文摘
研究是具有重要意义的模式取代甲烷气体与水在煤层注水过程中瓦斯灾害的预防和控制。两阶段位移测试装置用于注水煤样进行实验取代甲烷气体在不同注水压力,和注水压力位移的影响进行了分析。试验结果表明,相同的位移,流离失所的甲烷的比例增加而增加注水压力。位移速率随注水压力的增加在不排水的阶段,而水驱替速率在不同注水压力略有不同;在以后的位移阶段,注水压力高的煤样导致更快的衰减的位移速率和水驱替速率由于甲烷含量的减少煤炭样本。有一个关键的注水压力取代甲烷气体。当超过临界注水压力、位移时间没有明显改变。流水可以取代大量的甲烷气体在煤、甲烷和位移速率增加而增加注水压力。甲烷在水中的溶解度高甲烷位移率高的原因。这项研究的结果可以提供理论指导煤层注水控制气体灾害。
1。介绍
气体是威胁煤矿安全生产危险来源。据统计,从2008年到2020年,中国煤矿瓦斯灾害造成的死亡人数占总死亡人数的33%的煤矿。煤矿瓦斯灾害是最致命的灾难,和煤炭和天然气爆发最严重类型的气体灾害(1]。煤炭和天然气的爆发是三个因素的共同作用的结果,即、天然气、地壳应力和煤的物理和机械性能2- - - - - -4]。因此,降低煤层的压力和改变煤与瓦斯解吸的物理和力学性能特征是控制煤与瓦斯爆发的有效方法。
煤层注水有各种改性对煤层的影响。润湿后,煤的物理力学参数,如单轴抗压强度、弹性模量、脆性、弹性能量积累和能力,降低,塑性增加(5- - - - - -9]。煤炭物理和力学性能的变化减少煤体内的应力集中在矿业面前10,11]。水进入煤层减少了气体解吸率和解吸能力通过阻止气体扩散和渗流通道(12,13]。许多学者认为煤层注水作为一种有效的措施防止煤与瓦斯爆发,这测量已广泛应用于许多国家(14- - - - - -17]。
研究表明,甲烷分子的替代煤表面的吸附水分子是一个放热过程,表明煤吸附水分子的能力强于吸附甲烷分子的能力(18]。大量实验证实,煤的身体注入的水可以取代吸附甲烷气体(19- - - - - -26]。在煤层注水的网站,有些潮湿的地区减少气体含量,和其他潮湿的地区煤体内瓦斯含量增加,和气体含量升高会增加气体的风险危害。这种现象,导致气体含量的分布的变化,被认为是由位移引起的甲烷气体的水(18,27]。然而,缺乏实验数据的支持。
水驱替煤层注水也有良好的作用。在天然气开采项目中,煤的性质有不同的吸附强度对不同的气体被用来代替弱吸附气体的强烈吸附气体在煤体内,这样弱吸附气体变得游离气体,然后从煤炭中提取的身体。因此,产量的增加可以通过注气,这是一个促进机制增强煤层气(ECBM)复苏28- - - - - -30.]。根据ECBM复苏的原则,煤层注水也可以用来提高天然气开采煤层瓦斯灾害的预防和控制。
上述分析表明,水位移可以伤害和帮助瓦斯灾害的预防和控制。理解气体驱替注水的模式将有利于科学和理性的排水量在工程中的应用。先前的研究在甲烷气体驱替煤层注水的只关注排水量的影响甲烷解吸模式,和固定体积的水被用于代表现场流水位移实验环境,这之间的差距扩大实验环境和现场环境。针对这一点,一个独立设计了两相位移测试装置被用来进行实验煤层注水取代甲烷气体在不同注水压力,取代甲烷气体的模式,分析了煤层注水。这项研究的结果可以提供理论指导煤层注水控制气体灾害。
2。材料和方法
2.1。煤炭样品制备
