原煤和型煤吸附瓦斯变形规律研究毕业论文.doc

原煤和型煤吸附瓦斯变形规律研究毕业论文目 录1 绪论11.1 选题目的和意义11.2 研究现状31.2.1 煤的吸附膨胀特性研究现状31.2.2 吸附膨胀实验研究现状41.2.3 基于吸附作用的煤层瓦斯运移研究现状61.3 本论文的主要内容61.4 本论文的技术路线82 煤吸附理论92.1 煤吸附瓦斯机理92.2 煤吸附瓦斯影响因素102.2.1 温度对煤吸附瓦斯的影响102.2.2 压力对煤吸附瓦斯的影响112.2.3 时间对煤吸附瓦斯的影响132.2.4 抽真空对煤吸附瓦斯的影响142.3 二维吸附膜模型162.3.1 Langmuir单分子层吸附模型162.3.2 Freundlich吸附模型172.3.3 BET多分子层吸附模型172.4 本章小结183 煤吸附瓦斯变形试验193.1 实验方案193.2 实验设备193.3 试样制作和实验装置243.4 试验方法273.4.1 试验气体的选择273.4.2 实验步骤284 原煤和型煤吸附变形的试验结果304.1 抽真空阶段煤体变形量与时间关系304.2 0.67MPa吸附气体压强下煤体变形量与时间关系354.3 0.98MPa吸附气体压强下煤体变形量与时间关系384.4 1.41MPa吸附气体压强下煤体变形量与时间关系415 结论与展望455.1结论455.2展望45致谢46参考文献47附录A50附录B61辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 选题目的和意义煤矿瓦斯则是指的天然气。植物在成煤过程中生成的大量气体，又称煤层气。腐植型的有机质，被细菌分解，可生成瓦斯；其后随着沉积物埋藏深度增加，在漫长的地质年代中，由于煤层经受高温、高压的作用，进入煤的碳化变质阶段，煤中挥发分减少，固定碳增加，又生成大量瓦斯，保存在煤层或岩层的孔隙和裂隙内。中国煤矿术语中的瓦斯是从英语gas译音转化而来，往往单指CH4(甲烷，也称沼气)。地下开采时，瓦斯由煤层或岩层内涌出，污染矿内空气。每吨煤、岩含有的瓦斯量称煤、岩的瓦斯含量，主要决定于煤的变质程度、煤层赋存条件、围岩性质、地质构造和水文地质等因素。一般情况下，同一煤层的瓦斯含量随深度而递增。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源十分丰富，在过去的20世纪中，我国的煤炭含量居世界首位。煤炭在我国一直霸居主要能源首位，它占我国一次能源消耗的75%80%。预计在21世纪中期，煤炭资源仍将占我国一次能源中的45%50%，因此，煤炭产业仍旧是事关我国民生发展的基础产业。我国煤炭资源丰富，是世界上煤炭含量最多的国家之一，但同时，我国也是世界上瓦斯灾害最严重的国家，高、突矿井占我国重点矿井约60%，其中，美与瓦斯突出矿井约达到20%。据统计，我国的矿业事故是所有工伤事故中最为严重的事故，其造成的死亡人数仅次于道路交通，在各种人为的显性事故灾害中居于第二位，矿井灾害中尤以瓦斯灾害最突出，是我国矿业发展中急需解决的问题。煤与瓦斯突出事故是煤矿生产中最严重、最危险的灾害之一。煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，是另一种类型的瓦斯特殊涌出的现象。它破坏性极大，不仅能够损坏各生产系统，而且会造成大量的人员伤亡。据统计，20012014年我国煤矿共发生417起煤与瓦斯突出事故,其中较大事故多发,造成的死亡总人数最多,占事故总起数的62.11%,占总死亡人数的46.0%；特别重大事故较少发生,仅占事故总起数的2.39%,但造成的死亡人数较多,占总死亡人数的19.9%。就2014年上半年我国共发生较大以上煤与瓦斯突出事故11起，造成78人死亡，其中湖南省发生4起、死亡26人，云南省发生3起、死亡22人，贵州省发生2起、死亡17人。这些重大事故给国家和人民的生命、财产带来了重大损失，也造成了不良的社会影响。在煤与瓦斯突出事故中，瓦斯具有十分重要的作用。长期以来，煤矿瓦斯一直被当作“有害”气体处理，瓦斯气不仅会造成采矿过程中大量的人员伤亡，而且矿井瓦斯还是造成温室效应、破坏臭氧层等大气环境污染源之一，其温室效应是同质量二氧化碳的20倍左右，对大气臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。尤其是近年来，随着煤炭开采深度的增加，采掘机械化程度的提高,矿井瓦斯排放量也在急剧增大，仅2006年我国产煤超过23亿吨时释放的矿井瓦斯达100亿m3。据估计，我国每年不经过任何处理直排大气的瓦斯约为7.7万m3，占世界煤矿瓦斯排放量的32.5%，造成严重的大气污染。随着科技的发展，在最近的20年来，煤矿瓦斯除了作为“有害”气体，更主要的是作为一种洁净能源而被各国重视。