硕士研究生论文答辩.ppt

湖南科技大学,2007级硕士学位论文预答辩,低温对煤吸附甲烷及煤体力学性能 影响的实验研究,答辩人： 专业：采矿工程 学号：0701102 指导老师：88 教授,湖南科技大学,绪 论,实验设备改造,煤样的工业分析,甲烷低温吸附实验及结果分析,结论与展望,冻结对煤体力学性能影响,第一章 绪论,1 研究的理论意义和现实意义,2 吸附理论研究现状,3 本文研究的主要内容,湖南科技大学,控制煤与瓦斯突出，是复杂煤层开采遇到的难题。煤层瓦斯含量大小是决定矿井瓦斯涌出量的主要因素，也是确定煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一。因此，深人研究瓦斯在煤体中的赋存状态，特别是瓦斯含量以及吸附瓦斯和游离瓦斯在煤层中的分布情况，对于掌握煤层中瓦斯潜能的大小及其可能的作用情况是十分重要的，它将有助于进一步揭示煤与瓦斯突出现象的本质。,研究的理论意义和现实意义,然而，时至今日，国内外学者对温度对煤吸附甲烷能力的影响所进行的研究工作，主要集中在常温（30）以上，而对于低温（0）对煤吸附CH4的影响还未见报道。因此，研究低温条件下煤对CH4吸附量与温度的关系，温度对煤的瓦斯吸附量影响程度及其计算方法，同时研究冻结对煤体力学性能的影响是十分有意义的。,研究的理论意义和现实意义,目前人们对煤吸附甲烷机理的研究主要是一些等温吸附理论，如Langmuir单分子层吸附理论、BET多分子层理论、Freundlich理论、Polomyi吸附势理论及微孔填充理论等，而S.Brunauer等将等温吸附曲线归纳为五种类型 ，如下图：,吸附理论研究现状,单分子层Langmuir吸附模型 Langmuir在1916年就首先提出了固体对气体的吸附理论，属于I型吸附等温线，它是目前广泛应用于煤层气(瓦斯)吸附的状态方程： 可以看出：压力p越大，吸附量Q就越大，越利于煤层气的吸附聚集。随着压力降低，甲烷解吸。,吸附理论,吸附理论研究现状,多分子层吸附理论-B.E.T方程,Brunauer、Emmett和Teller 三人于1935年根据吸附与解吸平衡动力学导出吸附等温方程式，通称BET方程式：,该方程适用于无孔或含有中孔的固体，用于描述多分子层吸附。BET方程已被普遍作为测量吸附剂比表面积的主要工具，适用于描述型等温线。,微孔填充理论 对有些微孔介质(如煤、活性炭等)，其孔径尺寸与被吸附分子的大小相当，吸附则可能发生在吸附剂的内部空间，即吸附质分子在微孔体积内的凝聚而不是表面分子层的吸附。为此Dubinin及其合作者早在40年代就提出了著名的微孔填充理论来描述这类吸附过程。后来Dubinin及其它学者又进一步发展和完善了微孔填充理论13，提出了著名的DA（DubiniAstakhov）吸附等温方程式:,吸附理论研究现状,DR（DA）方程能够很好地描述型等温线。该模型本身并不提供描述吸附等温线的公式，往往需要采用图解法计算。,本文研究的主要内容,样品的采集及制备方法。,WY-98A型吸附常数测定仪的改造，使之能够进行低温瓦斯吸附实验。,对不同温度（-1030）、不同压力下煤样吸附CH4的实验结果进行对比分析，考查煤在低温条件下的吸附特征。,冻结煤体力学性能实验。,结合低温条件下瓦斯吸附特征，为用注液冻结法抑制石门揭煤过 程煤与瓦斯突出提供理论支持。,技术路线,第二章 设备改造,1 改造方案,湖南科技大学,2 气密性检查,3 对比试验,增加2个与原设备上规格完全一样的煤样罐、不锈钢水浴槽（我们把此水浴槽称作水浴槽A，把设备上原来的水浴槽称作水浴槽B）、-50100温度传感器、以及连接铜管、接头等配件（新增加的铜管长度等于原来设备上和煤样罐相连的铜管长度）；自制一个温度控制开关。原理图如下：,改造方案,改造方案,改造方案,方法：事先把不锈钢金属水浴槽A注满水,使煤样罐浸没在水中，然后拧开高压瓦斯钢瓶开关，把事先配制好的清洁剂水溶液涂抹在管路接口处，注意观察这些地方及水浴槽是否有气泡冒出,若有,则说明漏气。注意清洁剂的对水比例通常是1:3或1:4，太稀薄查渗不行，太粘稠，小漏点查不出。,气密性检验,对比试验,金竹山煤样改造前吸附等温曲线,金竹山煤样改造后吸附等温曲线,对比试验,南阳庙煤样改造前吸附等温曲线,南阳庙煤样改造后吸附等温曲线,对比试验,结果对比,结论：与原WY-98A设备的实验结果对比显示改造设备是可靠的，同时也体现出原设备的可扩展性。,煤样工业分析,第四章 低温吸附试验及结果分析,表 煤样吸附数据 Tab Adsorption data of coal sample,吸附实验结果,坦家冲煤样吸附图,利人煤样吸附图,吸附实验结果,裕民煤样吸附图,一平硐煤样吸附图,结论,吸附等温线： 1、当温度T0时，煤对CH4等温吸附曲线仍属于第类吸附等温线，由此可知煤对CH4的低温吸附模型也可以用Langmuir方程来表征，煤样的Langmuir常数见下表 。 2、同一温度条件下压力越高吸附量越大；相同压力条件下，同一煤样的吸附量随温度的升高而降低；,结论,温度对吸附CH4的影响,根据在相同压力、不同温度条件下获得的吸附量，发现同一样品在相同压力条件下，吸附量与温度呈负相关关系(如下图)，压力越低，相关性越好，压力不同线性公式中的系数不同，呈有规律的变化。