基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法技术

本发明专利技术公开了基于扩散

【技术实现步骤摘要】
基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法


[0001]本专利技术涉及煤体瓦斯运移特性研究
，具体涉及基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法。

技术介绍

[0002]瓦斯是一种赋存在煤层中的清洁能源。瓦斯抽采不仅可以提高煤炭开采回采率，还可以预防煤与瓦斯突出事故的发生。在煤炭瓦斯抽采过程中，瓦斯要经过脱附
‑
扩散
‑
渗流等环节的耦合过程才能被抽采出来。瓦斯的扩散特性是影响瓦斯解吸速率的重要因素，也直接影响瓦斯的抽采效果。
[0003]吸附时间是一个反映了瓦斯在煤岩基质中的扩散能力的重要参数，体现了扩散系数和形状因子对扩散通量的控制作用。在中国《煤层气测试方法》标准中(GB/T 19559
‑
2008)，吸附时间是指样品所含气体被解吸出来63.2％所用的时间。然而，使用块煤测试吸附时间时，由于测得的所含气体经脱附
‑
扩散
‑
渗流耦合过程，获得的扩散相关参数受渗流影响。为准确测量吸附时间等扩散参数、缺少一种扩散
‑
渗流解耦实验方法，用于单独测试扩散行为或渗流行为。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，本专利技术的测试方法操作简单，且能有效避免块煤样品的渗流特性对扩散特性测试导致的误差,能真实反映煤体在煤层中解耦扩散行为和渗流行为。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术提供基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，包括以下步骤：
[0007](1)选取块煤样品，记录煤样重量，对煤样进行工业分析获得煤样的灰分、水分，测试煤样密度，并采用高压容量法测定煤样的吸附常数的a、b值；
[0008](2)抽真空后，对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
[0009](3)通过中心钻孔的方式对步骤(2)实验后的煤样进行渗流通道改造；
[0010](4)对改造完毕后的样品进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
[0011](5)对步骤(4)实验完成后的煤样继续进行渗流通道改造，扩大煤样的中心钻孔，对扩大了中心钻孔的煤样进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
[0012](6)分析步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据，根据吸附速率曲线的差异确定差异消失时间t1，从而确定扩散
‑
渗流行为的主控阶段，在解耦扩散
‑
渗流行为后，由解吸速率以及步骤(1)测得的煤样密度计算t1时刻窜流量；
[0013](7)将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的块煤在步骤(6)确定的t1时刻的瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，通过朗格缪尔方程反演计算不同渗流通道对应的t1时刻的基质中的气相瓦斯压力；将得到的基质中的气相瓦斯压力以及步骤(6)求得的t1时刻的窜流量代入到双重孔隙介质拟稳态窜流方程计算吸附时间。
[0014]优选地，步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据包括瓦斯吸附量、吸附速率、瓦斯解吸量、解吸速率游离瓦斯含量。
[0015]优选地，步骤(6)中，所述窜流量采用以下公式计算：
[0016][0017]式中：Q
s
为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·
s)；为t时刻瓦斯解吸率，mL/(g
·
min)；为标准状态下甲烷的密度，0.71428kg/m3；ρ
coal
为煤样密度，g/mL；当t＝t1时，式(1
‑
1)求得t1时刻的窜流量。
[0018]优选地，步骤(7)中，所述的双重孔隙介质拟稳态窜流方程如下所示：
[0019][0020]式中：Q
s
为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·
s)；D为瓦斯在基质孔隙中的扩散系数，m2/s；σ
c
为基质形状因子，m
‑2；C
m
、C
f
分别为基质、裂隙中的气相瓦斯浓度，kg/m3；P
m
为基质裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；P
f
为裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；M为甲烷的摩尔质量；R为理想气体常数，J/(mol
·
K)；T为温度，K；τ为吸附时间。
[0021]优选地，所述基质中的气相瓦斯浓度C
m
、裂隙中的气相瓦斯浓度C
f
分别采用以下公式计算：
[0022][0023][0024]式中：M为甲烷的摩尔质量，kg/mol；R为理想气体常数，J/(mol
·
K)；T为温度，K；P
m
、P
f
分别为基质、裂隙中的气相瓦斯压力，Pa。
[0025]优选地，所述朗格缪尔方程如下所示：
[0026][0027]式中：V为瓦斯吸附量，m3/t；P为吸附平衡时瓦斯压力，MPa；a为吸附常数，m3/t；b为吸附常数，MPa
‑1。
[0028]将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)得到的在步骤(6)确定的t1时刻的块煤基质瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，采用如下公式计算t1时刻的基质中气相瓦斯压力P
m
：
[0029][0030]式中：P
m
为基质中气相瓦斯压力，Pa；V
m
为基质中的瓦斯吸附量，mL/g。优选地，所述基质中的瓦斯吸附量V
m
采用如下公式计算：
[0031]V
m
＝V
total
‑
V
de
‑
V
free
ꢀꢀꢀꢀ
(0
‑
11)
[0032]式中：V
total
——为解吸实验开始前煤样罐内吸附量，mL/g；
[0033]V
de
——为t时刻瓦斯解吸量，mL/g；
[0034]V
free
——为常压下游离瓦斯含量，mL/g。
[0035]本专利技术的有益效果在于：
[0036]本专利技术基于扩散
‑
渗流解耦实验，可以准确测试窜流量并计算吸附时间，有利于独立评价扩散行为和渗流行为，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选取块煤样品，记录煤样重量，对煤样进行工业分析获得煤样的灰分、水分，测试煤样密度，并采用高压容量法测定煤样的吸附常数的a、b值；(2)抽真空后，对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；(3)通过中心钻孔的方式对步骤(2)实验后的煤样进行渗流通道改造；(4)对改造完毕后的样品进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；(5)对步骤(4)实验完成后的煤样继续进行渗流通道改造，扩大煤样的中心钻孔，对扩大了中心钻孔的煤样进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；(6)分析步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据，根据吸附速率曲线的差异确定差异消失时间t1，从而确定扩散
‑
渗流行为的主控阶段，在解耦扩散
‑
渗流行为后，由解吸速率以及步骤(1)测得的煤样密度计算t1时刻窜流量；(7)将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的块煤在步骤(6)确定的t1时刻的瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，通过朗格缪尔方程反演计算不同渗流通道对应的t1时刻的基质中的气相瓦斯压力；将得到的基质中的气相瓦斯压力以及步骤(6)求得的t1时刻的窜流量代入到双重孔隙介质拟稳态窜流方程计算吸附时间。2.如权利要求1所述的基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据包括瓦斯吸附量、吸附速率、瓦斯解吸量、解吸速率游离瓦斯含量。3.如权利要求1所述的基于扩散
‑
渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，步骤(6)中，所述窜流量采用以下公式计算：式中：Q
s
为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·
s)；为t时刻瓦斯解吸率，mL/(g
·
min)；为标准状态下甲烷的密度，0.71428kg/m3；ρ
coal
为煤样密度，g/mL。4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清泉，黄文怡，王亮，程远平，王婧，凌浩，王浩，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：