20世纪80年代，美国首先从地面开采煤层气获得成功，使瓦斯变害为宝，成为一种洁净能源供人们使用，引起世界各国的高度重视。据试验统计，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，良好的热值，可以作为民用燃料、工业燃料、发电燃料、汽车燃料和重要的化工原料，用途十分广泛。且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。我国煤层气资源十分丰富，居世界第三。每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿立方米以上，合理抽放的量应可达到35亿立方米左右，除去现已利用部分，每年仍有30亿立方米左右的剩余量，加上地面钻井开采的煤层气50亿立方米，可利用的总量达80亿立方米，约折合标煤1000万吨。如用于发电，每年可发电近300亿千瓦时。而此时我国的经济结构和能源结构都处在一个转型的关键期，煤层气、页岩气等非常规能源行业面临着巨大的发展机遇，在一个新兴行业成长和壮大的阶段，企业成功的关键在于，如何在需求逐渐扩大，行业内外结构不断变化的过程中，找到企业发展的发力点和关节点，利用企业内外部的资源优势，实现企业的快速发展。因此，如果能对瓦斯进行合理的利用，则能较好的解决我国能源短缺的问题。表1-1 世界各国煤层气储量和开发情况Tab.1-1 CBM reserves in the world and developments国家煤层气资源（万亿方）煤炭资源量（万亿吨）煤层气开发情况（亿方/2014年）俄罗斯17-1136.5加拿大6-767.0140中国30-36.85.611823美国21.383.95550澳大利亚8-141.760合计98-270我国虽然富含煤层气资源，但是，抽采煤层气是一项重大的技术难题，要求掌握复杂煤体结构中瓦斯运移的基本规律。瓦斯在煤体中的运移受到多种因素的影响，比如地应力、瓦斯、温度、电磁场等，且煤体对瓦斯还有强吸附性。当煤体吸附气体时，煤基质产生膨胀变形；当煤体解吸气体时，煤基质产生收缩变形。煤体的膨胀、收缩变形直接使煤体内渗透通道发生变化，影响煤体渗透性，而煤体渗透性的变化又反过来影响煤体吸附、解吸特性。可以认为，煤体的吸附、解吸特性和煤体其它物性是一个动态联系过程，即相互耦合过程。因此，研究煤体吸附的变形规律，对进一步了解掌握煤层瓦斯运移规律，指导煤层气抽采和瓦斯灾害防治具有十分重要的意义。综合前人的研究成果，开展煤的吸附特性研究具有以下几方面的意义。 首先，研究煤的吸附特性有利于全面认识瓦斯在煤层中的运移规律。只有深刻认识煤与瓦斯的相互作用规律，才能从根本上解决煤矿瓦斯灾害。其次，有利于开发新兴能源，优化能源结构。长期以来，瓦斯被当作“有害”气体，然而从能源角度出发，瓦斯又是一种洁净、方便、高效的新型能源,能够解决我国能源短缺的问题，改善长期燃煤带来的环境污染问题。研究煤的吸附特性，提高煤层瓦斯抽采能力，可以在有效地降低矿井瓦斯灾害事故的同时，发展新兴能源产业，缓解煤炭生产力，优化能源结构。最后，有利保护环境。随着人类经济社会的不断发展，CO2的排放量越来越大，造成的温室效应越来越严重。研究煤的吸附特性有利于发展CO2在煤中的封存技术和CO2驱替CH4的全新抽采技术。综上所述，研究煤吸附瓦斯变形特性对全面认识瓦斯在煤层中的运移规律、瓦斯灾害防治、煤层气抽采、优化能源结构和保护生态环境等方面具有重要的基础支撑作用。1.2 研究现状1.2.1 煤的吸附膨胀特性研究现状（1）煤的吸附特性 煤层是由多孔固体介质和瓦斯流体组成的平衡系统，相互之间发生作用，引起各种物理力学现象。其中，对煤体的吸附特性，国内外学者1-7的研究成果表明，吸附态瓦斯以物理吸附的形式分布于煤体裂隙、块体、微孔隙和分子颗粒表面。由于吸附态瓦斯的存在，煤体与瓦斯相互作用使煤体的物理力学性质变得非常复杂，不仅使含瓦斯煤体物理力学性质发生了变化，还将导致煤层中地应力场和瓦斯压力场发生变化。为了从理论上描述煤体的吸附特性，众多学者 8，9从动力学、热力学理论和位能理论三方面对瓦斯的吸附建立了相关的模型。1)单组分气体吸附模型 最著名的是法国化学家Langmuir在基于吸附剂表面是均匀的，吸附分子间无相互作用；吸附式单分子层的定位吸附的假设上，推导得出的固体表面单分子吸附状态方程。此外，Brunauer、Emment、Teller8等三人在单分子层吸附理论的基础上，提出了多分子层吸附理论。Rubinin和Radushkevich9提出的吸附势理论模型在煤储层吸附研究中也有一定的作用，进一步细化了瓦斯吸附理论。针对以上几种模型在煤吸附气体的运用，崔永君10研究了不同温度下煤吸附甲烷，并用各种模型进行拟合。C.r.Clarkson11等曾用四种不同吸附模型描述煤吸附甲烷过程。