等因素会影响瓦斯的运移路径和速度。
了解煤层瓦斯赋存规律对煤矿安全生产具有指导意义，可以帮
助矿井管理人员做好瓦斯抽放、通风以及瓦斯爆炸防治等工作，从而提高煤矿的生产安全性。
《风流驱动煤样条件下瓦斯解吸规律的研究》篇一摘要：本文旨在研究风流驱动煤样条件下瓦斯解吸的规律。
通过实验手段，对不同风速、不同煤样类型及不同瓦斯压力条件下的瓦斯解吸过程进行详细分析，以期为煤矿安全生产提供理论依据和技术支持。
一、引言随着煤炭资源的广泛开发利用，煤矿安全生产问题日益突出。
瓦斯是煤矿生产中的主要安全隐患之一，瓦斯解吸规律的研究对于预防瓦斯事故具有重要意义。
风流驱动条件下，煤样瓦斯的解吸过程受到多种因素的影响，如风速、煤样类型及瓦斯压力等。
因此，本文将针对这些因素，对风流驱动煤样条件下瓦斯解吸的规律进行深入研究。
二、研究方法与实验设计1. 实验材料与设备实验选用不同种类的煤样，包括烟煤、无烟煤等，并准备相应的实验设备，如瓦斯解吸装置、风速测量仪器等。
2. 实验方法在控制风速、煤样类型及瓦斯压力等变量的条件下，进行瓦斯解吸实验。
通过测量瓦斯解吸过程中的压力变化，记录解吸数据。
三、实验结果与分析1. 风速对瓦斯解吸的影响实验结果表明，风速对瓦斯解吸具有显著影响。
在低风速条件下，瓦斯解吸速率较慢，随着风速的增加，瓦斯解吸速率逐渐加快。
但当风速达到一定值后，瓦斯解吸速率趋于稳定。
2. 煤样类型对瓦斯解吸的影响不同煤样类型的瓦斯解吸规律存在差异。
烟煤的瓦斯解吸速率较快，而无烟煤的瓦斯解吸速率相对较慢。
这主要与煤样的孔隙结构、瓦斯吸附能力等因素有关。
3. 瓦斯压力对瓦斯解吸的影响随着瓦斯压力的增加，瓦斯解吸速率也相应增加。
在高压条件下，瓦斯更容易从煤样中解吸出来。
四、瓦斯解吸规律分析根据实验结果，风流驱动煤样条件下瓦斯解吸的规律可总结为：风速、煤样类型及瓦斯压力均对瓦斯解吸过程产生影响。
随着风速的增加，瓦斯解吸速率加快；不同煤样类型的瓦斯解吸速率存在差异；随着瓦斯压力的增加，解吸速率也相应增加。
此外，瓦斯解吸过程还受到温度、湿度等因素的影响，需要在未来研究中进一步探讨。
五、结论与建议本文通过实验手段，研究了风流驱动煤样条件下瓦斯解吸的规律。
混合气体在煤储集层中的吸附和扩散模拟摘要：具有商业价值的煤层气生产总是通过储层的压力衰减来实现的（一次开采）。
提高煤层气采收率（ECBM）是一种不会过度降低储层压力、具有采出更多甲烷组分潜力的技术，包括注入纯的N2/CO2或者两者的混合气体，像发电站一样传输气体。
CO2-ECBM 有一个额外的好处，相当大体积的潜在温室气体将被地质地储存在深层的煤层中。
在ECBM和CO2储存技术的发展过程中，数值模拟的运用必不可少。
拟稳态的Fickian方程与Langmuir方程都已经被专用于煤层气原始产量的数值模拟之中。
假设单一气体组分在混合系统中独立的扩散，准稳定状态的Fickian扩散方程可以容易的扩展到混合气体扩散模型中。
近年来，已经运用这种方法进行尝试，结合扩展的Langmuir方程，去模拟ECBM/CO2储存的矿场试验和实验室的注入测试。
然而，对于混合气体扩散，这种模拟方法缺乏理论的严密性，因为它并没有考虑不同气体组分之间的相互影响，但目前在煤层实施这一方法的实际意义还没有被完全理解。
在日本，一个对Yubari二氧化碳储存试验项目的储层模拟敏感性研究已经呈现。
