【正文】 （）式中：—溫度為t時干煤樣對CH4的吸附量；—溫度為30℃時干煤樣對CH4的吸附量；、—該溫度下的溫度系數(shù)指數(shù)。溫度降低時情況相反，即瓦斯氣體分子能量下降，熱運動速率降低，因而擴散能力下降，瓦斯氣體分子在煤孔隙表面停留時間增長，因而吸附能力增強。 溫度對煤吸附瓦斯的影響外界溫度的變化會引起瓦斯氣體分子熱運動劇烈程度的變化。由于煤吸附氣體的過程是在煤內(nèi)部持續(xù)進行的，因此吸附過程中所處的環(huán)境條件成為影響吸附過程的最主要因素，例如吸附過程的環(huán)境溫度、吸附氣體的壓力大小等。吸附量與瓦斯壓力的關(guān)系(吸附等溫線), 一般可用朗格繆爾方程式計算。自由氣體分子必須損失部分所具有的能量才能停留在煤的孔隙表面, 因此吸附是放熱的；處于吸附狀態(tài)的瓦斯氣體分子只有獲得能量Ea才能越出吸附勢阱成為自由氣體分子, 因此脫附是吸熱的，瓦斯氣體分子的熱運動越劇烈,其動能越高, 吸附瓦斯分子獲得能量發(fā)生脫附可能性越大。在這種力場的影響下, 周圍的瓦斯分子比無力場存在時更易凝結(jié)。煤體內(nèi)部C原子的四個自由電子與周圍C原子形成C—C共價鍵，此時的C原子處于平衡狀態(tài)，而煤體內(nèi)部存在著孔隙和裂隙，此時內(nèi)部的甲烷分子屬于游離態(tài)分子。游離態(tài)瓦斯是指主要存在于相對比較大的孔隙和裂隙之中的瓦斯分子,吸附態(tài)瓦斯主要存在于煤體骨架的表面,吸收態(tài)瓦斯則是指類似于溶解態(tài)存在于煤體之中的瓦斯。吸附現(xiàn)象的發(fā)生是由于界面處的異相分子之間的作用力與同相分子之間的作用力不等，從而就存在了自由力場。 煤吸附瓦斯機理吸附的定義是指一種組分或多種組分在相界面處的富集或貧化現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者大量研究表明：吸附態(tài)瓦斯以物理吸附的形式分布于煤體裂隙、大塊和塊體表面、微裂隙和微孔隙的表面。經(jīng)過兩個多世紀的發(fā)展，吸附研究取得了重大成果，包括吸附過程、特征、機理、模型等，研究成果也主要應(yīng)用于化學(xué)、化工及相關(guān)領(lǐng)域，伴隨吸附應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深入和擴大，吸附研究也在不斷發(fā)展和完善。吸附劑所以具有吸附性質(zhì)，是因為分布在表面的質(zhì)點同內(nèi)部的質(zhì)點所處的情況不同。技術(shù)路線框圖見圖11。主要內(nèi)容包括：原煤在抽真空條件下，煤體變形量隨時間的變化規(guī)律；原煤在不抽真空條件下，煤體變形量隨時間的變化規(guī)律；型煤在抽真空條件下，煤體變形量隨時間的變化規(guī)律；型煤在不抽真空條件下，煤體變形量隨時間的變化規(guī)律。采用煤層氣高壓吸附解吸裝置對試驗煤樣進行吸附試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，分型煤橫向變形量與壓力關(guān)系型煤縱向變形量與壓力關(guān)系型煤橫向變形量與時間關(guān) 系型煤縱向變形量與時間關(guān)系查閱文獻收集資料制定試驗方案型煤吸附變形原煤吸附變形試驗材料制備試驗設(shè)備準備原煤橫向變形量與壓力關(guān)系原煤縱向變形量與壓力關(guān)系原煤橫向變形量與時間關(guān)系原煤縱向變形量與時間關(guān)系原煤吸附變形試驗原煤和型煤吸附瓦斯過程中煤體變形規(guī)律圖11 技術(shù)路線框圖 The technical route chart別研究在不同吸附氣體壓力、抽真空與不抽真空條件下，原煤和型煤吸附瓦斯的變形規(guī)律。（3）原煤吸附瓦斯變形規(guī)律研究。 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要研究內(nèi)容如下：（1）研究煤體吸附瓦斯的機理。趙陽升等[46]研究了氣體吸附作用和變形作用對滲流有重要影響，吸附作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨孔隙壓力呈負冪函數(shù)規(guī)律變化，變形作用表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨有效體積應(yīng)力呈負指數(shù)規(guī)律變化，吸附與變形共同作用的結(jié)果。