煤层赋存一氧化碳解吸动力学及扩散规律研究

采用煤化学、煤田地质学、煤矿安全学、动力学和两相学等多学科交叉方法，通过实验室实验、现场测试和计算机虚拟模拟等方法，研究煤层的地质构造对赋存一氧化碳的影响，分析一氧化碳在煤层中扩散与煤质、煤岩组分、微观结构的关系，并根据一氧化碳在煤层中的解吸、扩散、渗透运移机理，建立一氧化碳在煤层中扩散的数学模型，进一步研究赋存一氧化碳在井下煤层采掘过程中的释放规律；利用煤自然发火模拟装置，计算煤自然发火期，分析在低温条件释放一氧化碳的规律，并分析煤质、煤岩组分、微观结构与煤自燃氧化生成一氧化碳的关系；综合以上分析结果，来确定一氧化碳在煤层中的扩散运移来源，进而提高预测预报煤层自然发火的准确性。

近年来，煤层中赋存一氧化碳现象越来越受到人们关注，但其赋存原因、吸附－解吸及运移机理等动力学问题还少有研究。本课题组为了系统的对煤层中的一氧化碳气体进行研究，从全国各地选取了具有代表性的煤样，采用煤化学、煤田地质学、煤矿安全学、动力学和两相学等多学科交叉方法，对具有代表性的典型煤样进行吸附－解吸、扩散实验以及煤质分析、煤岩分析、孔隙分布、渗透性等系列的实验研究，有目的性的从地质因素、吸附及扩散模型、微观结构对煤吸附、解吸CO的影响等方面进行分综合分析，通过课题组各成员的努力取得了如下成果：. 首先对开滦的地质构造进行了详细研究，从地质构造方面研究了煤层中CO来源问题，为下步的研究奠定了基础。其次，通过对比研究了煤样吸附CH4，O2，CO气体，发现煤吸附CO的量随压力的增加而增加，随着温度的升高而逐渐减少的，随煤的变质程度的增加吸附量增加；压力与吸附量之间采用D-R方程描述，较BET方和Langmuir方程更适合作为研究煤对CO吸附的模型；CO在煤层中的扩散主要为过渡型扩散，扩散速率与中孔及过渡孔呈正向关系，而与微孔、总内比表面积、孔隙率呈负向关系，与大孔关系不明显，同时，扩散量随分形维数的增加而减少。. 通过红外光谱，对比分析吸附CO前后煤的官能团变化，发现前后煤样中基团种类发生了变化，这说明CO与煤中物质发生反应；同时，煤中羟基、含氧官能团与煤对CO吸附关系密切，而高波数脂肪烃和低波数芳香烃与吸附量间关系不明显；低阶煤和高阶煤与CO赋存关系不一致，低阶煤对CO的吸附量随镜质组含量的增加而增加，随惰质组、壳质组含量的增加而减少，高阶煤对CO吸附量随镜质组含量的增加而减少，随惰质组、壳质组含量的增加而增加，即煤样吸附CO能力随着变质程度的升高，中等变质程度煤样吸附CO能力最强，继而随着变质程度的升高而降低，这与发现CO超标现象的煤矿的煤质相符；低阶煤CO吸附量与煤孔隙间关系不明显，而高阶煤中过渡孔和微孔含量越高越有利于煤对CO的吸附；确定煤样在低温条件下自燃氧化生成一氧化碳的规律。. 为了提高发生CO超标现象矿井对预测预报自然发火的准确性，对开滦东欢坨的煤样进行了低温氧化实验，分析了CO的生成规律，为完善自然发火指标气体体系奠定了基础，这不仅是对矿山安全学科的补充，而且对煤矿安全生产具有重大的经济效益和重要的社会意义。