CO2与CH4吸附时间的敏感性研究表明后期产出气体的组成对CO2吸附时间有显著的影响。
这个研究也强调了扩展的Langmuir方程在三元组分系统预测上的局限性。
然而还无定论，敏感性研究结果认为由这一模型得到的N2组分在煤储层中的吸附被多估计了至少20％,。
引言煤层与常规气藏的不同在于吸附是其主要的储存机制。
在过去的二十年里，煤层气已经成为美国一个重要的（非常规）天然气供应来源。
现行的煤层气开采大多单一地通过储层的压力衰减（一次开采）来实现，压力衰减使得甲烷以一种由吸附等温线控制的方式逐渐递增的解吸。
这种开采工艺简单但长期被认为是很低效的，考虑到对于低压力终点，吸附等温线是非线性和非均匀的，就意味着很大部分尺度的甲烷只在低的储存压力下可采。
在九十年代早期，提高煤层气采收率（ECBM），包括注N2或CO2，被倡导为一种更加有效的方法，在不过度降低储层压力的情况下，采出更多地下的甲烷组分（Puri和Yee，1990）。
煤层瓦斯运移的数学模型煤层瓦斯运移的数学模型是一种用于研究煤层瓦斯在地下运动传递规律的方法。
该模型基于毛细管力、气体扩散、吸附、解吸等理论建立，通过求解密度、温度、压力、瓦斯浓度等物理量的分布情况，来预测煤层瓦斯运移的行为。
以下是煤层瓦斯运移的数学模型主要包含以下几个部分。
1. 毛细管力模型煤层瓦斯在煤矿中的运动受到毛细管力的影响，因此需要对毛细管力进行建模。
毛细管力模型的基本假设是煤层瓦斯在小孔、小裂隙中运动时，会受到突出孔壁的毛细管力约束，该力对瓦斯运动的方向和速度都会产生影响。
通过建立毛细管力模型，可以预测煤层瓦斯的运动方向和速度。
2. 气体扩散模型气体扩散模型是研究煤层瓦斯扩散运动规律的关键模型之一。
煤层瓦斯的扩散运动遵循菲克定律，即扩散速度正比于浓度梯度，并与温度和压力等因素有关。
通过建立气体扩散模型，可以预测煤层瓦斯的浓度分布。
3. 吸附解吸模型煤层瓦斯在煤矿中的运动过程中，会与煤层表面发生吸附反应。
吸附解吸模型用于研究煤层瓦斯与煤层表面的作用，预测煤层瓦斯的吸附和解吸过程，这是研究煤层瓦斯运移规律的重要因素。
通过建立吸附解吸模型，可以预测煤层瓦斯在煤矿中逐步释放的速度和浓度。
4. 两相流模型在煤层瓦斯运动过程中，煤层瓦斯和煤层水形成了一种两相流的状态。
两相流模型是研究煤层瓦斯和煤层水在煤矿中运动交互关系的模型。
通过建立两相流模型，可以预测煤层瓦斯和煤层水之间的相互作用，以及它们在地下的运动规律。
总之，煤层瓦斯运移的数学模型是一种复杂的模型，需要考虑许多因素，但它对于研究煤层瓦斯在地下运移规律具有重要意义。
通过该模型的预测和仿真，可以指导煤矿生产和安全管理，减少煤层瓦斯爆炸的危险。
2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
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煤样瓦斯含量由取样过程中损失瓦斯量、井下解吸瓦斯量和残存瓦斯量三部分组成，在测定强烈破坏煤瓦斯含量时，推算所得的取样过程中瓦斯损失量存在较大误差，从而使测定的瓦斯含量值偏小，致使对矿井瓦斯危险程度和瓦斯涌出量不能作出准确预测。
问题一，首先分析压强一定，同一煤样当颗粒大小不同时，解吸量随时间变化图像。
然后做出同一煤样，当颗粒大小一定时，解析量与时间的关系图像进行分析。