煤炭样本用于测试被从煤层II111我的平顶山天安煤矿有限公司,有限公司在平顶山城市,河南省。煤层二世1被确认为一个突出煤层。煤的物理参数进行了评估采用中国国家标准如表所示1。由于煤炭采样现场的柔软,煤块是用于测试。用破碎机粉碎收集煤,和标准筛用于屏蔽煤粉粒径的0.25 - -0.38毫米。然后,水是用作粘结剂混合前的力量均匀混合粉末置于一个煤球准备设备。最后,100 MPa的压力应用到压块设备准备30分钟,生产3煤样品直径50毫米和100毫米的长度。煤炭样本放在干燥箱60°C 24 h。
2.2。测试装置
两阶段位移测试装置如图1。测试设备包含一个吸附平衡系统,真空系统、温度控制系统、注水系统、加载系统和气体收集系统。吸附平衡系统包括一个吸附罐气体储罐,压力控制阀。压力控制阀的压力调节范围是0 - 2.5 MPa。真空系统包括一个真空泵和真空计。温度控制系统包括温度控制器和水的浴缸。注水系统包括一个恒定磁泵和单向阀门。的最大注水压力恒定磁泵是40 MPa。加载系统包括一个轴向液压加载装置和横向液压加载装置。气体收集系统包括一个气液分离和气体收集瓶气缸。
图2显示了一个简化模型煤层注水。水从洞里不断流入煤炭的身体压力。随着时间的增加注水,润湿半径继续扩张。水首先通过煤体注水区域附近,这附近煤体注水区域是长期的渗透。然而,时间的水达到煤的身体远离注水区域是长,和时间对煤的身体远离注水区域被水渗透是短暂的(27]。因此,煤的距离身体注水孔规定的时间长度的排水量气体在煤体内持续。流过的水煤时,水流的压力逐渐降低。因此,煤的身体湿润半径内的水在一个不同的渗流时间和注水压力。两阶段位移测试装置如图1控制压力和注水时间两端的煤样通过恒定磁泵和压力控制阀,可以用来模拟吸附甲烷的位移通过流水注水润湿半径内的不同区域。
2.3。测试过程
煤层注水驱替甲烷进行了测试在同样的吸附平衡压力,但不同注水压力。把煤的身体在一个稳定的吸附压力下,排气的压力(液体)结束在注水过程中等于煤样的吸附平衡压力。具体测试过程如下:(1)检查设备的密封性。煤样的纱布被两端防止煤碎片阻塞在注水过程中设备管道。煤炭样本横向涂上硅胶,干燥后用热收缩套管,放置在吸附罐。煤炭样品受到的轴向压力和围压8 MPa。高压氦气是注射检查设备是密封的(2)测量的自由空间体积。首先,钢柱直径50毫米和100毫米的长度被用来代替煤样品测量的体积管道两端的煤样和气体的总量储罐和管道连接。安装后煤样,煤样的自由空间体积测量使用氦气(3)气体吸附。甲烷的吸附气体的纯度为99.99%。首先,真空脱气在测试装置上实现了真空度不到10 Pa。完成除气后,气体储罐充满甲烷气体,气体储罐的和稳定的压力 。压力控制阀是调整,使其开启压力大于 。吸附罐的进气阀打开,这是与天然气储罐。吸附罐外的水浴的温度设置为20°C。第一组煤样的吸附时间是6小时。然后,每组煤样的吸附是吸附平衡压力时停止等于第一批煤的样品。体积的甲烷气体进入吸附罐是由下列方程表示: 在哪里是指煤样的吸附平衡压力,一个值为0.60 MPa;代表气体的总量储罐和管道连接,毫升;和代表试验箱的温度,K。(4)气体解吸。压力控制阀的开启压力很快就调整为0 MPa,和气体解吸试验开始。解吸试验停止时,天然气产量低于0.1 mL / min。在其他的研究中,作者进行了自然解吸试验的多个组的煤样在完全相同的条件下,和每组的煤的解吸数据样本略有不同。因此,只有煤的自然解吸试验样品的注水压力4 MPa是在本研究进行的。比较分析,转化为气体体积眠在标准状态 在哪里指解吸气体的体积在实验中记录,毫升;代表解吸气体的体积在标准状态下,毫升;代表了实验室空气压力,MPa;和饱和蒸汽压,MPa。(5)注水驱替。