硕士研究生论文答辩

改造方案
改造方案
温度传感器 显示屏
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。
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。
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
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
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
对比试验
结果对比
改造前langmuir方 程拟合
Q abp 1 bp
煤样
ab
竹金山 南阳庙
24.8886 3.2079 27.4954 2.3546
相关 系数
R
0.9999 1.0
Q
Qmax
exp
A E
n
A RT ln n( ps p)
DR（DA）方程能够很好地描述Ⅰ型等温线。该模型本
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。
本文研究的主要内容
31 样品的采集及制备方法。
32
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。
3
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。
34 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
35 程煤与瓦斯突出提供理论支持。
技术路线
第二章 设备改造
1 改造方案 2 气密性检查
湖南科技大学
3 对比试验
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：
冻结对煤体力学性能影响
实验过程
共设定-5℃、-10℃、-15℃和-20℃四个冻结温度，将试件根 据冻结温度和模压分组编号。将编号的煤芯试件分组放入相应冻 结温度下的温控室中进行冷冻。
RMT-150岩石力学试验系统
突出煤层成型煤芯试件
•
通过注水冻结成型煤样的单轴抗压强度实验，发现其受压
后变形分为四个阶段：压密阶段（OA）、弹性阶段（AB）、
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:
塑性屈服阶段（BC）和破坏阶段（CD） 。
成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数 表6.1 不同冻结温度下成型煤样的主要力学参数值
成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数
成型煤样冻结温度-抗压强度关系曲线
成型煤样结温冻度-弹性模量关系曲线
成型煤样不同冻结温度下的力学性能参数
成型煤样冻结温度-抗压强度关系拟合曲线
温度/℃
55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
-15
-5
0.5MPa 1.6MPa 2.7MPa 3.6MPa 4.5MPa 6MPa
5
15
25
35
温度/℃
不同压力煤样下吸附量与温度关系
结论
在6MPa压力下，坦家冲煤样的吸附量与温度T的关系为：
V 0.4928T 44.0463
1# 裕民 6煤12610工 3.25 6.0 5.10
煤矿
作面
1.59
1.37 13.9
2# 坦家 6煤2261-2 4.11 15.12 7.00
冲
采区
1.57 1.40 10.83
3# 一平 5煤21采区 2.09 3.89 硐矿
4.52 1.56 1.44 7.69
4# 利人 5煤6采区 煤矿
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： 专业：采矿工程 学号：0701102 指导老师：88 教授
湖南科技大学
31 绪 论 32 实验设备改造 3 煤样的工业分析 34 甲烷低温吸附实验及结果分析 35 冻结对煤体力学性能影响 36 结论与展望
4 在低温阶段（T≤0℃）煤的Langmuir常数a的值明显高于常温 阶段（T=30℃）常数a的值。在相同温度变化趋势下，不同煤的 吸附常数a的变化趋势不同；煤体吸附量越大，吸附量随温度变 化的趋势越剧烈。
5 建立起饱和吸附量a与温度T的相关关系；这为预测深部煤层吸
附甲烷含量提供了可能。先预测到某深度的地温，选适宜的方程可
下图)，压力越低，相关性越好，压力不同线性公式中的系数
不同，呈有规律的变化。利用线性方程可以计算出等压条件
下任一温度的吸附量。
吸附量/cm3.g-1 吸附量/cm3.g-1
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
-15 -5
0.5MPa 1.71MPa 2.86MPa 4.5MPa
5
15 25 35
改造后langmuir方 程拟合
Q abp 1 bp
a
b
相关系 数
R
24.1074 27.9972
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。
第四章 低温吸附试验及结果分析
煤样工业分析
编号 煤样
地点
Mad(%) Aad(%) Vdaf (%) TRD TCD R0(%)
Ⅰ类吸附等温线，由此可知煤对CH4的低温吸附模型也可 以用Langmuir方程来表征，煤样的Langmuir常数见下表 。