运用EXCEL 、SQ 6统计数据分析软件对实验数据进行了回归分析处理，研究考察了吸附平衡压力、粒度对瓦斯解吸量的影响；得到了在相同吸附平衡压力条件下，不同粒度对解吸量的影响规律，相同粒度条件下，不同吸附平衡压力对煤样瓦斯解吸量的影响规律，最终获得了不同吸附平衡压力、粒度下煤瓦斯解吸量的求解公式。
《风流驱动煤样条件下瓦斯解吸规律的研究》篇一一、引言随着煤炭开采的深入，瓦斯问题逐渐成为矿井安全的重要隐患。
风流驱动煤样条件下的瓦斯解吸规律研究，对于预测瓦斯涌出、防止瓦斯事故、保障矿井安全生产具有重要意义。
本文旨在通过对风流驱动煤样条件下瓦斯解吸规律的研究，为煤矿安全生产提供理论依据和技术支持。
二、研究背景及意义瓦斯是煤炭开采过程中产生的一种气体，主要由甲烷组成，具有易燃易爆的特性。
风流驱动煤样条件下的瓦斯解吸规律研究，是瓦斯防治的重要环节。
通过研究煤样在不同风流驱动条件下的瓦斯解吸特性，可以深入了解瓦斯在煤层中的赋存状态、运移规律以及影响因素，为瓦斯预测、瓦斯抽采、瓦斯治理等提供科学依据。
三、研究内容与方法1. 研究内容（1）收集不同地区、不同煤种的煤样，进行风流驱动条件下的瓦斯解吸实验。
（2）分析风流驱动条件对瓦斯解吸的影响，包括风速、风压、温度等因素。
（3）研究瓦斯解吸规律与煤质、地质条件的关系。
（4）建立瓦斯解吸模型，预测瓦斯涌出量。
2. 研究方法（1）文献综述：收集国内外相关文献，了解瓦斯解吸的研究现状及发展趋势。
（2）实验研究：设计实验方案，进行风流驱动条件下的瓦斯解吸实验。
（3）数据分析：对实验数据进行整理、分析，探讨风流驱动条件对瓦斯解吸的影响。
（4）模型建立：根据实验结果，建立瓦斯解吸模型，预测瓦斯涌出量。
四、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，得到了不同风流驱动条件下煤样的瓦斯解吸数据，包括解吸速度、解吸量等。
2. 分析讨论（1）风速对瓦斯解吸的影响：风速越大，瓦斯解吸速度越快，但解吸量并不一定增加。
当风速达到一定值时，解吸量达到最大值。
（2）风压对瓦斯解吸的影响：风压对瓦斯解吸的影响较小，但在一定范围内，风压的增加可以促进瓦斯的解吸。
（3）温度对瓦斯解吸的影响：温度越高，瓦斯解吸速度越快，解吸量也越大。
温度对瓦斯解吸的影响显著。
（4）煤质、地质条件对瓦斯解吸的影响：不同煤种、不同地质条件的煤样，其瓦斯解吸规律存在差异。
关于煤吸附特性的研究与讨论煤的主要特征之一是具有天然的裂隙率与孔隙率，其会对煤的储存性能与吸附容积造成较大影响。
通过实验表明：煤表面内的瓦斯气体吸附是属于物理吸附，实质是瓦斯气体分子与煤表面分子之间相互吸引的结果。
本文首先分析了煤吸附瓦斯的过程，其次，深入探讨了煤吸附能力的影响因素，具有一定的参考价值。
标签：煤；吸附特性；表面分子1 前言煤是一种典型的双重孔隙介质，兼有大孔系统与微孔系统特征。
大孔系统由天然裂隙网络组成，而微孔主要存在于煤基质部分。
煤炭通常包括端割理、面割理两大类的割理，或近似正交，或正交而垂直于煤层面。
煤的比表面积极大，主要原因在于：煤的微孔隙较为发育。
煤的主要特征之一是具有天然的裂隙率与孔隙率，其会对煤的储存性能与吸附容积造成较大影响。
通过实验表明：煤表面内的瓦斯气体吸附是属于物理吸附，实质是瓦斯气体分子与煤表面分子之间相互吸引的结果。