隆清明等[44]實驗得出了瓦斯?jié)B流由于吸附作用的影響，吸附性能越強對滲透率的影響越大，不同吸附性能的氣體吸附性能越強，對滲透率的影響越大；滲透率隨瓦斯壓力的增加和瓦斯含量的增大而減小。國外學(xué)者如J. R. 等得到煤體有效應(yīng)力與滲透率間影響規(guī)律，[42]開展了應(yīng)力、煤體孔隙度和滲透率間關(guān)系研究，Sommerton W J等[43]研究了應(yīng)力對煤體滲流特性的影響。肖曉春、潘一山[40]對低滲煤樣進行滑脫試驗，研究圍壓和孔隙對煤層氣滑脫效應(yīng)以及氣體滲透率的影響。鮮學(xué)福等[36,37]共同探討了電場、應(yīng)力場以及溫度場等對瓦斯?jié)B流特性的影響。 基于吸附作用的煤層瓦斯運移研究現(xiàn)狀林柏泉和周世寧[34]共同探討了地應(yīng)力對煤樣透氣性、變形之間的相互關(guān)系，以及瓦斯的賦存及其流動規(guī)律。張先敏[31]基于表面物理化學(xué)原理，提出了考慮應(yīng)變與煤基質(zhì)收縮耦合影響的孔隙度和滲透理論模型。（3）吸附膨脹變形模型吳世躍、趙文等[29]基于所提出的孔隙介質(zhì)截面吸附潤濕長度概念和孔隙結(jié)構(gòu)模型、表面物理化學(xué)及彈性力學(xué)原理，導(dǎo)出了吸附膨脹應(yīng)力和應(yīng)變理論計算公式。結(jié)果表明，儲存條件下煤層中的液態(tài)水對煤基質(zhì)吸附氣體存在顯著影響，液態(tài)水可以使煤基質(zhì)吸附氣體的能力提升，吸附規(guī)律更符合 Langmuir 模型。蘇現(xiàn)波等[26]分析煤階對煤的吸附能力的影響，得出隨著煤階的增高，煤的吸附能力先后經(jīng)歷快速增加階段、緩慢增加階段、達到極大值階段和降低階段。2)煤體結(jié)構(gòu)（煤階）崔永君[10]進行了不同煤級對CHN2和 CO2單組份氣體的吸附試驗。（2） 吸附膨脹效應(yīng)的影響因素1）應(yīng)力 唐巨鵬等[23]在進行三維應(yīng)力作用下煤層氣吸附解吸特性試驗研究得出，加載過程中解吸量、解吸時間均與孔隙壓力呈拋物線關(guān)系變化；卸載過程中隨軸壓減小，解吸量增加，解吸時間減少；同樣荷載條件下，加載時解吸量大于卸載解吸量。孫維吉[21]對煤體吸附氣體的研究表明，不同類型的煤吸附甲烷后膨脹變形量不同，吸附甲烷膨脹變形達到最大變形量所需要的時間不同，同時，提出了可以通過測量煤吸附甲烷后吸附變形達到最大變形量所需要的時間來辨識煤的突出危險性。煤炭科學(xué)研究總院撫順分院[6]試驗測定了煤體在吸附甲烷和二氧化碳時的吸附變形量，并借助剛性測力計測定了在單向受制約條件下的吸附變形力。Gao等[18]提出煤體發(fā)生吸附膨脹是由于煤體的玻璃質(zhì)宏觀分子結(jié)構(gòu)中氣體分子擴散、溶解，然后膨脹，接著發(fā)生高度相關(guān)的煤分子調(diào)配。桑樹勛等[14，15]探討了煤吸附氣體的固氣作用機理。何學(xué)秋等[12]根據(jù)表面物理化學(xué)理論，提出當煤吸附瓦斯后，裂隙表面的吸引能發(fā)生了變化。2)多組分氣體吸附模型對于煤層中的多組分氣體（以甲烷為主）的吸附，目前應(yīng)用較多的多組分吸附模型有 ExtendedLangmuir方程（修正的Langmuir方程，簡稱EL方程）、Ideal Adsorded Solution理論（理想吸附溶液理論，簡稱IAS理論）、BET多組分氣體吸附模型、擴展的吸附勢理論以及其它吸附模型等。針對以上幾種模型在煤吸附氣體的運用，崔永君[10]研究了不同溫度下煤吸附甲烷，并用各種模型進行擬合。此外，Brunauer、Emment、Teller[8]等三人在單分子層吸附理論的基礎(chǔ)上，提出了多分子層吸附理論。為了從理論上描述煤體的吸附特性，眾多學(xué)者 [8，9]從動力學(xué)、熱力學(xué)理論和位能理論三方面對瓦斯的吸附建立了相關(guān)的模型。其中，對煤體的吸附特性，國內(nèi)外學(xué)者[17]的研究成果表明，吸附態(tài)瓦斯以物理吸附的形式分布于煤體裂隙、塊體、微孔隙和分子顆粒表面。