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中期报告终稿
2010-2011学年度大学生科研训练计划项目
不同吸附气体对煤的渗透性影响实验研究
中期报告
目录
一、项目研究的意义-2-
二、项目研究的目标-2-
三、项目研究主要内容-3-
四、项目研究的方法-8-
五、项目研究的步骤-9-
六、项目研究的主要过程-10-
七、项目进展及目前所获得的成果-12-
八、项目研究过程存在的问题及采取的措施-12-
参考文献-13-
一、项目研究的意义
煤和瓦斯突出是煤矿生产中相当严重的自然灾害。
造成煤和瓦斯突出的因素很多。
其中地质、矿压是最重要的因素。
它们能改变煤的物理性质、化学结构，形成应力集中而引起煤和瓦斯突出。
贵州被誉为“西南煤海”，煤炭资源丰富。
由于贵州地质条件复杂，各种煤矿灾害多，贵州煤炭企业的生产形势不容乐观。
贵州现有煤矿中85%以上的属高瓦斯矿井，其中突出矿井又占约40%，瓦斯灾害被称为贵州煤矿安全生产的第一杀手。
由于我省目前进行煤矿瓦斯流动规律基础研究的科研设备及手段尚未形成体系，因此本课题的研究填报了贵州省煤矿瓦斯灾害和煤层气利用基础研究方面的一个空白，具有较大的科研价值和工程现实意义。
本课题利用自行加工的三轴渗透仪，通过不同吸附性能的气体（CH4、CO2和He）对煤的渗透实验，分析煤对不同吸附气体的渗透率变化规律，得出不同吸附气体对煤的渗透率影响规律，将为贵州煤矿瓦斯灾害的防治，煤层气的进一步有效利用提供了理论依据。
二、项目研究的目标
从某种意义上说，煤对甲烷的吸附能力的大小对瓦斯突出有很大的关系，瓦斯的主要成分是甲烷煤中游离瓦斯与吸附瓦斯处于动态平衡之中，在相同的瓦斯压力的情况下，甲烷吸附能力强的煤的瓦斯总含量比甲烷吸附能力差的煤的瓦斯总含量要多。
当由于某种原因使瓦斯发生渗透运移时，就会有大量的瓦斯涌出。
本项目以贵州盘江矿区松河煤矿型煤煤样为研究对象，利用自行加工的三轴渗透仪，进行相同条件下进行CH4、CO2和He三种不同吸附气体下的煤的渗透实验，最后利用实验数据进行理论分析，得出不同吸附气体对煤的渗透率影响规律，从而为贵州矿区瓦斯灾害防治和煤层气的进一步开发、利用提供了理论依据。
三、项目研究主要内容
众所周知，煤对不同气体的吸附作用是不同的，因此当不同气体流过煤体时，其在煤体中的渗流特性也各异。
由于贵州目前缺乏进行瓦斯流动规律的实验设备和手段，大大地限制了煤中瓦斯流动规律的理论研究和注气技术在贵州的可行性研究。
课题以贵州盘江矿区松河煤矿的型煤煤样为研究对象，利用自行加工的三轴渗透仪和依托重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室的部分设备，进行不同吸附气体条件下渗透实验，分析不同吸附气体在通过煤体时其渗透特性的差异和变化规律，为贵州的煤层气理论研究，尤其是对地下煤矿注入气体，置换CH4的利用技术提供理论依据。
进行相同应力条件下的CH4、CO2、He三种不同吸附气体的渗透实验，分析不同吸附特性的气体对煤的渗透率影响规律，从而为贵州矿区瓦斯灾害防治和煤层气的进一步开发、利用提供了理论依据。
1、项目研究的内容具体安排如下：
1）对松河煤矿进行现场调研，取煤样；
利用节假日组织项目成员到盘江松河煤矿进行现场调研，收集松河煤矿煤层地质的相关资料及该煤层的瓦斯等涌出情况的资料。
并取回相关煤样，作为实验的煤样。
2）制备型煤煤样；