重复步骤(3)。当煤样的吸附平衡压力 ,吸附罐之间的阀门和天然气储罐被关闭,和压力控制阀的开启压力设置 。恒定磁泵开关后,7毫升蒸馏水的注入,然后关闭,气体在管道入口一端出院来减少影响天然气的管道。当吸附罐的气体压力下降 ,注水压力的恒定磁泵设置为4 MPa。恒定磁泵又打开了,注水时停止由吸附罐排出的气体的体积小于0.1 mL / min。阀门的进水口端吸附罐被关闭,压力控制阀的开启压力调整到0 MPa,和降压解吸进行煤样(6)设备清洗。煤炭样品拆卸,管道中的残留水清洗。然后,下一组测试后进行用一个新的取代煤炭样本
3所示。结果
3.1。水分含量的煤样
表2显示了煤的含水量的变化与蒸馏水甲烷位移测试后样品在不同注入压力。煤样的水分含量成正比的注水压力,但煤炭样品的水分含量的差异在不同注水压力很小。煤炭样本注入水在较长一段时间;煤炭样本完全湿,每个组煤样的含水量达到饱和状态。此时,注水压力影响不大的含水量煤样。
3.2。流离失所的甲烷的比例
流离失所的甲烷的数量每单位质量的煤样和流离失所的甲烷的比例表示。图3表明,随着注水压力的增加,流离失所的甲烷的比例增加。甲烷位移的增加率在不同注水压力增加位移时间慢慢减少。水从放电放电年底前吸附罐(没有水阶段放电),甲烷气体排放不断从卸料端。阶段没有水的甲烷气体排放主要来自于自由气体在煤样的孔隙和裂缝和管道排放煤炭样本。当水进入煤炭样本的一端煤炭样本,它挤压自由气体在孔隙和裂缝,这样气体压力的前端增加水流。气体压力梯度生成的煤样,导致甲烷气体渗透水流的方向。水流速越大,压力梯度越大产生的气体在煤样例中,和大体积的气体放电放电结束。水流速与注水压力呈正相关。因此,注水压力越大,体积越大阶段没有水的排放气体放电。
当水排放排放水煤气混合物(阶段),排放气体的体积迅速减少,反映的减少甲烷位移的变化曲线的斜率,如图3。一个较小的注水压力会导致更大的斜率的变化。阶段的放电水煤气混合物,气体排放来自煤的身体与水流自由气体的干燥区和流离失所的气体在湿区。在相同位移时间,流离失所的甲烷的比例随注水压力的增加,表明排放气体的体积也与水流速度呈正相关水煤气混合放电阶段。煤炭样品的水流速随着注水压力2 MPa, 4 MPa,和6 MPa约0.70克/分钟,2.01克/分钟,分别和3.03克/分钟。注水压力是2 MPa时,煤样的水流速大大不同于其他煤炭样本,而水流率之间的差异与注水煤样4 MPa的压力,6 MPa的注水压力相对较小。水的趋势与注水压力流量一样流离失所的甲烷的比例与注水压力,也证实了排放气体的体积是直接与水的流速成正比。
位移停止后,甲烷解吸量与注水煤样品2 MPa的压力,4 MPa,和6 MPa是0.18 mL / g, 0.28 mL / g和0.11 mL / g,分别是远小于nonwater-injected煤的解吸量样品的吸附平衡压力,如图4。这是由于大量的气体被取代经过一段长时间的位移和保留水的屏蔽效应,使戒烟后的解吸量位移低得多。
3.3。位移速率和水驱替速率
体积的气体排放单位位移时间表示的位移速度(博士),表示如下: 在哪里指的是博士,毫升/分钟;代表位移时间、最小值;和代表了在位移时体积的气体排放 ,毫升。
气体放电的体积的比值在吸附罐的出料端质量的水注入相应的位移表示的水位移速度(世界发展报告》)。在初始阶段的煤炭样本注水,水流率差别很大,估计水质量是用来计算《世界发展报告》: 在哪里指的是《世界发展报告》,mL / g;代表质量的水注入在位移时间 ,g。