綜上所述，研究煤吸附瓦斯變形特性對全面認識瓦斯在煤層中的運移規(guī)律、瓦斯災(zāi)害防治、煤層氣抽采、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保護生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的基礎(chǔ)支撐作用。隨著人類經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，CO2的排放量越來越大，造成的溫室效應(yīng)越來越嚴重。研究煤的吸附特性，提高煤層瓦斯抽采能力，可以在有效地降低礦井瓦斯災(zāi)害事故的同時，發(fā)展新興能源產(chǎn)業(yè)，緩解煤炭生產(chǎn)力，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。其次，有利于開發(fā)新興能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。 首先，研究煤的吸附特性有利于全面認識瓦斯在煤層中的運移規(guī)律。因此，研究煤體吸附的變形規(guī)律，對進一步了解掌握煤層瓦斯運移規(guī)律，指導(dǎo)煤層氣抽采和瓦斯災(zāi)害防治具有十分重要的意義。煤體的膨脹、收縮變形直接使煤體內(nèi)滲透通道發(fā)生變化，影響煤體滲透性，而煤體滲透性的變化又反過來影響煤體吸附、解吸特性。瓦斯在煤體中的運移受到多種因素的影響，比如地應(yīng)力、瓦斯、溫度、電磁場等，且煤體對瓦斯還有強吸附性。因此，如果能對瓦斯進行合理的利用，則能較好的解決我國能源短缺的問題。如用于發(fā)電，每年可發(fā)電近300億千瓦時。我國煤層氣資源十分豐富，居世界第三。據(jù)試驗統(tǒng)計，、良好的熱值，可以作為民用燃料、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料、汽車燃料和重要的化工原料，用途十分廣泛。隨著科技的發(fā)展，在最近的20年來，煤礦瓦斯除了作為“有害”氣體，更主要的是作為一種潔凈能源而被各國重視。尤其是近年來，隨著煤炭開采深度的增加，采掘機械化程度的提高,礦井瓦斯排放量也在急劇增大，僅2006年我國產(chǎn)煤超過23億噸時釋放的礦井瓦斯達100億m3。在煤與瓦斯突出事故中，瓦斯具有十分重要的作用。就2014年上半年我國共發(fā)生較大以上煤與瓦斯突出事故11起，造成78人死亡，其中湖南省發(fā)生4起、死亡26人，云南省發(fā)生3起、死亡22人，貴州省發(fā)生2起、死亡17人。它破壞性極大，不僅能夠損壞各生產(chǎn)系統(tǒng)，而且會造成大量的人員傷亡。煤與瓦斯突出事故是煤礦生產(chǎn)中最嚴重、最危險的災(zāi)害之一。我國煤炭資源豐富，是世界上煤炭含量最多的國家之一，但同時，我國也是世界上瓦斯災(zāi)害最嚴重的國家，高、突礦井占我國重點礦井約60%，其中，美與瓦斯突出礦井約達到20%。煤炭在我國一直霸居主要能源首位，它占我國一次能源消耗的75%—80%。一般情況下，同一煤層的瓦斯含量隨深度而遞增。地下開采時，瓦斯由煤層或巖層內(nèi)涌出，污染礦內(nèi)空氣。腐植型的有機質(zhì)，被細菌分解，可生成瓦斯；其后隨著沉積物埋藏深度增加，在漫長的地質(zhì)年代中，由于煤層經(jīng)受高溫、高壓的作用，進入煤的碳化變質(zhì)階段，煤中揮發(fā)分減少，固定碳增加，又生成大量瓦斯，保存在煤層或巖層的孔隙和裂隙內(nèi)。原煤和型煤吸附瓦斯變形規(guī)律研究畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 選題目的和意義 1 研究現(xiàn)狀 3 煤的吸附膨脹特性研究現(xiàn)狀 3 吸附膨脹實驗研究現(xiàn)狀 4 基于吸附作用的煤層瓦斯運移研究現(xiàn)狀 6 本論文的主要內(nèi)容 6 本論文的技術(shù)路線 82 煤吸附理論 9 煤吸附瓦斯機理 9 煤吸附瓦斯影響因素 10 溫度對煤吸附瓦斯的影響 10 壓力對煤吸附瓦斯的影響 11 時間對煤吸附瓦斯的影響 13 抽真空對煤吸附瓦斯的影響 14 二維吸附膜模型 16 Langmuir單分子層吸附模型 16 Freundlich吸附模型 17 BET多分子層吸附模型 17 本章小結(jié) 183 煤吸附瓦斯變形試驗 19 實驗方案 19 實驗設(shè)備 19 試樣制作和實驗裝置 24 試驗方法 27 試驗氣體的選擇 27 實驗步驟 284 原煤和型煤吸附變形的試驗結(jié)果 30 抽真空階段煤體變形量與時間關(guān)系 30 35 38 415 結(jié)論與展望 45 45 45致謝 46參考文獻 47附錄A 50附錄B 61遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論 選題目的和意義煤礦瓦斯則是指的天然氣。