2)多组分气体吸附模型对于煤层中的多组分气体（以甲烷为主）的吸附，目前应用较多的多组分吸附模型有 Extended-Langmuir方程（修正的Langmuir方程，简称E-L方程）、Ideal Adsorded Solution理论（理想吸附溶液理论，简称IAS理论）、BET多组分气体吸附模型、扩展的吸附势理论以及其它吸附模型等。（2）煤的吸附膨胀机理周世宁、林柏泉等4提出煤体发生膨胀变形主要是瓦斯压力驱使瓦斯分子进入了煤中裂隙或孔隙空间乃至煤体胶粒内部，使更多的吸着层楔开了与瓦斯分子直径大小相近的微孔隙或微裂隙，以及吸附瓦斯表面张力共同作用的结果。何学秋等12根据表面物理化学理论，提出当煤吸附瓦斯后，裂隙表面的吸引能发生了变化。苏现波等13将吸附势理论应用于煤层瓦斯的吸附-解吸过程，解释了吸附-解吸变形的现象。桑树勋等14，15探讨了煤吸附气体的固气作用机理。Karacan16，17的研究结果表明，含瓦斯煤体由于瓦斯的存在产生了一定的自由体积，从而使煤宏观自由分子结构可以在实验阶段内发生驰豫或膨胀。Gao等18提出煤体发生吸附膨胀是由于煤体的玻璃质宏观分子结构中气体分子扩散、溶解，然后膨胀，接着发生高度相关的煤分子调配。1.2.2 吸附膨胀实验研究现状（1）吸附膨胀变形试验周世宁、林柏泉等4，19的试验研究表明，煤样吸附气体会发生膨胀变形，这种膨胀变形服从 Langmuir 方程。煤炭科学研究总院抚顺分院6试验测定了煤体在吸附甲烷和二氧化碳时的吸附变形量，并借助刚性测力计测定了在单向受制约条件下的吸附变形力。方志明、李小春等20提出了能同时测量吸附量、变形和渗透系数的试验装置，并取得良好的效果。孙维吉21对煤体吸附气体的研究表明，不同类型的煤吸附甲烷后膨胀变形量不同，吸附甲烷膨胀变形达到最大变形量所需要的时间不同，同时，提出了可以通过测量煤吸附甲烷后吸附变形达到最大变形量所需要的时间来辨识煤的突出危险性。张遂安、叶建平等22从物理化学和界面化学以及现代煤层气吸附理论的角度提出煤对气体分子的物理吸附特性决定了吸附与解吸的可逆性，同时，解吸过程又会不同程度低滞后于吸附。（2） 吸附膨胀效应的影响因素1）应力 唐巨鹏等23在进行三维应力作用下煤层气吸附解吸特性试验研究得出，加载过程中解吸量、解吸时间均与孔隙压力呈抛物线关系变化；卸载过程中随轴压减小，解吸量增加，解吸时间减少；同样荷载条件下，加载时解吸量大于卸载解吸量。吴世跃、赵文24进行了含吸附煤层气煤的有效应力分析，分析表明裂隙中自由气体的压力对煤层中的状态影响很小，在煤层内部吸附膨胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律。2)煤体结构（煤阶）崔永君10进行了不同煤级对CH4、N2和 CO2单组份气体的吸附试验。张小东等25对煤体破坏严重的糜棱煤和原生结构煤的岩石学组成、吸附性和孔隙行测试表明，煤体破坏后，吸附、解吸能力增大。苏现波等26分析煤阶对煤的吸附能力的影响，得出随着煤阶的增高，煤的吸附能力先后经历快速增加阶段、缓慢增加阶段、达到极大值阶段和降低阶段。3)含水率桑树勋等27研究了液态水对煤吸附甲烷的影响。结果表明，储存条件下煤层中的液态水对煤基质吸附气体存在显著影响，液态水可以使煤基质吸附气体的能力提升，吸附规律更符合 Langmuir 模型。潘一山等28利用核磁共振成像技术进行了煤层中气水两相运移的试验研究。（3）吸附膨胀变形模型吴世跃、赵文等29基于所提出的孔隙介质截面吸附润湿长度概念和孔隙结构模型、表面物理化学及弹性力学原理，导出了吸附膨胀应力和应变理论计算公式。周军平、鲜学福等30基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理，建立了计算煤岩吸附气体引起的吸附膨胀应变的理论模型。张先敏31基于表面物理化学原理，提出了考虑应变与煤基质收缩耦合影响的孔隙度和渗透理论模型。此外，还有不少学者从煤层气开发的角度，研究了多组分气体的吸附变形特征，如潘哲军等32分析煤的膨胀和收缩在二氧化碳增产煤层甲烷过程中的影响；Goodman 等32研究了CO2吸附和扩散机制引起的煤结构变化；Majewska 和Zietek33利用声发射技术监测 CO2和CH4混合气体与煤基质间的相互作用效应，研究指出在进行煤层气预测和CO2储存时应当考虑煤体膨胀效应。1.2.3 基于吸附作用的煤层瓦斯运移研究现状林柏泉和周世宁34共同探讨了地应力对煤样透气性、变形之间的相互关系，以及瓦斯的赋存及其流动规律。孙培德35通过变化围压与孔隙压力的作用，进行含瓦斯煤体的三轴压缩试验，系统地研究了含瓦斯煤体在变形过程中渗透率的变化规律。鲜学福等36,37共同探讨了电场、应力场以及温度场等对瓦斯渗流特性的影响。尹光志38,39研究了瓦斯压力及型煤应变对含瓦斯煤中瓦斯渗流影响。肖晓春、潘一山40对低渗煤样进行滑脱试验，研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应以及气体渗透率的影响。