数据5和6显示博士和世界发展报告》与位移的变化模式在不同注水压力,分别。博士和《世界发展报告》有相同的变化规律。在舞台上没有排水,博士和世界发展报告》可以分为越来越阶段和稳定阶段。位移开始后,注水压力迅速增加,然后在设置注水压力值波动逐渐稳定注水压力值。排放气体的体积与注水压力呈正相关。博士因此,随注水压力的增加没有排水阶段。然而,这一阶段的短期和气体排放主要来自气体放电结束的管道让《世界发展报告》在不同注水压力稳定阶段略有不同。
占主导地位的路径存在煤炭样本注水。水首先沿着主导路径流动阻力较低,然后慢慢进入孔隙和裂缝外的主要路径(31日,32]。这使得煤炭样本不够湿混合后进入水煤气放电阶段,但天然气管道已经出院了。因此,这个阶段中的所有气体排放来自煤样品。然而,由于高电阻放电气体从煤样品,只有少量的气体排放,导致博士和世界发展报告》是大大降低,如图4和5。在水煤气混合放电阶段,博士和世界发展报告》可以分为稳定和衰减阶段。在稳定阶段,注入压力越高,孔隙裂隙水运动越快,流离失所的气体量越大,导致博士在稳定阶段与注射压力增加。《世界发展报告》,另一方面,不与注入压力变化显著,表明气体释放的数量单位的水稳定阶段是与注射压力无关。当煤样品几乎完全湿了,所有的排放气体来自于流离失所的气体。当潮湿的区域停止扩张,流离失所的气体的体积的增加率逐渐降低(27,33]。博士和世界发展报告》进入衰减阶段。在早期阶段的位移,排放气体的体积随注水压力的增加,导致的甲烷含量迅速降低煤炭样本。流离失所的气体的体积减少,煤样的甲烷含量减少,因此,提高注水压力产生更快的衰减博士和世界发展报告》的衰减阶段。
衰减阶段的水煤气混合放电阶段,提高注水压力创造更快的衰减博士和世界发展报告》。在早期阶段的位移,排放气体的体积随注水压力的增加,导致的甲烷含量迅速降低煤炭样本。流离失所的气体的体积随甲烷含量的减少煤炭样本,博士和世界发展报告》的注水压力高的煤炭样本表现出更快的衰减,衰减阶段,如图5和6。
3.4。甲烷位移时间
位移测试的时候达到停止条件集作为煤样的位移时间。图7表明该位移时间随注水压力的增加而减小。当注水压力增加从2 - 4 MPa MPa,位移时间减少了54.0%,而当注水压力增加4 MPa 6 MPa,位移时间只下降了4.3%,表明有一个关键的注水压力下一组测试停止条件。不断提高注水压力超过临界注水后压力不提高驱替效率。当注水压力低于临界注水压力、位移时间减少与注水压力的增加迅速,而当注水压力大于临界注水压力、位移时间不会改变与注水压力的增加明显。
3.5。甲烷位移速度
甲烷的体积的比值流离失所的单位质量的煤样的甲烷含量煤样品表示甲烷位移率,表示如下: 在哪里指的是甲烷位移率,%;代表甲烷流离失所的体积单位质量的煤样,mL / g;和代表的甲烷含量煤样品,mL / g。
眠的体积比甲烷的沼气含量煤样品表示自然解吸率,表示如下: 在哪里指的是解吸率和表示甲烷自然而眠的体积单位质量的煤样,mL / g。
图8表明,注水压力增加,甲烷位移速率增加。同时,甲烷位移速率是线性相关的注水压力。煤样的自然解吸率为65.4%。煤炭样品的甲烷位移率随着注水压力的4 MPa和6 MPa是66.0%和76.3%,分别高于自然解吸率。同时,甲烷位移速率与注水煤样2 MPa的压力是55.3%,这低于自然解吸率。数据4和5显示,水的流量与注水煤样2 MPa的压力很小,导致小值和缓慢衰减的博士和世界发展报告》在水煤气混合放电阶段。如果水是不断注入,一定体积的气体仍将退出煤炭样本。最后的甲烷位移速率可能会大于自然解吸率。基于上述分析,煤层注水能促进吸附气体的解吸,使大量的吸附甲烷气体是流离失所。