利用线性方程可以计算出等压条件下任一温度的吸附量。,不同压力煤样下吸附量与温度关系,在6MPa压力下，坦家冲煤样的吸附量与温度T的关系为：,结论,相关系数r=-0.98690，表明随温度升高，饱和吸附量降低，但最终都趋于一稳定值。根据上式这种线性关系，可以计算某一煤样在等压条件下任一温度的吸附量。,吸附常数a与温度的关系,结论,吸附常数a表示在给定的温度下，单位质量煤体对CH4的极限吸附量，不同煤样吸附量的差异，集中反映在a值的不同上。,吸附常数a随温度T的变化,由右图可知随着吸附温度的升高煤对甲烷的吸附量均变小；不同温度下煤的langmuir常数a不同，并随温度的增大而单调递减，煤体吸附量越大，吸附量随温度变化的趋势越剧烈。在相同温度变化趋势下，不同煤的吸附常数a的变化趋势也不完全相同，变化趋势由大到小的顺序依次为利人煤样、坦家冲煤样、裕民煤样。,第五章 冻结对煤体力学性能影响,在高瓦斯矿井煤层赋存正常或构造破坏不大的地点石门揭煤之前，可以在掘进工作面向前打孔距适当的钻孔，利用钻孔注液把掘进工作面前方的煤岩柱冻结。这样，一方面可以增加煤体对瓦斯的吸附量，从而减少游离的瓦斯量；另一方面，可增大掘进工作面前方卸压区的煤体强度，从而防止煤体发生流变以达到防止煤与瓦斯突出。,冻结的作用,共设定-5、-10、-15和-20四个冻结温度，将试件根据冻结温度和模压分组编号。将编号的煤芯试件分组放入相应冻结温度下的温控室中进行冷冻。,RMT-150岩石力学试验系统 突出煤层成型煤芯试件,冻结对煤体力学性能影响,实验过程,通过注水冻结成型煤样的单轴抗压强度实验，发现其受压后变形分为四个阶段：压密阶段（OA）、弹性阶段（AB）、塑性屈服阶段（BC）和破坏阶段（CD） 。,成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数,表6.1 不同冻结温度下成型煤样的主要力学参数值,成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数,成型煤样冻结温度-抗压强度关系曲线,成型煤样结温冻度-弹性模量关系曲线,成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数,成型煤样冻结温度-抗压强度关系拟合曲线,成型煤样冻结温度-弹性模量关系拟合曲线,冻结温度对煤的力学性能的影响,选取煤的抗压强度和弹性模量来分析突出煤层注水冻结后的力学性能变化。以横坐标表示冻结温度，纵坐标分别表示成型煤样平均抗压强度、平均弹性模量，其随冻结温度的变化关系如表6.2和图6.76.8所示。,表6.2 不同冻结温度下成型煤样抗压强度值,冻结温度对煤的力学性能的影响,图6.7成型煤样冻结温度-抗压强度关系曲线,图6.8 成型煤样冻结温度-弹性模量关系曲线,从这些图可以看出：相同模压下，随着冻结温度的降低，成型煤样的单轴抗压强度明显增大，弹性模量也成增大趋势,冻结温度对煤的力学性能的影响,如果以横坐标表示冻结温度，以成型煤样最大抗压强度或最大弹性模量为纵坐标，其随冻结温度的变化关系如表6.5和图6.116.12所示。,表6.5 不同冻结温度下成型煤样最大力学参数值,冻结温度对煤的力学性能的影响,图6.11 成型煤样冻结温度-最大抗压强度关系曲线,图6.12 成型煤样冻结温度-最大弹性模量关系曲线,从这些图可以看出：忽略实验模压的影响，随着冻结温度的降低，成型煤样的最大单轴抗压强度明显增大，最大弹性模量也明显增大。其与图6.76.9所示的成型煤样平均抗压强度和平均弹性模量随冻结温度的变化规律保持一致。,湖南科技大学,第六章 结论与展望,本文主要得出以下的结论： 1 用改造后的WY-98A仪器与原仪器的实验结果对比显示设备的可靠性，同时原设备具有可扩展性。 2 用改造后的WY-98A吸附常数测定仪，获取了低温条件下（T0）煤对CH4吸附常数a、b值。当温度T0时，煤对CH4等温吸附曲线仍属于第类吸附等温线，可以用Langmuir方程来表征煤对CH4的低温吸附。,3 在低温阶段，同一煤样在相同压力下，吸附量与温度呈负相关关系。随着温度的降低，煤吸附甲烷的能力提高。压力越大，煤体吸附量随吸附温度变化趋势越明显；压力较低时，吸附量随压力增大呈线性的增长，随后吸附速度不断的衰减，当压力达到一定值时，煤对CH4气体的吸附能力达到饱和，此后再增加压力吸附量不再增加。这与于洪观的结论：“煤对混合气体CH4吸附量并不随着压力的增加而增加，而是随着压力的增加而增加到最大值后随着压力的增加吸附量略降低”基本一致。,4 在低温阶段（T0）煤的Langmuir常数a的值明显高于常温阶段（T=30）常数a的值。在相同温度变化趋势下，不同煤的吸附常数a的变化趋势不同；煤体吸附量越大，吸附量随温度变化的趋势越剧烈。,5 建立起饱和吸附量a与温度T的相关关系；这为预测深部煤层吸附甲烷含量提供了可能。先预测到某深度的地温，选适宜的方程可以计算该处a值。,不足与展望,本