把从松河煤矿取回的煤样经过原煤粉碎，并筛选介于60～80目（0.18～0.25mm）的煤粉，在200t压力材料试验机上将煤粉在200MPa压力下压制成型，制备型煤煤样。
3）制定不同吸附气体下的三轴渗透实验方案；
在实验前制定不同吸附气体条件下的三轴渗透实验方案，并根据所制定的实验方案进行实验，并纪录数据。
4）定性、定量分析不同吸附气体条件下的煤渗渗率变化规律；
对实验数据进行定性及定量的分析，总结出不同吸附气体条件下的煤的渗透率变化规律。
并将实验所得结论与一些成功的相关实验结论作对比，确定实验成功与否，并总结出本实验的特色和亮点以及成功的经验。
2、影响煤渗透性的因素
通过查阅相关文献总结出煤渗透性的影响因素：
1）温度
煤样被加热到固定的温度后，在相同的孔隙压力和有效应力条件下，渗透率随煤样温度的增加而减小。
2）有效应力
随着平均有效应力的增加，煤的渗透率按指数规律衰减。
煤渗透率的这种变化与煤的孔隙度密切相关，而孔隙度随着应力状态而改变。
由于煤体在平均有效应力增大的情况下发生收缩变形，孔隙裂隙闭合，煤的微观结构发生变化，从而导致渗透率减小。
在地下开采过程中，采掘工程引起应力重新分布，煤体的支承应力和受力状态不断发生变化，它对煤层渗透性能有很大的影响。
在应力集中带，由于裂隙及犬孔隙受压而闭台，可使渗透力降低I在卸压带，由于原有裂隙的张开、扩大以及新裂隙的形成，可使渗透能力急剧提高
掌握这些规律，对于煤与瓦斯突出的预测、预防和提高瓦斯抽放率等具有十分重要的意义。
3）煤化程度
在同一应力状态下，随着煤化程度的增高，煤的渗透率降低。
随着挥发分的减少，煤化程度逐渐增高，煤样渗透率的这种变化也是由煤的孔隙度决定的。
因为在一定范围内（碳含量小于60），孔隙度随着煤化程度的增加而降低。
高变质的煤结构紧密，孔隙度低，因而渗透率低。
4）孔隙气压
煤的渗透率随孔隙气压增大而减小的特性是由孔隙气压变化引起滑脱效应和孔隙结构本身变化所致。
气体在岩石孔道中渗流特性不同于液体，即靠近管壁表面的气体分子与孔道中心气体分子的流速几乎没有什么差别，这种特性称为滑脱效应。
5）煤的含水量
在同等条件下，含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率，随着含水量的增加，煤样瓦斯渗透率降低得愈大。
此外，含水煤样的瓦斯渗透率随有效围压Pc降低的速率比干煤样大得多，也就是说，含水煤样的参透率对外界应力更加敏感。
含水煤中孔隙，裂隙部分吸附永，使得瓦斯渗流的通道减少，从而使瓦斯渗透率降低。
6）电场
煤样的渗透率与电场强度成线性关系，即随着电场强度的增加而呈线性增加。
在煤样两端加上电场后，相当于在瓦斯流动方向煤体中建立了电势差，煤体中的瓦斯渗流将出现电动效应，且电场强度越大，电动效应越显著，从而瓦斯在煤体中的渗透率随着电场强度的增高而增大。
7）有无吸解
在瓦斯无解吸的情况下，瓦斯压力降低，煤的渗透率也降低，然而在瓦斯解吸压力下，煤对瓦斯的渗透性会增加，这种增加是由于瓦斯的解吸性造成的。
3、各种气体的特性
1）氦气的特性
氦在常温、常压情况下为无色、无味的气体；氦位于元素周期表第二位，分子小而轻，因此是一种低分子量的生物惰性气体，其密度比空气密度小，是氮气的0.14倍，为0.1785kg/m3；氦由原子量为4.003的He4和原子量为3.016的He3这两种稳定的同位素组成，它们的化学性质都不活泼，所以氦气的化学性质十分不活泼，既不能燃烧，也不能助燃；氦气是一种惰性气体，最外层电子数目是饱和的，结构比较稳定，因此不易起化学反应，具有扩散速度快、脂水溶比小、导热性大、不易液化、稳定性好等物理特性。
