弱吸附性氮气对煤中甲烷的置换效应

【摘要】：本文从煤矿井下注N_2促抽/促排煤层瓦斯的试验效果以及煤矿井下安全生产的角度出发,采用高压容量法,在实验室对阳泉15号煤层的颗粒煤样进行等压扩散和高压注气两种条件下弱吸附性N_2置换煤中CH_4实验,研究了两种实验条件下N_2置换煤中CH_4规律,并对其作用机理进行分析。阳泉15号煤对CH_4、N_2单组分气体的吸附-解吸实验表明,煤吸附CH_4能力强于吸附N_2。通过对等压扩散和高压注气两种实验条件下N_2对CH_4的置换解吸规律可以看出,高压注气条件下CH_4置换量很小,且随煤对CH_4的吸附平衡压力升高呈现先增后减的规律,CH_4的吸附平衡压力为0.84MPa时置换量达到最大值0.56cm3/g,同一甲烷吸附平衡压力下,置换量随着氮气注气压力的升高而增大,且增加量逐渐减小;等压扩散条件下CH_4置换量随煤对CH_4的吸附平衡压力的升高而增大;相同CH_4吸附平衡压力下,等压扩散条件下CH_4置换量始终大于高压注气条件下CH_4置换量。对置换气体N_2的吸附量而言,两种实验条件下均表现为随CH_4平衡压力的升高先升后降,且相同CH_4吸附平衡压力下,高压注气条件下N_2吸附量始终大于等压扩散条件下N_2吸附量。分析两种实验条件下的置换作用机理,得出高压注气条件下,N_2对煤中CH_4的置换机理是高压氮气的注入增加了煤中总压力而引起的甲烷解吸;等压扩散条件下,N_2对煤中CH_4的置换主要是气体的扩散作用和由气体扩散作用引起的甲烷分压降低以及由气体扩散引起的氮气分压升高共同作用。因而,等压扩散条件下N_2的置换量高于高压注气条件下的置换量。结合实验结果分析井下注N_2促抽/促排煤层瓦斯技术的机理得出,其作用机理主要是注气气流的载携作用和气体的扩散作用,还包含了注气气流的膨胀增透作用,以及微弱的氮气的注入使得煤层总压力升高而产生的甲烷解吸作用。 【关键词】：瓦斯吸附 置换解吸 等压扩散 增压注气 置换机理
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 研究目的和意义12
• 1.2 煤对气体吸附-解吸特性的国内外研究现状12-15
• 1.2.1 煤对单组分气体的吸附-解吸特性研究现状12-13
• 1.2.2 煤对多组分气体的吸附-解吸特性研究现状13-14
• 1.2.3 注气置换煤层甲烷机理的研究现状14-15
• 1.3 主要研究内容及技术路线15-16
• 1.3.1 主要研究内容15
• 1.3.2 技术路线15-16
• 1.4 本文的研究特色与创新16-17
• 2 实验准备17-25
• 2.1 实验设备17-19
• 2.1.1 核心实验设备17-18
• 2.1.2 主体实验设备18-19
• 2.2 实验装置标准体积的测定19-21
• 2.2.1 公共管路标准体积Vp测定19-20
• 2.2.2 充气罐标准体积的测定20-21
• 2.2.3 吸附罐标准体积Vs的测定21
• 2.2.4 实验装置的技术参数21
• 2.3 吸附腔体剩余体积测定21
• 2.4 实验样品21-22
• 2.4.1 实验样品制备21-22
• 2.4.2 煤样的工业分析22
• 2.5 本章小结22-25
• 3 煤对单组分气体吸附-解吸特性实验研究25-37
• 3.1 煤对单组分气体的吸附-解吸实验25-28
• 3.1.1 实验装置气密性检查25
• 3.1.2 等温吸附实验25-27
• 3.1.3 等温解吸实验27-28
• 3.2 实验数据处理28-31
• 3.2.1 压缩因子的确定28-29
• 3.2.2 参数计算29-31
• 3.3 煤对单组分气体的吸附-解吸规律31-33
• 3.3.1 吸附-解吸实验结果31
• 3.3.2 煤对CH_4的吸附-解吸规律31-32
• 3.3.3 煤对N_2的吸附-解吸规律32-33
• 3.4 煤对单组分气体吸附-解吸特性对比分析33-36
• 3.4.1 实验条件下煤对单组分气体吸附-解吸特性对比分析33-34
• 3.4.2 理论计算的煤对单组分气体吸附-解吸特性对比分析34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 高压注气条件下N_2置换煤中CH_4效应研究37-47
• 4.1 高压注气置换实验37-39
• 4.1.1 设备气密性检查38
• 4.1.2 实验方法38-39
• 4.2 实验数据处理39-42
• 4.2.1 压缩因子的确定39-40
• 4.2.2 参数计算40-42
• 4.3 实验结果42-46
• 4.3.1 同一CH_4吸附平衡压力，不同注气压力置换煤中CH_4实验结果42-45
• 4.3.2 甲烷分压力比相同，注氮气置换煤中甲烷实验结果45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 5 等压扩散条件下N_2置换煤中CH_4效应研究47-53
• 5.1 等压扩散条件下N_2置换解吸CH_4实验47-49
• 5.1.1 设备气密性检查47
• 5.1.2 实验方法47-49
• 5.2 实验数据处理49-50
• 5.2.1 压缩因子的确定49-50
• 5.2.2 参数计算50
• 5.3 实验结果50-51
• 5.4 本章小结51-53
• 6 两种实验条件下N_2置换煤中CH_4效果及机理对比分析53-61
• 6.1 N_2置换煤中CH_4效果分析53-58
• 6.1.1 高压注气条件下N_2置换煤中CH_4规律分析53-57
• 6.1.2 等压扩散下N_2置换煤中CH_4规律分析57-58
• 6.2 两种实验条件下N_2置换煤中CH_4作用机理分析58-60
• 6.2.1 高压注气条件下N_2置换煤中CH_4作用机理58
• 6.2.2 等压扩散N_2置换煤中CH_4作用机理58-59
• 6.2.3 井下注N_2促抽/促排煤层瓦斯技术机理59-60
• 6.3 本章小结60-61
• 7 结论与展望61-63
• 7.1 主要结论61
• 7.2 展望61-63
• 参考文献63-67
• 作者简历67-68
• 学位论文数据集68

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