煤分子的吸引力通常由2个方面组成：一部分是煤空间处于非饱和状态；另外一方面，煤分子结构呈饱和状态，二者均会导致吸附力场出现在煤表面。
随着压力、温度等因素的变化，处于运动状态的气体分子会逐步将引力场克服掉而变为游离相。
本文就煤吸附特性进行研究与讨论。
2 煤吸附瓦斯的过程将瓦斯气注入到煤体中，实质上即为“渗流-扩散”过程；瓦斯气体分子由于不能在短时间内与全部的裂隙表面、孔隙表面进行接触，所以就会有瓦斯浓度梯度、瓦斯压力梯度出现在煤体中。
在浓度梯度的作用下，瓦斯气体分子扩散的模式在微孔系统、小孔系统中占据较大的优势；在压力梯度的作用下，瓦斯气体分子渗流的模式在孔隙系统、裂隙系统中占有较大的优势。
当瓦斯气体以系“渗流-扩散”的方式运移到煤体深部时，通常会与接触到的裂隙表面、煤体孔隙出现脱附、吸附反应，简而言之，就是“吸附-脱附”、“渗流-扩散”。
吸附瓦斯的过程主要包括7个环节：①渗流过程：煤吸附瓦斯的第一步即为渗流过程；瓦斯气体分子在瓦斯压力梯度的作用下会渗流到大孔系统中，进而还会有大量的瓦斯气体气膜出现在煤基质外表面；②外扩散过程：瓦斯气体分子会穿过气膜，向煤基质表面扩散；③内扩散過程：一旦煤基质微孔穴中有瓦斯气体分子进入，那么在很短的时间就会在煤基质内表面进行扩散；④吸附过程：瓦斯气体分子在通过了外扩散过程与内扩散过程之后就会迅速抵达煤基质内表面；⑤脱附过程：会有相当数量的瓦斯气体分子被脱附而离开煤基质的外表面与内孔表面，最终进入到瓦斯气膜层；⑥反扩散过程：进入瓦斯气体气膜内扩散到煤基质外表面，进入瓦斯气体气相主体的过程；⑦煤基质外表面反扩散过程：经脱附过程进入煤基质外表面瓦斯气体气膜扩散到瓦斯气体气相主体中的过程。
煤的等温吸附试验探讨煤的形成过程，伴生有丰富的非常规天然气体，俗称瓦斯、煤层气，在煤中主要以游离态、吸附态形式存在。
游离态气体容易脱离煤体而释放出来，在煤的解析试验中也称自然解析气；吸附气则与煤的本身性质有关，煤是一种多孔介质，具有发达的孔隙结构，属于天然吸附剂，煤表面及孔隙内表面对甲烷等气体具有很强的吸附能，气体容易在煤表面及孔隙内聚集，形成气体吸附状态。
煤层气地质勘探中，煤层气储量常采用总含气量进行评估。
评价方法有直接法与间接法。
直接法也叫解析法，直接测定煤芯煤样气含量，包含自然解析量、损失量及残余气量，一般称为常规含量分析；间接法也叫非常规瓦斯测定法，通过吸附常数计算，吸附常数主要通过试验获取，吸附气量则根据吸附常数进行计算。
自然解析量、损失量在常压状态下从煤体自然释放，在封闭空间呈现游离气体特征，试验中可以准确计算；残余气体包括吸附气体与封闭孔隙不可解析气体，封闭不可解析气体在生产中不可获得，一般不予测定；常规试验时，在恒定温度、不同压力条件下测定甲烷吸附量，通过图形拟合间接求取煤的吸附常数。
1 试验原理煤的吸附量一般用Langmuir单分子层气体吸附模型来描述，煤的吸附气体与游离气体随着压力、温度的改变可以互相转化，在温度一定的条件下，通过Langmuir方程来计算煤层气吸附量（Q）。
即2 试验方法2.1 干燥煤样试验(1)测定方法概要：实验室筛分制样，制取粒度为0.2-0.3mm的煤样。
准确称取50g煤样装入玻璃干燥皿中，80℃真空干燥6小时；将干燥煤样装入煤样杯，于60℃水浴中真空脱气4小时。