彭永伟41研究表明，煤样渗透率对围压敏感性存在着尺度效应，即小尺度煤样在围压加卸载条件下的渗透率变化比大尺度煤样更为敏感。国外学者如J. R. E.Enever 等得到煤体有效应力与渗透率间影响规律，C.R.McKee等42开展了应力、煤体孔隙度和渗透率间关系研究，Sommerton W J等43研究了应力对煤体渗流特性的影响。孙维吉22研究煤对瓦斯的吸附作用表明，不同加载方向和长时间加载作用对渗透率影响明显，均不利于改善煤的渗透性能。隆清明等44实验得出了瓦斯渗流由于吸附作用的影响，吸附性能越强对渗透率的影响越大，不同吸附性能的气体吸附性能越强，对渗透率的影响越大；渗透率随瓦斯压力的增加和瓦斯含量的增大而减小。李祥春等45在考虑煤骨架吸附变形特性的情况下研究了煤吸附膨胀变形与孔隙率、渗透率关系。赵阳升等46研究了气体吸附作用和变形作用对渗流有重要影响，吸附作用表现为渗透系数随孔隙压力呈负幂函数规律变化，变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化，吸附与变形共同作用的结果。周军平47进行了恒定有效应力、不同气体压力条件下，煤岩吸附纯CO2、CH4、N2以及不同配比的CO2/N2混合气体对渗透特性影响的试验研究。1.3 本论文的主要内容本论文的主要研究内容如下：（1）研究煤体吸附瓦斯的机理。（2）研究煤体吸附瓦斯变形实验方法。（3）原煤吸附瓦斯变形规律研究。（4）型煤吸附瓦斯变形规律研究。采用煤层气高压吸附解吸装置对试验煤样进行吸附试验，并对试验数据进行拟合，分型煤横向变形量与压力关系型煤纵向变形量与压力关系型煤横向变形量与时间关 系型煤纵向变形量与时间关系查阅文献收集资料制定试验方案型煤吸附变形原煤吸附变形试验材料制备试验设备准备原煤横向变形量与压力关系原煤纵向变形量与压力关系原煤横向变形量与时间关系原煤纵向变形量与时间关系原煤吸附变形试验原煤和型煤吸附瓦斯过程中煤体变形规律图1-1 技术路线框图Fig.1-1 The technical route chart别研究在不同吸附气体压力、抽真空与不抽真空条件下，原煤和型煤吸附瓦斯的变形规律。对比原煤和型煤在吸附瓦斯过程中煤体变形规律的区别与联系。主要内容包括：原煤在抽真空条件下，煤体变形量随时间的变化规律；原煤在不抽真空条件下，煤体变形量随时间的变化规律；型煤在抽真空条件下，煤体变形量随时间的变化规律；型煤在不抽真空条件下，煤体变形量随时间的变化规律。1.4 本论文的技术路线本文通过查阅资料、试验室试验以及理论分析的研究方法，实时监测记录试验数据，通过对实验数据进行整合、处理、绘图和分析，分别得到原煤和型煤吸附瓦斯的横向、纵向变形量与瓦斯气体压力，试验时间，试验温度等条件的关系，进而探究原煤和型煤在吸附瓦斯变形时的区别与联系。技术路线框图见图1-1。 2 煤吸附理论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.吸附作用实际是吸附剂对吸附质质点的吸引作用。吸附剂所以具有吸附性质，是因为分布在表面的质点同内部的质点所处的情况不同。内部的质点同周围各个方面的相邻的质点都有联系，因而它们之间的一切作用力都互相平衡，而表面上的质点，表面以上的作用力没有达到平衡而保留有自由的力场，借这种力场，物质的表面层就能够把同它接触的液体或气体的质点吸住，它是固体表面最重要的性质之一。经过两个多世纪的发展，吸附研究取得了重大成果，包括吸附过程、特征、机理、模型等，研究成果也主要应用于化学、化工及相关领域，伴随吸附应用领域的不断深入和扩大，吸附研究也在不断发展和完善。但是在煤层气领域，煤吸附气体研究仍处于初级阶段。国内外学者大量研究表明：吸附态瓦斯以物理吸附的形式分布于煤体裂隙、大块和块体表面、微裂隙和微孔隙的表面。由于吸附态瓦斯的存在，煤体与瓦斯相互作用使煤体的物理力学性质变得非常复杂，不仅使含瓦斯煤体本身力学性质发生了变化，还将导致煤层中地应力场和瓦斯压力场发生变化。2.1 煤吸附瓦斯机理吸附的定义是指一种组分或多种组分在相界面处的富集或贫化现象。如果界面两侧分别为气体和固体，我们称其为气体固体吸附。吸附现象的发生是由于界面处的异相分子之间的作用力与同相分子之间的作用力不等，从而就存在了自由力场。瓦斯在煤体中的储存方式主要分为游离、吸附、吸收三种状态。游离态瓦斯是指主要存在于相对比较大的孔隙和裂隙之中的瓦斯分子,吸附态瓦斯主要存在于煤体骨架的表面,吸收态瓦斯则是指类似于溶解态存在于煤体之中的瓦斯。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。煤体内部C原子的四个自由电子与周围C原子形成CC共价键，此时的C原子处于平衡状态，而煤体内部存在着孔隙和裂隙，此时内部的甲烷分子属于游离态分子。然而煤表面的原子它们至少有一侧是空的，也就是说它们的价力尚未达到完全饱和程度，因而煤具有了表面自由能并出现受力不平衡的情况，那么在其表面就会产生一种力场。