植物在成煤過程中生成的大量氣體，又稱煤層氣。中國煤礦術(shù)語中的瓦斯是從英語gas譯音轉(zhuǎn)化而來，往往單指CH4(甲烷，也稱沼氣)。每噸煤、巖含有的瓦斯量稱煤、巖的瓦斯含量，主要決定于煤的變質(zhì)程度、煤層賦存條件、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)等因素。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭資源十分豐富，在過去的20世紀中，我國的煤炭含量居世界首位。預(yù)計在21世紀中期，煤炭資源仍將占我國一次能源中的45%—50%，因此，煤炭產(chǎn)業(yè)仍舊是事關(guān)我國民生發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，我國的礦業(yè)事故是所有工傷事故中最為嚴重的事故，其造成的死亡人數(shù)僅次于道路交通，在各種人為的顯性事故災(zāi)害中居于第二位，礦井災(zāi)害中尤以瓦斯災(zāi)害最突出，是我國礦業(yè)發(fā)展中急需解決的問題。煤與瓦斯突出是指在壓力作用下，破碎的煤與瓦斯由煤體內(nèi)突然向采掘空間大量噴出，是另一種類型的瓦斯特殊涌出的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，2001—2014年我國煤礦共發(fā)生417起煤與瓦斯突出事故,其中較大事故多發(fā),造成的死亡總?cè)藬?shù)最多,%,%；特別重大事故較少發(fā)生,%,但造成的死亡人數(shù)較多,%。這些重大事故給國家和人民的生命、財產(chǎn)帶來了重大損失，也造成了不良的社會影響。長期以來，煤礦瓦斯一直被當作“有害”氣體處理，瓦斯氣不僅會造成采礦過程中大量的人員傷亡，而且礦井瓦斯還是造成溫室效應(yīng)、破壞臭氧層等大氣環(huán)境污染源之一，其溫室效應(yīng)是同質(zhì)量二氧化碳的20倍左右，對大氣臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍。據(jù)估計，%，造成嚴重的大氣污染。20世紀80年代，美國首先從地面開采煤層氣獲得成功，使瓦斯變害為寶，成為一種潔凈能源供人們使用，引起世界各國的高度重視。且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，作為一種高效、潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。每年在采煤的同時排放的煤層氣在130億立方米以上，合理抽放的量應(yīng)可達到35億立方米左右，除去現(xiàn)已利用部分，每年仍有30億立方米左右的剩余量，加上地面鉆井開采的煤層氣50億立方米，可利用的總量達80億立方米，約折合標煤1000萬噸。而此時我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)都處在一個轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)能源行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機遇，在一個新興行業(yè)成長和壯大的階段，企業(yè)成功的關(guān)鍵在于，如何在需求逐漸擴大，行業(yè)內(nèi)外結(jié)構(gòu)不斷變化的過程中，找到企業(yè)發(fā)展的發(fā)力點和關(guān)節(jié)點，利用企業(yè)內(nèi)外部的資源優(yōu)勢，實現(xiàn)企業(yè)的快速發(fā)展。表11 世界各國煤層氣儲量和開發(fā)情況 CBM reserves in the wo