吸附温度30℃条件下，进行低压吸附，吸附平衡8小时，测定煤样体积；在相同温度条件下，向吸附罐中充入不低于4MPa 甲烷，煤样杯内压力达到平衡后，依次测定6组在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
用压力-吸附量作图，根据Langmuir吸附理论拟合求解煤的吸附常数a、b值。
(2)高压吸附Langmuir方程：2.2 含饱和水煤样试验(1)测定方法概要：将制取好的粒度为0.2-0.3mm的煤样，准确称取35g置于玻璃器皿中，均匀加入适量蒸馏水使煤样全部淹没为止，并充分搅拌，室温下放置2h；用玻璃漏斗过滤出多余的水分；将装有煤样的玻璃器皿放入相对湿度为96%-97%、温度为30℃的干燥器中，干燥器底部装有适量的硫酸钾过饱和溶液；每隔24h称重煤样一次，直到相邻两次重量之差不超过煤样质量的2%，则为煤样已达到水平衡；将达到平衡水分的煤样装入煤样杯中，在吸附温度30℃条件下，向煤样杯中充入不同压力的甲烷，测定6组煤在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
煤层中瓦斯赋存状态煤层瓦斯是一种常见的矿井灾害气体，其赋存状态对于矿井安全具有重要影响。
煤层瓦斯主要以游离态、吸附态和溶解态存在于煤层中。
了解煤层瓦斯的赋存状态，对于采取有效的防治措施和确保矿井安全具有重要意义。
一、游离态瓦斯游离态瓦斯是指煤层中自由存在的气体，它不与煤体发生物理或化学作用。
游离态瓦斯主要由甲烷组成，占瓦斯总量的90%以上。
游离态瓦斯主要存在于煤层孔隙中，其中包括煤层间隙、裂隙和孔隙等。
游离态瓦斯是矿井瓦斯爆炸的主要来源，因此在矿井开采中必须采取有效的排放措施，以确保矿井安全。
二、吸附态瓦斯吸附态瓦斯是指煤层中与煤体表面结合形成化学键或物理吸附力的气体。
煤层中存在大量的微孔和介孔，这些孔隙可以吸附大量的瓦斯。
吸附态瓦斯主要由二氧化碳、氮气、甲烷等组成，其中甲烷是最主要的成分。
吸附态瓦斯是煤层瓦斯储量的重要组成部分，也是煤层瓦斯的潜在储量。
在矿井开采中，吸附态瓦斯的释放量较少，但当煤体破裂或压力减小时，吸附态瓦斯会转化为游离态瓦斯，增加矿井瓦斯浓度，增加矿井的瓦斯危险性。
三、溶解态瓦斯溶解态瓦斯是指煤层中溶解在水中的瓦斯。
煤层中的地下水中溶解有大量的瓦斯，其中主要是二氧化碳和甲烷。
溶解态瓦斯是煤层瓦斯的另一种重要形式，它在煤层开采过程中会随着煤体的破碎和煤层水的排泄而释放出来。
溶解态瓦斯的释放速度与煤层水的排泄速度有关，当煤层开采速度较快时，溶解态瓦斯的释放速度也会相应增加。
因此，在矿井开采中必须采取有效的排水措施，以减少溶解态瓦斯的释放量，确保矿井安全。
煤层中的瓦斯主要以游离态、吸附态和溶解态存在。
游离态瓦斯是矿井瓦斯爆炸的主要来源，吸附态瓦斯是煤层瓦斯储量的重要组成部分，溶解态瓦斯是煤层瓦斯的另一种重要形式。
了解煤层瓦斯的赋存状态，对于制定有效的瓦斯防治措施和确保矿井安全具有重要意义。
在矿井开采中，要采取相应的措施，减少游离态瓦斯的积聚，控制吸附态瓦斯的释放，降低溶解态瓦斯的排放，以确保矿井的安全生产。
煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究张 力1,邢平伟2(1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.太原理工大学,山西太原030024)[摘 要] 简要介绍了煤吸附瓦斯气体的本质,影响煤吸附量的主要因素以及煤吸附瓦斯气体的过程;分析了煤体瓦斯解吸扩散的主要形式和影响煤体瓦斯扩散速度的主要因素。