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。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，瓦斯气体分子的热运动越剧烈,其动能越高, 吸附瓦斯分子获得能量发生脱附可能性越大。当瓦斯压力增大时, 瓦斯气体分子撞击煤体孔隙表面的机率增加, 吸附速度加快, 瓦斯气体分子在煤孔隙表面上排列的稠密度增加。吸附量与瓦斯压力的关系(吸附等温线), 一般可用朗格缪尔方程式计算。2.2 煤吸附瓦斯影响因素煤对于CH4的吸附性是由于分子间存在的范德华力在煤内部和表面分布不均匀所造成的，煤的吸附性主要与煤吸附气体时所处的环境、煤的内部结构、被吸附气体的种类等因素有关。由于煤吸附气体的过程是在煤内部持续进行的，因此吸附过程中所处的环境条件成为影响吸附过程的最主要因素，例如吸附过程的环境温度、吸附气体的压力大小等。另外随着时间的推移，以及煤内部自身结构的不同，也影响着煤体吸附瓦斯量、及煤体变形大小的不同。2.2.1 温度对煤吸附瓦斯的影响外界温度的变化会引起瓦斯气体分子热运动剧烈程度的变化。温度升高时, 瓦斯气体分子能量升高，热运动速率加剧，因而其扩散能力增加，瓦斯气体分子在煤孔隙表面停留时间缩短，因而吸附能力下降。温度降低时情况相反，即瓦斯气体分子能量下降，热运动速率降低，因而扩散能力下降，瓦斯气体分子在煤孔隙表面停留时间增长，因而吸附能力增强。大量吸附试验表明，温度对于气体吸附量的规律为：吸附过程是放热过程，温度越高，压力常数b越小，气体的吸附量越小，因此可以看出温度升高对于吸附的气体具有脱附作用，温度升高，气体分子获得较多的动能，气体分子变的更加活跃，气体由吸附态分子转化为游离态分子，吸附气减少而游离气增加（如图2-1所示）。T1T2T2T1温度T/吸附瓦斯量/(m3/t)图2-1 CH4吸附量随温度的变化趋势Fig.2-1 trend of CH4 adsorption quantity by temperature changingE.D. Thimons等建立了一个经验方程，若已知30时煤对于瓦斯气体的吸附量，则可以通过下式得到其他温度下的瓦斯吸附量：=/ （2.1）式中：温度为t时干煤样对CH4的吸附量；温度为30时干煤样对CH4的吸附量；、该温度下的温度系数指数。大量实验结果表明，温度每升高1时，煤吸附CH4的能力约降低8%，原因是温度的升高使吸附的CH4分子获得更多动能，变得更加活跃，更易于从煤体表面脱附出来，由吸附态分子变为游离态分子，而原本游离的CH4动能增加，活性增大，更加不易于被煤体表面吸附。2.2.2 压力对煤吸附瓦斯的影响图2-2为0.2 ，0.4 ，0 .6MPa吸附压力条件下的煤体膨胀变形曲线。纵向的变形大于横向的变形量。向密闭吸附罐注入甲烷气体后, 在气体压力作用下, 煤基质内部分子间距减小，但其减小量很小；吸附甲烷气体后煤基质孔隙表面能下降，孔隙表面层膨胀, 且膨胀量较大, 总体表现为膨胀，当煤基质的膨胀受限时，煤基质内产生膨胀应力，煤基质向外膨胀，发生膨胀变形。图2-2 等梯度加压吸附膨胀变形曲线Fig.2-2 Inflation deformation curves of increasing pressure adsorption图2-3为不同压强下纵向、横向煤体吸附变形量与时间的关系曲线图。（a） 纵向（b）横向图2-3 不同压强下纵向、横向吸附变形与时间关系曲线Fig.2-3 Relationship between longitudinal and horizontal adsorption deformation and time由图2-3可知，膨胀变形量随时间的增加不断增加，而增加速率逐渐减小，变形量最终趋于一个稳定值。吸附膨胀变形过程基本分为3个阶段：快速增长阶段、缓慢增长阶段和平衡阶段。在快速增长阶段，由于煤体外部的高瓦斯压力梯度和高瓦斯浓度梯度，使甲烷分子以渗透和扩散的方式进人，和煤分子结合，随着大量的甲烷分子进人裂隙、孔隙，煤的孔隙体积增大，煤发生吸附膨胀变形；随着吸附时间的增加，吸附饱和程度不断增加，瓦斯浓度梯度与瓦斯压力梯度迅速降低，使的得脱离煤分子的甲烷分子数量相等时，吸附达到平衡。由大量实验得知：不同煤样在4组压力下的瓦斯平衡吸附量与压力的关系曲线，如图2-4。图2-4 极限吸附量与压力的关系曲线Fig2-4 Limit the amount of adsorption and pressure curve由图2-4可知，同粒径煤样，初始瓦斯压力越高时，极限吸附量越大；初始瓦斯压力越大时，煤样罐内单位体积的瓦斯分子数越多，碰撞在煤体表面的分子数就越多，瓦斯分子在煤体表面所占据的吸附位就越多，排列的更加稠密，吸附量就越大；瓦斯初压越大时，煤体表面的瓦斯压力梯度或浓度梯度也就越大，瓦斯分子就能获得更大的驱动力往煤体内部渗流或扩散，被吸附的瓦斯也就越多。