2、同一温度条件下压力越高吸附量越大；相同压力条 件下，同一煤样的吸附量随温度的升高而降低；
结论
温度对吸附CH4的影响
根据在相同压力、不同温度条件下获得的吸附量，发现
同一样品在相同压力条件下，吸附量与温度呈负相关关系(如
Langmuir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：
Q abp 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。
吸附理论研究现状
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
湖南科技大学
第一章 绪论 1 研究的理论意义和现实意义 2 吸附理论研究现状 3 本文研究的主要内容
研Βιβλιοθήκη Baidu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。
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：
吸附理论
单分子层Langmuir吸附模型
以计算该处a值。
• 不足与展望
本研究是在比较困难的情况下完成的，受资金和测试条件 的限制，设备改造过程中没能考虑0℃以下CH4压缩系数和常 温状态下压缩系数的差异，因此，也就不能更好的描述低温 （≤0℃）对煤吸附CH4量的影响程度，不能够得出比较详细 的数据和图表，只能够进行简单的分析和计算以及吸附等温线 的绘制。今后将加强这方面的研究，以丰富温度对煤吸附CH4 影响的理论，为注液冻结法防治石门揭煤过程煤与瓦斯突出提 供理论支持。
19.0
22.84
7.07 1.67 1.59 4.79
表 煤样吸附数据 Tab Adsorption data of coal sample
吸附实验结果
坦家冲煤样吸附图
利人煤样吸附图
吸附实验结果
裕民煤样吸附图
一平硐煤样吸附图
结论
吸附等温线： 1、当温度T≤0℃时，煤对CH4等温吸附曲线仍属于第
湖南科技大学
第六章 结论与展望
本文主要得出以下的结论：
1 用改造后的WY-98A仪器与原仪器的实验结果对比显示设备的 可靠性，同时原设备具有可扩展性。
2 用改造后的WY-98A吸附常数测定仪，获取了低温条件下 （T≤0℃）煤对CH4吸附常数a、b值。当温度T≤0℃时，煤对 CH4等温吸附曲线仍属于第Ⅰ类吸附等温线，可以用Langmuir方 程来表征煤对CH4的低温吸附。
吸附常数a随温度T的变化
冻结的作用
第五章 冻结对煤体力学性能影响
在高瓦斯矿井煤层赋存正常或构造破坏不大的地点石门 揭煤之前，可以在掘进工作面向前打孔距适当的钻孔，利用 钻孔注液把掘进工作面前方的煤岩柱冻结。这样，一方面可 以增加煤体对瓦斯的吸附量，从而减少游离的瓦斯量；另一 方面，可增大掘进工作面前方卸压区的煤体强度，从而防止 煤体发生流变以达到防止煤与瓦斯突出。
成型煤样冻结温度-弹性模量关系拟 合曲线
冻结温度对煤的力学性能的影响
选取煤的抗压强度和弹性模量来分析突出煤层注水冻结 后的力学性能变化。以横坐标表示冻结温度，纵坐标分别表 示成型煤样平均抗压强度、平均弹性模量，其随冻结温度的 变化关系如表6.2和图6.7～6.8所示。
表6.2 不同冻结温度下成型煤样抗压强度值
相关系数r=-0.9869＜0，表明随温度升高，饱和吸附量 降低，但最终都趋于一稳定值。根据上式这种线性关系， 可以计算某一煤样在等压条件下任一温度的吸附量。
结论
吸附常数a与温度的关系
吸附常数a表示在给定的温度下，单位质量煤体对CH4 的极限吸附量，不同煤样吸附量的差异，集中反映在a值的
不同上。
由右图可知随着吸附温度的升高 煤对甲烷的吸附量均变小；不同温度 下煤的langmuir常数a不同，并随温 度的增大而单调递减，煤体吸附量越 大，吸附量随温度变化的趋势越剧烈。 在相同温度变化趋势下，不同煤的吸 附常数a的变化趋势也不完全相同， 变化趋势由大到小的顺序依次为利人 煤样、坦家冲煤样、裕民煤样。
表6.5 不同冻结温度下成型煤样最大力学参数值
冻结温度对煤的力学性能的影响
图6.11 成型煤样冻结温度-最大抗压强度关系曲线
图6.12 成型煤样冻结温度-最大弹性模量关系曲线
从这些图可以看出：忽略实验模压的影响，随着冻结温度的降低，成型 煤样的最大单轴抗压强度明显增大，最大弹性模量也明显增大。其与图 6.7～6.9所示的成型煤样平均抗压强度和平均弹性模量随冻结温度的变化 规律保持一致。
a
冻结温度对煤的力学性能的影响
图6.7成型煤样冻结温度-抗压强度关系曲线 图6.8 成型煤样冻结温度-弹性模量关系曲线
从这些图可以看出：相同模压下，随着冻结温度的降低， 成型煤样的单轴抗压强度明显增大，弹性模量也成增大趋势
冻结温度对煤的力学性能的影响
如果以横坐标表示冻结温度，以成型煤样最大抗压强度或 最大弹性模量为纵坐标，其随冻结温度的变化关系如表6.5和 图6.11～6.12所示。
3 在低温阶段，同一煤样在相同压力下，吸附量与温度呈负相 关关系。随着温度的降低，煤吸附甲烷的能力提高。压力越 大，煤体吸附量随吸附温度变化趋势越明显；压力较低时， 吸附量随压力增大呈线性的增长，随后吸附速度不断的衰减， 当压力达到一定值时，煤对CH4气体的吸附能力达到饱和， 此后再增加压力吸附量不再增加。这与于洪观的结论：“煤 对混合气体CH4吸附量并不随着压力的增加而增加，而是随 着压力的增加而增加到最大值后随着压力的增加吸附量略降 低”基本一致。
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。