[关键词] 煤;瓦斯;吸附;解吸;扩散[中图分类号]T D712 [文献标识码]A [文章编号]1003-6083(2000)04-0018-030 引 言固体物质都具有或大或小的把周围介质中的分子、原子或离子吸附到自己表面的能力,这一性能被称为物质的吸附性能。
煤是一种复杂的多孔介质,是天然吸附剂[1],其中直径在10-6cm以下的微孔,由于其内表面积占表面积的97.3%,可以高达200m2/g,具有很大的比表面积,从而决定了煤的吸附容积。
甲烷以两种形式(承压游离状态和吸附状态)存在于煤层和共生岩层的孔隙裂隙中,对不同状态甲烷相对含量的实验研究表明煤中全部甲烷含量的90%～95%以吸附状态存在。
研究煤与瓦斯的吸附和解吸规律,对于煤与瓦斯的突出预测,煤层瓦斯流动机理,煤的瓦斯含量预测及计算采落煤瓦斯涌出,煤层气开发和利用都有现实意义。
1 煤的吸附特性1.1 煤吸附瓦斯的本质研究表明煤对瓦斯的吸附作用,在一定瓦斯压力下乃是物理吸附,其吸附热一般小于20k J/m ol。
煤表面的原子(它们的价力尚未达到完全饱和程度)在其表面产生一种力场。
在这种力场的影响下,周围的瓦斯分子比无力场存在时更易凝结。
瓦斯的凝结能力决定着它的被吸附能力,煤分子对瓦斯气体分子的吸引力越大,煤对瓦斯气体的吸附量越大。
煤分子和瓦斯气体分子之间的作用力由德拜(Debye)诱导力和伦敦色散力(London dispersion force)组成,由此而形成吸引势,即吸附势阱深度Ea(也称势垒)。
自由气体分子必须损失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面,因此吸附是放热的;处于吸附状态的瓦斯气体分子只有获得能量Ea才能越出吸附势阱成为自由气体分子,因此脱附是吸热的[2]。
含水煤层中气体吸附、解吸-扩散的分子模拟研究煤层气储层通常饱和着大量地层水,水的存在会对气体的吸附和扩散产生影响。
为了提高煤层气的产量,压裂成为主要的增产措施,而压裂液的适用性是决定煤层气井压裂效果好坏的关键因素之一。
因此,本文针对含水煤层中气体吸附和扩散时的特征以及活性水压裂液和泡沫压裂液对CH4扩散的影响,利用分子模拟方法和实验手段展开如下研究：(1)煤层气储层具有非均质性,所以采用Fuchs煤化学结构模型构建煤分子狭缝孔模型。
在干燥煤的气体吸附研究中,采用蒙特卡罗法模拟了不同温度和孔径下H2O、CO2和CH4的吸附特征；在含水煤的气体吸附研究中,则分别考虑了单组分CO2和CH4以及双组分CH4/CO2在不同温度、孔径、含水率和摩尔比下的吸附特征。
(2)通过分子动力学方法分别模拟计算了单组分CO2和CH4以及双组分CH4/CO2在不同温度、压力、孔径、含水率和摩尔比下的扩散系数、分子平均自由程和等势而分布等参数,揭示了气体在含水煤中的扩散规律。
(3)利用分子模拟方法分别建立了泡沫压裂液中起泡剂十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和甜菜碱以及稳泡剂聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和羧甲基纤维素钠(CMC)的分子结构模型。