因此，初始瓦斯压力越大，极限吸附量就越大。由图2.4还可以得知，同一压力点下，粒度对煤样的极限吸附量的影响没有显现出明显的规律，所以在后续的研究中，可以进行多种粒度煤样的吸附实验，去探究煤样粒度大小与极限吸附量的关系。2.2.3 时间对煤吸附瓦斯的影响如图2-5是由大量实验测得的不同煤样在4组压力下吸附速率随时间变化的实测曲线图。图2-5 煤样吸附速率随时间变化曲线Fig2-5 Coal adsorption rate versus time由图2-5可知，同种煤样，在同种吸附气体压力的状态下，吸附的初始阶段，吸附速率呈急衰减状降低，随后缓慢降低，逐渐趋于稳定；吸附过程中，瓦斯压力越大，吸附速率也就越大。由图瓦斯吸附的压力越大时，单位体积内瓦斯分子数越多，相应单位时间内撞击在煤体表面的瓦斯分子数也就越多，那么单位时间内被煤体吸附的瓦斯分子数也就越多；吸附压力越大时，瓦斯渗流或扩散的驱动力越大，同样可以使瓦斯分子更快的进入煤体。因而初始瓦斯压力越大，吸附速率越大。2.2.4 抽真空对煤吸附瓦斯的影响抽真空的目的是为了使煤试样中的空气和水分等排尽，尽量减小实验误差。煤体在吸附瓦斯时产生变形的微量性使得在试验过程中应尽量减小环境和设备带来的误差。经试验研究发现，原煤和型煤在抽真空过程中都会产生相应的变形量。抽真空时原煤、型煤应变与时间的关系图如图2-6。（a）原煤（b）型煤图2-6 抽真空段煤试样应变对比图Fig.2-6 Vacuum stage coal sample strain comparison chart如图2-6，表示煤体纵向应变，表示煤体横向应变。研究表明，抽真空对原煤煤体变形影响较小，对型煤煤体变形影响较大。这是由于原煤煤体内虽然富含大量空隙、裂隙，但是煤体内部致密，煤块内部骨架结构十分稳定，而且煤体内部并没有能够连通整个煤体的空隙，空气和水分主要存在于大孔隙、裂隙中。然而型煤的煤体内只有中孔及以下空隙，由文献可知，煤体中孔及以上空隙是最易产生变形的。因此型煤内能够发生气体渗透的通道多于原煤，型煤煤体的内部结构稳定性低于原煤。故而在抽真空时，型煤发生的变形量比原煤大。 2.3 二维吸附膜模型 此类模型是从吸附引起固气界面能的降低出发，考查单位表面上的吸附量与平衡压力的关系。气体在固体表面形成二维吸附膜，将不同的膜状态与 Gibbs 吸附公式结合，得到一系列的吸附等温式见表 2-1。表2-1 不同膜状态方程和 Gibbs 吸附公式导出的吸附等温式 Tab. 2-1 Different membrane equations of state and absorption isotherm by Gibbs absorption equation 定律名称状态方程吸附等温式条件Henry定律低压Volmer方程高压表中：表面压或二维压力；表面积；吸附质面积；气体摩尔常数；温度；吸附量；平衡压力；,常数。2.3.1 Langmuir单分子层吸附模型 Langmuir吸附模型的基本假设，吸附剂表面是均匀的，吸附分子间无相互作用；吸附式单分子层定位吸附。该理论认为气体在固体表面的吸附作用可看作是气相中的分子连续与表面碰撞，碰撞于裸露的空白表面上被短时间滞留，碰撞到滞留于表面上的气体分子则为弹性碰撞，又还回相。由于气体分子在固体表面上可以停留一段时间，因而表面浓度与气体相中的不同。显然，气体分子在表面停留的分子数取决于分子吸附停留时间和碰撞到表面上的分子数。设在完全裸露的空白表面上，单位时间内碰撞到单位表面上的气体分子数为，吸附停留时间为，则单位面上吸附的气体分子数。其中吸附停留时间与吸附热和温度有关： （2.1）式中，为吸附态分子的振动时间，它与吸附剂的表面结构有关。以表示铺满1m2表面单分子层的气体分子数，固体表面可容纳气体分子碰撞并被吸附的空白位置数为。即为吸附量为时的表面覆盖度。设气体分子只要碰撞到空白位置即可被吸附，则有： （2.2）即 （2.3）将代入式（2.3），并令，可得 （2.4）2.3.2 Freundlich吸附模型在前人研究中，发现Langmuir等温式不能描述某些理论和实际问题的吸附体系。因此，发展了另一吸附等温式Freundlich吸附等温式。其表达式见2.5。或 （2.5）式中：吸附量；气体压力；，常数。2.3.3 BET多分子层吸附模型 BET多分子层吸附模型实质上是对Langmuir单分子层吸附模型的扩充。Langmuir模型认为吸附的气体分子的蒸发速率与在空白表面上气体的吸附速率相等。BET模型略加扩充，认为从每一连续层上的蒸发速率等于在前一层上的凝聚速率。BET模型保留了Langmuir模型中吸附热是常数的假设，补充了三条假设，一是吸附可以是多分子层的，并且不一定完全铺满单层后再铺第二层；二是第一层的吸附热为一定值，但与以后各层的吸附热不同，第二层以上的吸附热为相同的定值，即为吸附质的液化热；三是吸附质的吸附与脱附只发生在直接暴露气相的表面上。