4所示。讨论
上面的测试结果表明,注水压力越高,越快流离失所的甲烷的比例增加,位移时间越短。DR注水压力增加而增加的阶段没有排水,而《世界发展报告》在不同注水压力略有不同;后期的注水,注水压力越高,衰减越快。根据甲烷的位移速率在不同注水压力高,大于自然解吸率,注水促进甲烷解吸,可以取代大量的煤吸附气体。
当气体压力小于8 MPa,甲烷在水中的溶解度与气体压力(一个线性关系34]。在水中溶解度的计算公式的甲烷在20°C和气体压力的0 - 3 MPa给出: 在哪里指的是溶解度,L / L和代表了气体压力、MPa。
根据计算公式,当甲烷气体压力2 - 6 MPa,甲烷在水中的溶解度是0.63 - -1.89 L / L。甲烷的溶解度是相当大的,在试验条件下,大大影响位移模式。煤是一种多孔介质具有复杂孔隙和裂缝35]。根据这项研究,在多孔介质很容易形成气水驱动的过程中气体(36,37]。特别是,小孔,水不容易进入气体吸附在煤的主要地方38]。这导致大量的气体很难赶出。考虑气体溶解度,阻塞在水煤气甲烷气体溶解在水接口,这样可以减少气体的压力区。根据朗缪尔吸附理论,甲烷解吸发生在气体区,但甲烷眠不足以恢复压力气体区(39]。力量的平衡态水煤气接口坏了。假设水煤气接口可以移动在力的作用下,甲烷气体溶解将促进水煤气界面的连续运动,直到它占据了整个天然气区。如果力在水煤气界面不能移动水煤气接口,水煤气接口的气体浓度降低由于气体溶解在水煤气接口,而气体浓度远离水煤气接口高,形成气体的浓度梯度区。根据菲克扩散定律,甲烷气体进行扩散运动(40]。在甲烷气体溶解、扩散和解吸,毛孔中的气体含量逐渐减少。甲烷气体溶解在水中与流水排放。占据的孔隙裂隙水的吸附气体被水取代,取代气体溶于水或形成气泡在水中,然后被水流。最后,大量的甲烷气体在煤样品被长时间的流水注入流离失所。
根据分析,使用注水的方法取代甲烷可以降低煤的瓦斯含量。测试结果也解释的存在的地区增加气体含量和降低注水后气体含量。地方气体含量的增加会增加煤炭和天然气的风险爆发(18]。因此,甲烷造成的灾害位移时,应该考虑使用煤层注水控制气体灾害。以往研究中用于位移测试,和加工有一定的差异,原煤在属性和结构可能影响位移模式。
5。结论
本文两阶段位移测试装置被用来进行一个实验取代甲烷在不同注水压力,从而分析位移量的变化模式,博士和世界发展报告》,位移,位移和甲烷速率除了甲烷水溶性对位移的影响模式。得出了重要的结论如下:(1)更大的注水压力会导致更大的水流速度和更大的排放的甲烷气体的排出量的水。DR注水压力增加而增加的阶段没有排水,而《世界发展报告》在不同注水压力略有不同。后期的位移,提高注水压力导致博士和世界发展报告》的煤样衰减快(2)根据时间变化的位移模式,有一个关键的煤层注水的注水压力。当注水压力小于临界注水压力、位移时间减少与注水压力的增加迅速,而当注水压力大于临界注水压力、位移的变化与注水压力不再明显(3)由于甲烷气体在水中的溶解度较高在高压下,气体,通常并不出院煤炭排放甲烷的溶解在水中,所以甲烷的位移注水有大量甲烷位移率,和更大的注水压力导致甲烷位移率较高
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家重点研发项目(没有。2017 yfc0804208)。