氦气的粘性系数仅比空气（氮氧混合气）稍高，而运动粘性系数比空气高7.7倍，在相同的条件下，氦气的流速是空气的2.68倍。
2）甲烷的特性
甲烷的分子式为CH4,分子量为16；在煤矿中也称为瓦斯。
它是一种无色、无味、无臭、可以燃烧或爆炸的气体；是一种会对人体呼吸造成影响的窒息性气体；甲烷的密度比空气密度小，是空气密度的0.554倍，为0.716kg/m3（标准状况下）；但由于其有较强的扩散性，因此甲烷在巷道内不易上浮、聚积；其化学性质不活泼，微溶于水。
3）二氧化碳的特性
二氧化碳在干空气中含量占第4位的气体，分子式为CO2，分子量44，是很强的温室气体，对长波辐射有很重要的辐射效应。
在常温、常压下是无色、无臭、而略带刺鼻气味和微酸味的气体；能溶于水，压强越大溶解度二氧化碳越多，加压容易液化；二氧化碳密度比空气大，为1.977kg/m3；不能燃烧，也不支持燃烧，是窒息性气体。
在常温、常压下二氧化碳的弥散能力比氧强25倍。
在温度高于临界温度（Tc）31℃、压力高于临界压力（Pc）3MPa的状态下，其性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力，用它可溶解多种物质。
4、项目的实验研究
本项目是通过实验来进行研究，本实验利用自行加工的三轴渗透仪，对贵州盘江矿区松河煤矿的型煤煤样进行不同吸附气体条件下的渗透实验。
进行相同应力条件下的CH4、CO2、He三种不同吸附气体的渗透实验，分析不同吸附特性的气体对煤的渗透率影响规律。
四、项目研究的方法
本项目的研究方法有查阅相关文献、现场调研和实验研究。
实验是本项目的主要研究方法。
现场调研和查阅相关文献都是问实验做准备。
本课题的研究，采取从总结一般规律，并对这些一般规律进行理论分析，得出理论实验方案，再由理论指导实践，通过实验得出不同吸附气体对煤的渗透率影响规律。
以下是本课题的详细研究方法：
通过对盘江松河煤矿的调研，取回煤样和相关资料。
将取回的煤样制成型煤煤样，制定实验方案，根据实验方案进行相同应力条件下的CH4、CO2、He三种不同吸附气体的渗透实验；分析不同吸附性能的气体对煤的渗透率影响，通过对比、分析和归纳、总结，再结合国内外相关典型实例，总结出不同吸附气体对煤的渗透率的影响规律，将为贵州煤矿瓦斯灾害的防治，煤层气的进一步有效利用提供了理论依据。
五、项目研究的步骤
1、项目研究的具体步骤：
1）2010年7月-2010年8月，研究计划：
现场调研，收集相关资料，取煤样。
预期进展：
现场调研，文献查阅。
2）2010年9月-2010年10月，研究计划：
加工型煤煤样，进行煤样工业分析，制定实验方案。
预期进展：
制定实验方案。
3）2011年11月-2011年3月，利用瓦斯渗透仪进行参数测定，对实验结果分析，撰写学术论文。
预期进展：
完成实验，进行试验结果分析。
4）2011年4月-2011年6月，撰写结题报告，准备结题。
预期进展：
撰写结题报告。
2、参加项目人员名单及分工
谢凯萍：
协调课题成员之间的工作，分析三轴渗透实验的数据结果对不同吸附气体对煤的渗透率影响规律；
杨朝令：
分析三轴渗透实验的数据结果对不同吸附气体对煤的渗透性影响规律；
詹亭：
查阅相关文献资料，分析不同吸附气体在通过煤体时其渗透特性的差异和变化规律；
徐正义：
查阅相关文献资料，现场调研，协助实验；
陈如学：
查阅相关文献资料，加工型煤煤样，协助实验。
六、项目研究的主要过程
