低温环境（0°C以下）煤的瓦斯吸附/解吸特性研究

Coal mine disaster is very serious in China, and in which gas disaster control is the most impartant. Gas content is one of the indispensable important parameters for gas disaster control and gas resources exporation and development,but the current underground direct meaurement mothods of gas content has significant technical defect. Measurement error increases with the core drilling depth and core time increasing, which is because that it is irrational for the calculation method of loss gas during coring process. In this project based on the cognition of gas desorption rate increasing and gas adsorption capacity diminishing with the temperature rising, the enviromental temperature is reduced artificially to be below zero, the gas adsorption and desorption are simulated by reformed adsorption and desorption device. And percolation mechanics, rock mechanics, molecular dynamics, heat transfer, surface physical chemistry are applied to establish gas adsorption and desorption model of the multi field coupling with gas, solid and temperature, and the model could quantitatively describe the mechanism of gas adsorption and desorption in low temperature enviroment. Accurate compensation model of gas loss in low temperature enviroment is created to realize the accurate prediction of gas content in coal seam, and to provide reliable data for gas disaster control and gas resources exploration and development.

我国是世界上煤矿灾害最严重的国家，瓦斯灾害是煤矿灾害治理的重中之重。瓦斯含量是瓦斯灾害治理和瓦斯资源勘探开发不可或缺的重要参数，我国煤矿现行的煤层瓦斯含量井下直接测定方法（AQ1066-2008）存在技术缺陷，测值误差随钻孔取芯深度和取芯时间的增加而加大，问题的根源在于取芯过程煤芯漏失瓦斯量补偿与实际不符。本项目基于煤的瓦斯解吸速度随温度升高而增大、瓦斯吸附能力随温度升高而减少的基本认识，对瓦斯吸附/解吸试验平台进行改造，在人造低温（0℃以下）环境下，研究井下煤层瓦斯含量测定煤芯采集过程的瓦斯吸附/解吸特性，综合应用渗流力学、岩体力学、分子动力学、传热学、表面物理化学等理论，建立气-固-温度多场耦合的瓦斯吸附/解吸模型，定量描述低温环境煤的瓦斯吸附/解吸机制，创建一种低温环境煤层钻孔取芯过程煤芯漏失瓦斯量补偿方法，为井下煤层钻孔人造低温取芯、准确测定瓦斯含量的新技术开发提供理论依据。

煤层瓦斯含量作为煤矿瓦斯灾害治理的基础参数，其测量失真的主要原因在于钻孔取芯过程煤芯瓦斯解吸快、漏失量大且补偿模型与实际不符。基于煤的瓦斯解吸速度随温度降低而减小的基本认识，提出煤层冷冻取芯抑制瓦斯解吸的方法，以减少取芯过程的瓦斯漏失量，实现煤层瓦斯含量的高准确率测定。采用程序控温的高/低温环境煤样吸附/解吸模拟测试平台，测试从常温到冷冻温度煤的吸附解吸特性，煤的饱和吸附量随温度降低而线性增大，即降温促进煤表面的甲烷吸附，且环境温度越低，煤对瓦斯的促吸效果越明显。而瓦斯解吸量随着温度降低而减小，瓦斯释放率也随温度降低而减小，且温度越低，瓦斯释放率越小，即降低温度有效抑制瓦斯解吸。在冷冻取芯模拟测试装置设计中，基于效果显著、结构简单的原则，制冷方式选择干冰接触制冷。模拟测试冷冻+加热过程中煤芯温度与瓦斯压力的响应特征结果表明，含瓦斯煤芯温度迅速降低，在低温下维持一段时间后，温度开始缓慢上升。相同初始瓦斯压力下，加热温度对冷冻过程中煤芯温度的影响十分明显，进而导致煤芯在低温下（0℃以下）的维持时间越短；相同初始吸附平衡压力下，降温阶段瓦斯压力迅速降低，而后在最低温度阶段稳定一段时间，瓦斯压力开始逐渐增大，加热温度越高，瓦斯压力升高速度越快。模拟冷冻取芯过程中，初始阶段瓦斯累计解吸量迅速增大，而后瓦斯停止解吸一段时间后，瓦斯累计解吸量才开始快速增加。在相同加热温度下，瓦斯初始吸附平衡压力较小时，停止解吸时间较长；而瓦斯压力较大时，停止解吸时间较短。在冷冻取芯模拟测试初始阶段，瓦斯最大释放率随初始吸附平衡压力增大而增大，在2.0MPa瓦斯压力下，瓦斯最大释放率也不超过9%。本项目研究将为井下煤层钻孔冷冻取芯、准确测定瓦斯含量的新技术开发提供理论依据，对煤矿瓦斯灾害治理、煤层瓦斯资源勘探开发、瓦斯突出危险性区域预测、区域防突措施效果检验等具有现实意义。