简论吸附高温高压三相介质煤吸附瓦斯机理和吸附模型科技

摘要：我国是一个缺油少气富煤的国家，煤炭是主要能源，深部煤炭及煤层气资源储量丰富。瓦斯（煤层气）与煤同生共体，主要以吸附态有着，煤的吸附能力是影响煤层含气量的关键因素之一。煤及煤储层的吸附实质上是一定温压条件下固、气、液三相介质耦合作用的结果，深部煤层三相介质条件的变化，对煤吸附瓦斯的制约机理还不明确。针对深部煤层开采所面对的瓦斯灾害防治不足，论文探讨在借鉴前人已有成果的基础上，基于煤岩学、瓦斯（煤层气）地质学、力学、物理化学及界面化学、统计热动力学、物理模拟和数值模拟等学科论述，浅析了深部煤层温度、压力以及固、液、气三相介质的变化特点，分别选用褐煤、气煤、焦煤和无烟煤作为探讨煤样，综合采取常规测试、孔隙结构测试和化学组成浅析等测试手段和策略，对不同含水率煤样、不同浓度比例的混合气体进行高温高压吸附实验，深入探讨了高温高压三相介质条件下煤吸附瓦斯的制约机理和吸附模型。论文探讨取得了以下主要进展：（1）基于煤孔隙表面的非均匀特点和非均匀固体的物理吸附论述，引入煤的分形维数，提出了煤的综合分形维数，建立了高温高压三相介质条件下煤吸附瓦斯的Fractal-Langmuir数学模型。与传统的Langmuir模型相比，新模型精度高，具有更普遍的论述作用。（2）对深部煤层的含水率进行了物理模拟和数值模拟，结果显示：在煤级相同的前提下，埋藏深度增加，煤层温度升高，煤层含水率减小，但到达一定埋藏深度后，温度因素可能不再对煤层含水率产生影响；建立了平衡水分含量与温度和煤级的综合数值模型。（3）高温高压平衡水条件下煤吸附瓦斯的实验结果显示，相同压力条件下，不同煤级，温度与水分对煤的吸附影响有着差别，温度对褐煤的吸附影响大于水分的影响；温度对焦煤的吸附影响小于水分的影响；而气煤和无烟煤体现为：30℃向40℃过渡时，温度的影响小于水分的影响；40℃向50℃过渡时，温度的影响大于水分的影响。（4）对深部煤层进行等温吸附实验探讨时，应该选用与模拟深度相对应的温度下平衡水含量的煤样；最高实验验压力宜设置为煤层实际压力的