项目的主要研究方法是利用自行加工的三轴渗透仪，对贵州盘江矿区松河煤矿的型煤煤样进行不同吸附气体条件的渗透实验。
具体研究过程如下：
1、实验方案
1）实验系统及设备
图1为实验所用的三轴渗透仪装置图。
实验由三轴渗透仪、高压气瓶和CH4、CO2、He三种气体、恒温水箱、手动液压泵、油压表、流量计、水准瓶、阀门、减压阀、液压管、胶管、秒表组成。
图1三轴渗透装置工作原理示意图
2）实验准备
本实验煤样取自盘江矿区松河煤矿，将提取的新鲜煤样在实验室内粉碎，筛取60~80目的微粒，倒入成型模具中用在材料试验机上加压20t轴压，并保持压力20min后加压成型，加工成
50mm×100mm的型煤样。
放入恒温箱中以80℃恒温干燥8h，冷却后，在试件的表面（上、下两端除外）涂上一层硅橡胶，至干燥箱备用。
进行相同实验条件下的CH4、CO2、He三种不同吸附气体的三轴渗流实验，分析不同吸附性能气体对煤渗透率的影响。
3）实验步骤
实验前，将试件和上下压盘装在一起，外面套上热收缩管，用吹塑器加热热缩管，使其收缩，然后在试件两端热缩管凹槽加装密封箍环，并涂上硅橡胶，保证密封效果，使试件完全密封。
将密封好的试件放入等围压三轴压力室内，固定密封装置，安装顶部定位螺杆，密闭压力室外壳，实验装置安装完毕。
实验采用不同气体条件下测量试样气体渗透流量的方法测定渗透率。
渗透流量测量采用排水法。
气体压力分为0.2，0.6，1.0，1.4，1.8MPa五个等级。
具体步骤如下：
（1）先进行气密性检查。
将制备好的试件装入三轴渗流实验装置，首先加载0.5MPa的轴压，再加载围压，以及通入0.2MPa的气体压力。
并保持轴压始终大于围压大于瓦斯压力。
待稳定后，关闭出口阀门。
检查各接头是否有气体流出，若无气体流出则证明管路气密性良好。
（2）用真空泵抽气6h，以抽出其中的杂质气体。
真空抽气完成后，关闭出气阀。
按照实验方案设定轴压、围压及恒温水浴温度，稳定一段时间，使煤体温度达到设定温度（30℃）。
通入预定值的压力相应气体，关闭进气阀密闭，使之吸附平衡2h。
并同时打开出气阀，释放气体5min，用排水法测定流出气体体积，并同时记录排气时间。
（3）每变动一次轴压、围压，相应按照实验方案改变气体压力。
重复以上实验步骤，测5组数据。
2、实验数据处理及分析
实验渗透率可由达西定律求得：
（1）
式中：
K——煤层渗透率，10-3µm2；
Q——气体渗流流量，cm3/s；
µ——气体粘性系数，Pa.s;
Pa——大气压力，MPa；
L——试样长度，cm；
A——试样的横截面积，cm2；
P1——试样上端（进气口）的气体压力，MPa；
P2——试样下端（出气口）的气体压力，MPa。
七、项目进展及目前所获得的成果
1、查阅并整理了国内煤对不同气体吸附性的影响因素及实验研究的主要方法；
2、到盘江矿区松河煤矿进行现场调研，收集该矿煤样，并制成型煤煤样，以备下一阶段实验研究用，同时对煤样进行工业分析，了解其组分；
3、制定实验方案，进行不同气体（He、N2、CH4）的渗透实验。
八、项目研究过程存在的问题及采取的措施
1、存在问题：
1）由于贵州目前缺乏进行瓦斯流动规律的实验设备和手段，实验所需器材都要购买，影响实验进度；
2）由于没有实验数据，论文没有完成。
2、采取措施：
1）重新调整后期课题进度安排和任务安排；
2）利用实验数据，进行理论分析，抓紧时间撰写学术论文。
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