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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： 答辩人： 专业： 专业：采矿工程 学号： 学号：0701102 指导老师： 指导老师：88 教授

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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 冻结对煤体力学性能影响 结论与展望

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第一章 1 2 3

绪论

研究的理论意义和现实意义 吸附理论研究现状 本文研究的主要内容

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研究的理论意义和现实意义

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。

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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。

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吸附理论研究现状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：

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吸附理论 单分子层Langmuir吸附模型 单分子层Langmuir吸附模型 LangmuirLangmuir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：

abp Q= 1 + bp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。

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吸附理论研究现状 多分子层吸附理论-B.E.T方程 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：V cx = V0 (1 x ) 1 + ( c 1) x

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Ⅱ型等温线。

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吸附理论研究现状 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D—A(Dubini—Astakhov)吸附等温方程式: — —n Q = Qmax × exp A E

( )ps p

A = RT × ln n(

)

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。

DR(DA)方程能够很好地描述Ⅰ型等温线。该模型本

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本文研究的主要内容1 3 2 3 3 4 3 5 3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(-10℃~30℃)、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。

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技术路线 技术

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湖南科技大学 第二章 设备改造1 改造方案 2 气密性检查

3 对比试验

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改造方案增加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)、-50℃—100℃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：

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改造方案

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改造方案

温度传感器

显示屏

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气密性检验

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。

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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

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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

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对比试验

结果对比改造前langmuir方 程拟合Q= abp 1 + bp

相关 系数 R 0.9999 1.0

改造后langmuir方 程拟合Q= abp 1 + bp

相关系 数 R

煤样 竹金山 南阳庙

a 24.8886 27.4954

b 3.2079 2.3546

a 24.1074 27.9972

b 2.6575 2.4003

0.9999 1.0

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。

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