通过分子动力学方法分别模拟计算了不同起泡剂和稳泡剂与煤、水和含水煤之间的相互作用能和泡沫压裂液影响下CH4的扩散系数,并与实验测定出的饱和泡沫压裂液煤粉的CH4有效扩散系数进行了对比,揭示了泡沫压裂液对煤层CH4扩散的影响规律。
(4)通过分子模拟方法分别研究了KCl对水分子在煤表面吸附的影响以及钾离子含量的多少对助排剂(十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠)分子在煤表面吸附的影响。
利用分子动力学方法模拟计算了活性水压裂液影响下CH4的扩散系数,并与实验测定¨的饱和活性水压裂液煤粉的CH4有效扩散系数进行了对比,揭示了活性水压裂液对煤层CH4扩散的影响规律。
酸浸颗粒煤瓦斯解吸扩散规律实验研究
煤层瓦斯是矿井安全生产的主要杀手,同时本身作为一种高效、清洁的能源又具有很高的利用价值,尤其是对煤的瓦斯解吸扩散的研究是煤矿安全生产的重要课题之一。
本文以颗粒煤为研究对象,选取了清水、具有较强氧化作用的Fenton试剂及2种常见的酸(盐酸、醋酸)对煤样进行浸润处理,利用实验室现有的高压变温吸附解吸实验系统对各实验煤样进行了等温解吸实验,分析发现煤样经浸润后其累计瓦斯解吸量、解吸速度均减小,利用杨氏计算方法计算的浸润后煤样的瓦斯扩散系数D均变大,研究认为经酸浸润后抑制了各实验煤样的吸附能力,促进了煤样的瓦斯解吸。
利用低场核磁共振仪测定了浸润前后各实验煤样的孔隙分布特征,分析得到经清水和Fenton试剂、盐酸浸润后的煤样孔隙容积没有发生明显的变化,相比而言,经醋酸浸润煤样的孔隙容积变化相对很明显;对比分析浸润前后煤样的瓦斯解吸扩散特性及其孔隙分布特征,其呈现不一致的变化趋势;利用FT-IR测定了酸浸润前后各实验煤样的表面官能团的组成及其含量变化趋势,探讨了酸浸润颗粒煤解吸扩散特性的影响因素,揭示了颗粒煤瓦斯解吸放散特性不仅受煤样孔隙特征的控制,也与煤颗粒表面的极性和表面含氧官能团的组成与含量有关;通过FT-IR实验证明煤样经过清水、Fenton试剂、盐酸和醋酸浸润后,其表面酸性基团(酚、醇羟基和羧基)均有增加的趋势,而煤表面的酸性基团可以降低煤对甲烷的吸附能力,抑制煤对甲烷的吸附。
影响煤的吸附特征
影响煤的吸附特征有很多因素；包括煤的物理化学性质、煤级、显微组分特征等有很大关系！吸附与煤本身的结构、变质程度 ,被吸附气体的性质以及煤层所处的环境密切相关、分析了压力、温度、水分含量、煤岩组成等因素对煤层气吸附的影响。
(1) 煤层是煤层气的源岩 , 又是煤层气的储集层 ,与常规的油气储层不同 , 其解吸P 吸附具有许多独有的特点。
阐述了煤层气解吸P 吸附的一般机理。
(3) 储层孔隙介质单组分气体的解吸P 吸附理论模型是研究多组分气体解吸P 吸附理论的基础 ,也是研究煤层气解吸P 吸附机理的重点。
分别对 G ibbs 吸附理论、 Lang muir 型吸附模型、 BET 多分子层模型和位势理论模型进行了分析讨论 , 为建立适合于煤储层特点和煤层甲烷运移特征的煤层气储层模拟流固耦合理论和方法奠定了基础。
(4) 结合各个煤层的实际情况 , 包括压力分布、煤岩质量等 ,比较各个模型之间的区别 ,并选择最为合适的模型。
模型或方程中的参数越多 , 拟合程度越高。
D 2 A 模型拟合度最高 , 而目前被广泛使用的Lang muir 等温吸附方程拟合度较差。