1.2倍。关键词：深部煤层论文高温高压论文瓦斯论文吸附论文分形论文吸附模型论文

致谢4-5

摘要5-6

ABSTRACT6-12

1 引言12-32

1.1 探讨背景及作用12-13

1.2 国内外探讨近况13-23

1.2.1 吸附论述及模型探讨13-16

1.2.2 煤吸附影响因素的探讨16-21

1.2.3 多元气体的吸附21-22

1.2.4 高温高压（超临界）条件等温吸附探讨22-23

1.3 有着的不足23-24

1.4 探讨内容与探讨目标24-25

1.4.1 主要探讨内容24-25

1.4.2 探讨目标25

1.5 探讨策略与技术路线25-27

1.6 煤样采集的地质背景与基础参数测试浅析27-32

1.6.1 煤样的地质背景27-31

1.6.2 煤样的基础参数测试浅析31-32

2 深部煤层温度与压力及瓦斯组分变化特点及预测32-48

2.1 深部煤层温度变化特点及预测32-39

2.1.1 中国地温梯度变化探讨近况浅析33-35

2.1.2 深部煤层温度预测35-39

2.2 深部煤层压力变化特点及预测39-42

2.2.1 中国煤储层压力分布特点浅析39-41

2.2.2 深部煤层储层压力预测41-42

2.3 深部煤层瓦斯成分组成变化特点42-46

2.3.1 中国煤层瓦斯风化带变化特点42-43

2.3.2 煤层瓦斯成分与埋藏深度的统计浅析43-46

2.4 小结46-48

3 煤的孔隙性及其分形探讨48-80

3.1 煤的孔隙性实验原理48-53

3.1.1 煤的孔隙性基本探讨策略48-52

3.1.2 压汞法原理52-53

3.1.3 液氮吸附法原理53

3.2 压汞实验53-59

3.2.1 实验样品与实验条件53-54

3.2.2 压汞回线浅析54-55

3.2.3 孔隙结构参数及分布特点55-59

3.3 液氮吸附实验59-63

3.3.1 实验样品与实验条件59

3.3.2 吸附回线浅析59-60

3.3.3 孔隙结构参数及分布特点60-63

3.4 煤的孔隙分形探讨63-78

3.4.1 压汞法探讨煤的孔隙分形63-70

3.4.2 液氮吸附法探讨煤的孔隙分形70-75

3.4.3 煤的综合分形维数及其变化规律75-78

3.5 小结78-80

4 深部煤层含水率物理模拟与数值模拟80-94

4.1 深部煤层含水率物理模拟80-87

4.1.1 不同温度下平衡水实验条件80-81

4.1.2 不同温度下平衡水实验结果81-83

4.1.3 实验数据变异指标浅析83-84

4.1.4 平衡水分的参数估计与检测设检验84-87

4.2 深部煤层含水率数值模拟87-92

4.2.1 平衡水分含量与煤级和温度之间的联系87-88

4.2.2 平衡水分含量与温度的数学统计联系88-90

4.2.3 平衡水分含量与煤级的数学统计联系90-91

4.2.4 平衡水分含量与温度和煤级的综合数值模型91-92

4.3 小结92-94

5 高温高压、不同含水率煤吸附瓦斯实验94-108

5.1 高温高压平衡水条件下煤吸附甲烷实验94-98

5.1.1 实验原理94-95

5.1.2 实验样品与实验条件95

5.1.3 实验结果95-98

5.2 高温高压平衡水条件下煤吸附三元混合气体实验98-101

5.2.1 实验样品与实验条件98

5.2.2 实验结果98-101

5.3 不同浓度的 CH4和 CO2二元混合气体吸附解吸实验101-107

5.3.1 实验样品与实验条件101-102

5.3.2 实验结果102-105

5.3.3 实验结果浅析105-107

5.4 小结107-108

6 基于煤非均匀性的 Fractal-Langmuir 吸附模型108-118

6.1 Fractal-Langmuir 吸附模型的论述推导108-112

6.1.1 均匀固体表面吸附（Langmuir 模型）覆盖度108-110

6.1.2 非均匀固体（分形吸附剂）表面吸附覆盖度110-111

6.1.3 Fractal-Langmuir 吸附模型的一般形式111-112

6.2 Fractal-Langmuir 吸附模型的参数确定112-115

6.2.1 吸附质分子的横截面积112-113

6.2.2 吸附剂的分形维数113

6.2.3 分形朗格缪尔体积和压力113-115

6.3 Fractal-Langmuir 吸附模型精度考察115-116

6.4 小结116-118

7 高温高压三相介质条件下煤吸附瓦斯机理118-132

7.1 压力对煤吸附性的制约作用118-122

7.1.1 吸附量随吸附压力的变化规律118-121

7.1.2 最高实验压力讨论浅析121-122

7.2 温度与水分对煤吸附性的制约作用122-124

7.3 温度、压力和水分对不同煤级煤的吸附性综合作用124

7.4 气体成分与煤吸附量的联系124-126

7.5 煤的物质组成与煤吸附量的联系126-127

7.6 煤的孔隙结构参数与煤吸附量的联系127-129

7.7 小结129-132

8 结论与展望132-136

8.1 结论132-134

8.2 本探讨的革新之处134

8.3 工作展望134-136