BET公式为： （2.6）式中，吸附平衡压力，MPa；吸附温度时的饱和蒸汽压，MPa；吸附平衡时吸附量，m3/t；单分子饱和吸附量，m3/t；吸附常数。2.4 本章小结本章总结了煤体吸附瓦斯变形的影响因素，包括吸附过程的环境温度、吸附气体的压力大小、吸附量与时间的关系以及是否抽真空对瓦斯吸附量关系的影响。另外总结了煤体吸附理论模型，如煤的二维吸附膜模型、Langmuir单分子层吸附模型、Freundlich吸附模型、BET多分子层吸附模型、D-R吸附模型等物理吸附理论模型等，并结合煤层气高压吸附解吸装置试验分析了各吸附模型。3 煤吸附瓦斯变形试验3.1 实验方案影响煤变形的主要因素首先是煤本身的因素的影响,即内因。例如,煤结构构造、矿物成分、容重、孔隙度及含水率、风化程度等。其次是实验方法与物理环境的影响.即外因。如试件的尺寸、形状、周围的温度等。除此之外煤承载的气体压力、加载速率和流体性质也是影响煤变形的重要因素。恒定荷载吸附是指首先将调为吸附试验初始气体压力P0，并使煤样对N2进行吸附至平衡后,然后将吸附解吸室内初始气体压力降为0MPa，进行解吸。待解吸平衡后，调节吸附解吸室内气体压力，使气体压力比上一组增加P2，继续吸附试验。重复以上步骤，是每次吸附试验的气体压力都比上组髙P2，直至压强增至P(P=P0+nP2)实验结束。其中每次吸附后的解吸为恒定荷载解吸。实验内容如表3-1所示3-1 实验内容Tab. 3-1 Experimental contents试验名称试验内容恒定荷载抽真空吸附试验0.51.01.5恒定荷载不抽真空吸附试验0.51.01.53.2 实验设备本试验使用的试验装置为煤层气高压吸附解吸变形装置。该试验装置包括高压供气子系统、高压吸附/解吸子系统(高压吸附/解吸室)、压力调节与控制子系统、抽真空子系统和数据釆集与记录子系统，实验装置原理图如图3-1。实验测试现场如图3-2。图3-1 实验装置原理图Fig. 3-1 Schematic experimental setup图3-2 试验测试现场Fig. 3-2 Experimental site（1）高压供气子系统高压供气子系统是由高压气瓶、压力控制阀、高压管线和高精度压力表组成。其中,高压气瓶内装有初始压力为15 MPa，纯度为99.999%的N2，在整个试验过程中供气压力均满足实验要求。压力控制阀用于显示和控制进气端与出气端压强以保证高压吸附/解析装置内压强达到试验要求。高压管线用于高压气瓶、压力控制阀、以及高压吸附/解析室之间的连接。高精度压力表的精度为0.001。（2）高压吸附/解吸子系统(高压吸附/解吸室)高压吸附/解吸子系统（如图3-3）由高压吸附/解吸室和吸附解/吸变形信号传输结构组成。高压吸附解吸室为2组，每组吸附解吸室所能承受的高压压力均大于10MPa，且2组高压吸附解吸室的体积及结构完全相同，在高压吸附解吸室的顶部有吸附解吸变形信号传输结构，所起作用是将吸附解吸室内的试验煤样的变形信号传输给数据釆集仪，是数据采集仪和煤样变形信号的纽带。1密封室,2应变片,3导线,4接线柱,5管线接口,6阀门,7真空泵接口,8“0”型圈图3-3 吸附解吸室装置Fig. 3-3 Device sketch of adsorption and desorption chamber(3)压力调节与控制子系统压力调节与控制子系统由减压调压阀(如图3-4)、高精度电子压力表、六通阀和高压管线组成。图3-4 减压调压阀Fig. 3-4 Pressure regulator(4)抽真空子系统抽真空子系统是由真空泵（如图3-5）、高压胶管两部分组成。试验使用的真空泵为2XZ-4旋叶真空泵，可以使高压吸附/解吸室中压强达到近真空状态。(5)数据釆集与记录子系统数据采集与记录子系统由动态数据采集仪（如图3-6）和计算机两部分组成。通过动态数据采集仪将煤样吸附/解吸过程中的煤体的应变实时采集并传输给计算机，由计算机进行实时记录。整个试验系统是由原煤和型煤两组吸附解吸系统组成，同步进行试验。其中系统的气密性、吸附/解吸室中气体压力的稳定性对试验至关重要。实验装置解决了在保证气密性的同时,还解决了将试样的变形信号传输至数据采集仪的难题,保证了实验数据的真实性与可靠性。图3-5 真空泵Fig. 3-5 Vacuum pump图3-6 动态数据采集仪Fig3-6 Dynamic data logger3.3 试样制作和实验装置本试验采用的煤样由沙曲矿中开采，试验样品分为原煤和型煤两种煤样。实验煤样的制作过程如下：（1）原煤试件制备选取裂隙少、层理清晰的沙曲矿煤，在实验室中使用岩石切割机（如图3-7所示）将煤样切制成较大块的煤样，切割时保证煤样的长度方向为横向，高度方向为纵向。再使用岩石取芯机（如图3-8所示）加工成规格为长100mm，直径为50mm的圆柱形原煤煤样（如图3-10所示），然后用磨平机磨平切割好的试样断面。