深部煤层三相介质条件下煤吸附瓦斯的动态控制机理及吸附模型

在前人已有研究成果的基础上，基于煤岩石学、瓦斯地质学、力学、物理化学、界面化学、统计热动力学和数值模拟等学科理论，针对目前煤层瓦斯研究多是对浅部煤层，以及现有吸附模型存在的问题，选择有代表性的矿井或矿区深部煤层不同类型煤样作为研究用样，综合采用常规测试（反射率测定、显微组分定量统计）、粒度分析（筛分）、孔隙结构测试和形态观测分析（低温液氮吸附法和汞置换法、扫描电镜）以及煤微晶结构和化学组成分析（X衍射衍射法、高分辨透射电镜等）等测试手段和方法，置备不同含水状态下的煤样，配置单组分和多组分不同浓度比混合气体，进行高温、高压等温吸附实验，分析深部煤层固、液、气三相介质条件下煤瓦斯吸附的动态控制机理，基于非均匀固体混合气体吸附理论，建立符合深部煤层瓦斯实际赋存状态的吸附模型。以上研究，将从微观层次上深化深部煤层吸附瓦斯的控制机理和对深部煤层瓦斯赋存规律的认识。

按照本资助项目的《计划书》，经过本项目科研人员共同努力，完成了计划中所要求的研究工作，实现了预期的研究目标。针对深部煤层开采所面临的瓦斯灾害防治问题，本项目分析了深部煤层温度、压力以及固、液、气三相介质的变化特征，分别选用褐煤、气煤、焦煤和无烟煤作为研究煤样，综合采用常规测试、孔隙结构测试和化学组成分析等测试手段和方法，对不同含水率煤样、不同浓度比例的混合气体进行高温高压吸附实验，深入研究了高温高压三相介质条件下煤吸附瓦斯的控制机理和吸附模型。研究取得了以下主要进展：（1）采集不同煤级煤样，模拟深部煤层的温度条件，开展了不同温度下煤的平衡水分实验，对实验数据进行了假设检验和参数估计，分析了平衡水分含量与煤级和温度之间的关系，建立了平衡水分含量与煤级和温度的数值模型，误差分析表明平衡水分含量与温度和煤级的数值模型的精度较高。（2）基于煤孔隙表面的非均匀特征和非均匀固体的物理吸附理论，引入煤的分形维数，提出了煤的综合分形维数，建立了高温高压三相介质条件下煤吸附瓦斯的Fractal-Langmuir数学模型。与传统的Langmuir模型相比，新模型精度高，具有更普遍的理论意义。（3）定义并计算了煤的孔隙综合分形维数，实现了煤孔隙全孔径分形维数的有效统一，完善了煤的孔隙分形研究，便于对煤的非均匀性进行表征。（4）采集不同煤级煤样，分别进行了纯甲烷、二元和三元混合气体高温高压平衡水分条件的等温吸附实验。通过实验，分析了不同条件下煤对瓦斯的吸附-解吸变化规律，研究发现了深部煤层三相介质条件下瓦斯的吸附-解吸新特性，并系统分析了高温高压三相介质（固相、气相、液相）以及煤基质（主要包括物质组成和孔隙结构）和煤层气体（成分及大小）对瓦斯吸附-解吸的控制机理。上述研究成果可以为深部煤层瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发提供理论基础和技术支撑。