（2）型煤试件制备制作型煤试件时首先要将沙曲矿中采集的大块煤用粉碎机粉碎，再用筛子筛出60目的煤粉颗粒（如图3-9所示），将筛出的煤粉颗粒放水的容器中保存。然后将251.2g的煤粉与少量80目分样筛筛出的松香混合均匀。其次将模型内部用石蜡打磨光滑，将型煤模具放在MH-25实验机（如图3-11所示）上，再将混合好的煤粉倒入磨具内进行单轴压缩，制成规格为高度100.2cm的圆柱形型煤煤样（如图3-10所示），倒入煤粉时要注意不断排出模型内空气。煤样的具体参数见表3-2。图3-7 岩石切割机Fig. 3-7 Rock cutting machine图3-8 岩石取芯机Fig.3-8 Rock coring machine （a）机械破碎后的煤 （b）筛选后的煤粉图3-9 煤粉颗粒Fig. 3-9 Coal particles 图3-10 原煤（左）和型煤（右）煤样Fig. 3-10 Coal (left) and coal (right) coal表3-2 煤样基本参数Tab.3-2 Coal samples parameters煤样直径/mm高/mm原煤49.66100.77型煤54.36106.82图3-11 MH-25实验机Fig 3-11 MH-25 experimental aircraft（3）应变片粘贴首先，将原煤和型煤试样表面由于切煤和磨煤产生的煤粉、碎屑等杂物用酒精擦拭干净，防止应变片由于煤粉残留而粘贴不牢固。其次将应变片分别用502粘合剂粘贴在试样的两个相对表面上，每个表面贴两个应变片，应变片粘贴方向分别为横向和纵向，两个应变片呈“T”字形粘贴（如图3-12所示），每个应变片的电阻为120。然后将不同表面上的纵向的两个应变片用导线串联焊接为一组，将不同表面上的横向的两个应变片用导线串联焊接为另一组。最后，用万用表测量两组应变片的阻值是否为两应变片阻值之和，即240，以此判断应变片的连接是否正确。图3-12 “T”字应变片Fig 3-12 T strain gauge3.4 试验方法3.4.1 试验气体的选择瓦斯突出事故是煤矿生产中最严重、最危险的灾害之一。而CH4是瓦斯气体的主要组成部分，研究煤体吸附瓦斯的变形规律，对进一步了解掌握煤层瓦斯运移规律，回收瓦斯气体作为清洁能源，指导煤层气抽采和瓦斯灾害防治具有十分重要的意义。但是由于煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源，因此在试验操作过程中也极易产生爆炸。另外若将煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在实验过程中，如果操作不当极易造成爆炸或者泄露。因此，我们选用比较安全的N2作为试验气体，以此模拟煤体吸附瓦斯气体的变形试验。3.4.2 实验步骤（1）抽真空吸附试验在A吸附解吸室中放置原煤，在吸附解吸室中放置型煤。吸附压力步长设置为0.5MPa、1MPa、1.5MPa。具体的试验步骤如下：1）首先将试验装置用高压管线连接，然后测试装置的气密性。打开高压气瓶，打开六通阀与吸附解吸室相连的所有阀门，调节调压阀，将吸附解吸室压力调节至5MPa，然后关闭压力表之前的阀门。此时记录下压力表的读数，将试验装置静止4个小时后，如果压力表读数未发生改变，则该装置气密性良好。2）气密性检查完毕后，将原煤和型煤试件分别放入吸附解吸室中，调节试样与数据采集仪相连接，调试数据采集仪后开始记录煤体变形试验数据。3）抽真空关闭试验系统所有阀门，打开真空泵与2组吸附解吸室之间的控制阀门，使真空泵开始对2组吸附解吸室及试验抽真空。抽真空过程持续24小时，关闭阀门，记录抽真空结束时的时间和各通道的数值。4）打开所有进气阀门，缓慢调节调压阀，使吸附解吸室内压力达到试验初始压力值0.5MPa并始终稳定在0.5MPa，直至煤样达到吸附平衡。5）重复上述步骤3）、4），每一次吸附室内的压力均比前一次增加0.5MPa，当吸附解吸室内气体压力达到1.5MPa后，结束试验。6）整个试验过程中，数据采集仪一直记录煤体的变形时间与变形量。（2）不抽真空吸附试验在A吸附解吸室中放置原煤，在吸附解吸室中放置型煤。吸附压力步长设置为0.5MPa、1MPa、1.5MPa。具体的试验步骤如下：1）首先将试验装置用高压管线连接，然后测试装置的气密性。打开高压气瓶，打开六通阀与吸附解吸室相连的所有阀门，调节调压阀，将吸附室压力调节至5MPa，然后关闭压力表之前的阀门。此时记录下压力表的读数，将试验装置静止4个小时后，如果压力表读数未发生改变，则该装置气密性良好。2）气密性检查完毕后，将原煤和型煤试件分别放入吸附室中，调节试样与数据采集仪相连接，调试数据采集仪后开始记录煤体变形试验数据。3）打开所有进气阀门，缓慢调节调压阀，使吸附室内压力达到试验初始压力值0.5MPa并始终稳定在0.5MPa，直至煤样达到吸附平衡。4）重复上述步骤3），每